Hostname: page-component-6766d58669-mzsfj Total loading time: 0 Render date: 2026-05-21T04:55:40.943Z Has data issue: false hasContentIssue false

Measurements of the Electrical Properties of Ice Ih Single Crystals by Admittance and Thermally Stimulated Depolarization Techniques

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Arturo Loria
Affiliation:
Istituto di Fisica dell’Università and Osservatorio Geofisico dell’Università, 41100 Modena, Italy
Ezio Mazzega
Affiliation:
Istituto di Fisica dell’Università and Osservatorio Geofisico dell’Università, 41100 Modena, Italy
Umberto del Pennino
Affiliation:
Istituto di Fisica dell’Università and Osservatorio Geofisico dell’Università, 41100 Modena, Italy
Giovanni Andreotti
Affiliation:
Istituto di Fisica dell’Università and Osservatorio Geofisico dell’Università, 41100 Modena, Italy
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Ice Ih single crystals were investigated by complex admittance and thermally stimulated depolarization (TSD) techniques, in the relaxation-time ranges 10–5–10 s and 10–104 s respectively.

The relaxation spectrum was resolved and three components of it were studied. Second-order kinetics had to be assumed for two of the TSD spectra to obtain Arrhenius-type relaxation times. The “Debye spectrum” had an activation energy for the relaxation time of 0.64 eV at the high temperatures and its dielectric strength revealed a possible defect cross-over at T c = 190 K. Far below this temperature the activation energy was 0.38 eV, that is about half of that necessary for a pair of ion defects to form. In comparison with the results of other authors, a lower concentration of ionic defects, or possibly of Bjerrum–ion aggregates, was deduced to occur in our crystals.

Inert-gas host molecules were proposed as a possible origin of the two other spectra, having relaxation times shorter than the “Debye spectrum” and energies of 0.33 eV and 0.37 eV. Moreover the 0.33 eV spectrum, whose dielectric strength appears at a temperature below T c, might alternatively be related to the cross-over of the “Debye spectrum”.

Résumé

Résumé

Des monocristaux de glace ont été étudiés par des techniques diélectriques et par la méthode du courant de dépolarisation thermique (C.D.T.) correspondant respectivement à des temps de relaxation de 10–5–10 s et 10–104 s.

Le spectre de relaxation a été analysé et 3 de ses composantes ont été étudiées. Une cinétique du second ordre est envisagée par deux d’entre elles (spectre C.D.T.) conduisant ainsi à un temps de relaxation obéisssant à la loi d’Arrhenius. Le spectre Debye correspond à un temps de relaxation avec une énergie d’activation de 0,64 eV à haute température; l’intensité de relaxation présente une anomalie vers T c = 190 K Bien au-dessous de cette température, l’énergie d’activation est de 0,38 eV, c’est à dire la moitié de l’énergie nécessaire à la formation d’un couple de défauts ioniques. Comparées aux résultats d’autres auteurs, ces données conduisent dans le cas de nos échantillons à une concentration en défauts ioniques (ou aggrégats ion–défauts de Bjerrum) plus faible.

Une origine possible de deux autres composantes du spectre pourrait être associée à la présence de molécules de gaz mixte en insertion: les temps de relaxation sont alors plus courts que dans le cas de la relaxation de Debye et l’énergie d’activation est de 0,33 et 0,37 eV. En outre, la composante correspondant à l’énergie d’activation 0,33 eV et dont l’intensité de relaxation est notable en-dessous de T c pourrait être reliée à l’anomalie de la relaxation Debye observée vers T c.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Eis-Ih-Einkristalle wurden durch Admittanz- und thermisch stimulierte Depolarisations-(TSD-)Verfahren im Bereich der Relaxationszeiten 10–5–10 s bzw. 10–104 s untersucht.

Das Relaxationsspektrum wurde aufgelöst und drei Anteile davon wurden untersucht. Kinetik zweiter Ordnung musste für zwei der TSD-Spektren angenommen werden, um Relaxationszeiten vom Arrheniustyp zu erhalten. Das “Debye-Spektrum” hatte bei den hohen Temperaturen eine Aktivierungsenergie für die Relaxationszeit von 0,64 eV und sein dielektrischer Relaxationsbetrag zeigte eine mögliche Fehlerübernahme bei T c = 190 K. Weit unterhalb dieser Temperatur betrug die Aktivierungsenergie 0,38 eV; dies ist ungefähr die Hälfte dessen was für die Bildung eines Ionenfehlerpaares nötig ist. Aus dem Vergleich mit den Ergebnissen anderer Verfasser wurde eine niedrigere Konzentration der Ionenfehler, oder möglicherweise Bjerrum-Ionen-Aggregate, für unsere Kristalle abgeleitet.

Inerte Gasgastmoleküle werden als mögliche Ursache der beiden anderen Spektren vorgeschlagen; sie haben kürzere Relaxationszeiten als das “Debye-Spektrum” und Energien von 0,33 eV und 0,37 eV. Das 0,33 eV-Spektrum, dessen Relaxationsbetrag bei einer Temperatur unterhalb T c auftritt, könnte wahlweise zum Übergang des “Debye-Spektrums” in Beziehung gesetzt werden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1. Diagram (not to scale) of the apparatus used for the measurements of the complex admittance at frequencies higher than 0.1 Hz.

Figure 1

Fig. 2. Diagram (not to scale) of the apparatus used for the measurements at frequencies between 10−3 Hz and 2 Hz.

Figure 2

Fig. 3. Values of the relaxation times obtained from measurements of admittance (open symbols) and from TSD measurements (full symbols) as a function of the reciprocal temperature. The figures below the designations of the spectra indicate the energies in electron volts deduced from the best-fitting straight lines.

Figure 3

Fig. 4. Values of dielectric strength Δk obtained from measurements of admittance (open symbols) and from TSD measurements (full symbols) as a function of the reciprocal temperature. The same symbols as in Figure 3 have been used for each spectrum.

Figure 4

Fig. 5. TSD spectrum obtained by polarizing the sample between 190 K and 77 K, heating rate 0.11 K s−1, polarizing field Fa = 3 × 104 V m−1. (?) experimental points, (——) best fitting curves obtained as described in the text.