Corrélation entre l'adsorption de CO sur le TiO₂ dopé et non dopé et la dépendance en fréquence de la conductivité

École Royale Militaire. Institut Interuniversitaire des Sciences Nucléaires, Bruxelles., Belgique.

Résumé

On a effectué des mesures de l'impédance complexe du TiO₂ (pur et dopé au Sb et au Ga) en fonction de la fréquence sur des échantillons préparés au réacteur à flamme. On peut définir une énergie d'activation de la conductivité pour les basses fréquences mais uniquement lorsque la conductivité devient indépendante de la fréquence. Cette énergie d'activation, sous vide, est indépendante du dopage pour autant que les échantillons aient subi la même histoire. Elle est modifiée en présence de CO. Par contre, le terme préexponentiel est identique dans tous les cas.

L'étude de la corrélation entre termes réel et imaginaire de l'impédance complexe montre que la conductivité à basse fréquence dépend directement de la position du niveau de Fermi de surface. Une corrélation entre la conductivité et un phénomène affectant la surface, tel que l'adsorption, ne peut donc être établie que si la mesure est effectuée à une fréquence suffisamment basse (éventuellement une fraction de cycle par seconde).

Corollaire important : le dopage est pratiquement sans effet sur la densité de porteurs en surface; une indépendance du phénomène d'adsorption vis-à-vis du dopage ne peut donc être interprétée comme un échec de la théorie électronique de l'adsorption.

De même, on a montré que le signe de la variation de conductivité produite par l'adsorption dans le domaine de dispersion ne peut pas être corrélé avec le caractère — donneur ou accepteur — de l'adsorption.

Abstract

Measurements of the complex impedance of various TiO₂ samples (undoped as well as doped with Ga and Sb) prepared in a flame reactor, are carried out as a function of the frequency. It is shown that an activation energy of the electrical conductivity can be defined in the low frequency domain if, in this region, the conductivity becomes independent on the frequency. For samples having been submitted to exactly the same pretreatments, this activation energy, as measured under high vacuum, does not depend on the doping, but is modified by CO adsorption. On the other hand, the preexponential term has the same value in all cases.

The study of the correlation between real and imaginary terms of the complex impedance shows that the low frequency conducvitily is directly related to the position of the surface Fermi level. Therefore, a correlation between the adsorption and the electrical conductivity is possible only if the measurements are carried out at sufficiently low frequency (less than 1 Hz in certain cases).

It follows, as an important consequence, that the doping does not influence the surface density of the charge carriers. Therefore, the lack of correlation between doping and adsorptive or catalytic properties may not be used against the validity of the electronic theory of adsorption and catalysis.

Similarly, it is shown that, in the dispersion domain, the sign of the conductivity variation produced by the adsorption of a gase, cannot be used for the determination of the donor or acceptor form of adsorption.