阻抗谱教程
1. 引言
阻抗谱（IS）在选定的直流工作点附近对器件施加一个小的正弦电压扰动，并测量复数电流响应。复阻抗为 \(\displaystyle Z(\omega)=\frac{\tilde V(\omega)}{\tilde I(\omega)}\)，由此我们分析 \(\mathrm{Re}[Z]\)、\(\mathrm{Im}[Z]\)、幅值 \(|Z|\) 与相位 \(\phi\)。 在 OghmaNano 中，IS 通过 频率（FX）域 工具执行，并生成 Bode（随频率）与 Nyquist（−Im 对 Re）图。本教程展示如何设置频率网格， 在标准 OPV/钙钛矿堆叠上运行 IS，并解读主要特征。本教程中展示的相同方法可应用于任何带电接触的器件，包括 OFET、钙钛矿器件、传感器和激光器。
2. 开始使用
在文件功能区的 新建仿真 选项卡中，打开 新建仿真 窗口 （见 ??）。 选择 有机太阳能电池，然后选择一个现成的 PM6:Y6_E6_0hrs 演示器件作为起点 （见 ??）。该器件并无特殊之处，只是它预配置了阻抗谱仿真模式。 我们将使用 FX 域 工具在一个名义工作点附近运行 IS。
3. 检查 IS 仿真
在主窗口中进入 编辑器 功能区并点击 FX 域编辑器，你会看到 频域编辑器弹出。点击 IS 选项卡（阻抗谱）。
随后查看 频率网格，即可看到将要仿真的频率点
（??）。
在此示例中，列出了单独的频率点，因为该仿真最初用于匹配
一个实验数据集。然而，没有任何理由不能用起始频率、
终止频率与最大点数来定义连续范围。如果你希望点间距增大，可以将 Multiply 的值从
1.0 调整为例如 1.05 或 0.01。
下一幅图（??）展示了
配置 选项卡，用于控制仿真如何运行。
在这里定义了一次阻抗谱仿真。
外加偏置（Vexternal）设置为 0 V，因此器件在短路条件下仿真。
激励以电压形式施加，而测量的响应是电流。
该设置代表典型的阻抗谱仿真，电压调制深度为 0.02 V。
这些是控制 IS 实验的关键参数。
4. 运行仿真与输出
与往常一样，先返回 主仿真窗口 并点击 文件 功能区。 然后点击 运行仿真 （??）。 或者，你也可以在主窗口中直接按 F9。
仿真完成后——这可能需要一些时间，因为必须在所有波长上计算响应—— 转到 输出 选项卡。 在这里你会找到仿真生成的各种输出文件 （??）。
fx_abs.csv、fx_C.csv、
fx_imag.csv、fx_phi.csv、fx_R.csv），以及用于进一步分析的配置与拟合误差数据。
5. 读取 Bode 与 Nyquist 图
fx_real.csv）。
fx_imag.csv）。
fx_phi.csv）。
仿真完成后，你可以通过在 输出 选项卡中 双击 IS 输出文件来查看结果。开始之前请注意：在查看图形时按 L 可切换对数 y 轴， 按 Shift+L 可切换对数 x 轴。这些工具有助于 更清晰地突出特征，因此建议你在打开每个图后立即尝试使用它们。 每个输出文件对应阻抗谱的不同部分：
-
fx_real.csv– Bode（实部）图 （??）： 显示阻抗的实部。低频时这对应器件的直流电阻， 而高频时会趋于平坦并对应串联/接触电阻。在你的结果中，可以看到 \(10^3\)–\(10^4\) Hz 之间出现下降，器件在该频段不再跟随 AC 变化。 -
fx_imag.csv– Bode（虚部）图 （??）： 显示阻抗的虚部。在 \(10^3\)–\(10^4\) Hz 附近出现一个下凹（负峰），标记了器件中的一个弛豫过程—— 换言之，即储存电荷无法再跟上外加信号的频率。 -
fx_phi.csv– Bode（相位）图 （??）： 显示外加电压与测得电流之间的相位差。低频时相位接近 0°（类电阻行为）， 然后在与虚部下凹相同的频率附近下降到约 −80°， 表明电容性行为，最后在高频处又回到接近 0°（再次呈电阻性）。 -
real_imag.csv– Nyquist 图 （??）： 将实部与虚部组合为一条曲线。你可以看到一个较大的半圆，这是 RC 过程的典型特征。其直径给出电阻，而顶部点对应 Bode 图中突出显示的同一频率区域。 该交叉验证表明该器件的主要特征是单一、显著的 RC 元件。
综合来看，这些图表明你的器件由 \(10^3\)–\(10^4\) Hz 范围内的单一 RC 过程主导。 在非常低的频率下，阻抗由器件的整体电阻决定； 在非常高的频率下，阻抗受接触/串联电阻限制。强烈的半圆以及 Bode 图中相互对应的特征表明， 某一特定的电阻–电容通道（很可能与有源层或界面中的电荷存储与输运有关）控制了频率响应。 在实际中，这意味着器件行为类似一个相对简单的 RC 电路：在频谱两端呈电阻性， 中间存在清晰的电容弛豫过程。理解该过程在频率轴上的位置 有助于将其与底层物理联系起来——例如瓶颈是电荷输运、界面电容，还是接触电阻。
下面给出所有文件的汇总。
| 文件名 | 描述 |
|---|---|
fx_abs.csv |
频率与电流绝对值的关系图。 |
fx_C.csv |
频率与电容的关系图。 |
fx_imag.csv |
频率与电流虚部的关系图。 |
fx_phi.csv |
频率与相位角的关系图。 |
fx_R.csv |
频率与电阻的关系图。 |
fx_real.csv |
频率与电流实部的关系图。 |
real_imag.csv |
Nyquist 图：实部与虚部随频率变化的关系。 |
6. 总结与下一步
在本教程中，你学习了如何在 OghmaNano 中配置并运行阻抗谱（IS）， 检查 Bode 与 Nyquist 图，并将其特征与器件物理联系起来。 相同方法也可用于钙钛矿器件、OFET、LED 与传感器。 如需更深入分析，可尝试导出 CSV 输出以拟合等效电路或与实验数据对比。
📝 检查你的理解（阻抗谱）
- 在 Nyquist 图中，半圆的大小与位置分别告诉你器件中的电阻与电容信息是什么？
- 如何将 Bode（虚部）图中的峰值与 Nyquist 半圆的顶部关联起来？
- Bode（相位）图揭示了器件更偏电阻性还是电容性，其信息是什么？
- 如果你在电学功能区中增大或减小并联电阻，IS 响应会发生什么变化？
- 照明变化（暗态 → 1 sun）如何改变阻抗谱，这些变化指示了哪些物理过程？
💡 任务：探索 IMPS 对不同物理与寄生变化的响应：
- 串联与并联电阻： 在主窗口的 电学 功能区中打开 寄生元件 编辑器。 将 并联电阻 提高到 \(10^{16}\ \Omega\)，然后降低到 100 Ω 或 10 Ω 等数值，并重新运行 IMPS 仿真。
- 载流子迁移率： 在器件结构的 电学参数 编辑器中，调整 电子 与 空穴 迁移率。 尝试将它们提高两个数量级，并观察 IMPS 的 Bode 与 Nyquist 图如何移动。
- 照明水平： 在主窗口的 光学 选项卡中，将光强从 1 sun 改为 暗态。 对比有光照与暗态条件下的 IMPS 谱。
✅ 预期结果
- 串联/并联电阻： 增大并联电阻会降低漏电流，从而在 IMPS Nyquist 图中得到更干净的弧线。 将并联电阻降低到约 100 Ω 或更低会增加漏电，使响应变平，并在所有频率上降低实部光电流信号。
- 载流子迁移率： 更高迁移率改善电荷输运与抽取，使 IMPS 的特征频率（虚部下凹/ Nyquist 弧峰）向更高频移动。 更低迁移率会使弧线变宽变大，并将特征移向更低频，突出输运限制。
- 照明： 在暗态下，IMPS 信号很弱，主要由背景漏电与噪声主导。 在 1 sun 下，光生增强光电流响应，复合引入清晰特征，常使主弧更尖锐并移动相位转变位置。
👉 下一步：继续阅读 C 部分：强度调制光电压谱（IMVS） 以探索器件如何存储与释放电荷，以及如何从 调制光下的电压响应中提取复合动力学。