Negative capacitance and instability at electrified interfaces: Lessons from the study of membrane capacitors

Abstract

Various models leading to predictions of negative capacitance, C, are briefly reviewed. Their relation to the nature of electric control is discussed. We reconfirm that the calculated double layer capacitance can be negative under σ-control – an artificial construct that requires uniform distribution of the electrode surface charge density, σ. However, only the total charge q (or the average surface charge density σ) can be experimentally fixed in isolated cell studies (q-control). For those σ where C becomes negative under σ-control, the transition to q-control (i.e. relaxing the lateral change density distribution, fixing its mean value to σ) leads to instability of the uniform distribution and a transition to a non-uniform phase. As an illustration, a “membrane capacitor” model is discussed. This exactly solvable model, allowing for both uniform and inhomogeneous relaxation of the electrical double layer, helps to demonstrate both the onset and some important features of the instability. Possibilities for further development are discussed briefly.

Представлено короткий огляд моделей, які передбачають негативну ємність C. Обговорюється роль цих моделей у явищі електричного контролю. Ми ще раз показуємо, що розрахункова ємність подвійного шару може бути негативною завдяки σ-контролю – штучній конструкції, яка вимагає однорідного розподілу густини поверхневого заряду електрода, σ. Разом з тим, тільки загальний заряд q (або усереднена густина поверхневого заряду σ) може бути експериментально зафіксованою при дослідженні ізольованої комірки (q-контроль), Для значень σ, де C стає від’ємною в умовах σ-контролю, перехід до q-контролю (тобто релаксація латеральної густини розподілу заряду шляхом фіксації її середнього значення до величини σ) веде до нестабільності однорідного розподілу і переходу до неоднорідної фази. В якості ілюстрації розглядається модель “мембранного конденсатора”. Ця точно розв’язувана модель допускає як однорідну, так і неоднорідну релаксацію і таким чином допомагає продемонструвати зародження і деякі важливі риси нестабільності. Коротко обговорюються можливості подальших досліджень.