WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

КАРУЛИНА Елена Анатольевна ИНФРАЗВУКОВАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НЕПОЛЯРНЫХ И ПОЛЯРНЫХ ФТОРСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре общей и экспериментальной физики Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена (Санкт-Петербург)

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор С.Д.Ханин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор АЛ.Барабан доктор технических наук, профессор ВТ.Бойцов

Ведущая организация: Физико-технический институт имени А.Ф.Иоффе РАН

Защита состоится 02 03 2000г. в 16 час. на заседании диссертационного совета К 113.05.03 при Российском государственном педагогическом университете им. А Н Герцена по адресу: Санкт-Петербург, наб.р. Мойки, д.48, к. Ш, ауд. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского педагогического университета им. А.И.Герцена.

Автореферат разослан 24

Ученый секретарь диссертационного совета канд. физ.-мат. наук Н.И.Анисимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.

Актуальность. Полимерные пленки широко применяются в электронной технике, благодаря своим электрофизическим, и в первую очередь диэлектрическим свойствам.

Функциональные свойства приборных систем на основе полимерных пленок в большой степени определяются процессами переноса и локализации носителей заряда в них.

Несмотря на обширный круг имеющихся в литературе работ, посвященных изучению кинетических процессов в полимерных диэлектрических пленках, сложившихся представлений о механизмах переноса носителей заряда, структуре энергетического спектра и механизмах локализации электронов в этих материалах до сих пор нет. Это обусловлено сложностью строения полимеров: наличием локальных неоднородностей, гетерогенностью реальных систем, представляющих собой аморфно-кристаллические материалы, наличием плохо определяемых границ раздела аморфной и кристаллической фазы. Кроме того, особенностью полимерных диэлектрических плёнок, осложняющей изучение их кинетических свойств, является существование долговременных релаксационных процессов. Долговременные релаксации могут быть обусловлены как релаксацией атомной подсистемы (структурная релаксация), так и процессами в электронной подсистеме. В результате экспериментальные данные часто оказываются плохо воспроизводимыми, а их интерпретация неоднозначной.

Даже если ограничиться электроникой полимерных пленок, следует отметить, что используемые в настоящее время методы исследования сталкиваются с рядом трудностей при интерпретации экспериментальных данных. В этой связи важное значение имеет разработка новых методов анализа кинетических свойств полимеров в связи с особенностями их строения, которые позволили бы прояснить картину и детали механизмов переноса и локализации заряда. Определенные возможности в этом отно шении открывает метод диэлектрической спектроскопии в области инфра-звуковых частот.

Низкочастотная диэлектрическая спектроскопия, как метод анализа явлений переноса заряда, позволяет различать зонный и прыжковый механизмы электропроводности, а также определять различные режимы последнего. Кроме того, данный метод может быть использован для определения малой подвижности носителей заряда в неупорядоченных диэлектрических материалах и определения механизма локализации носителей (выявления сильной электрон-фононной связи).

В идейном плане исследование процессов переноса заряда в полимерных диэлектрических пленках соответствует направлению поиска в электронике неупорядоченных систем. Это дает основание полагать, что анализ кинетических явлений в полимерах информативен в контексте развития представлений об электронных процессах в неупорядоченных системах.

Цель работы. Изучение кинетических явлений и лежащих в их основе процессов локализации и переноса носителей заряда в неполярных и полярных фторсодержащих полимерных пленках методом инфразвуковой диэлектрической спектроскопии.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Определение и реализация необходимого комплекса экспериментальных методик низкочастотной диэлектрической спектроскопии для изучения кинетических явлений в полимерных диэлектрических пленках.

2. Изучение закономерностей процессов электронного переноса в полимерных диэлектрических пленках.

3 Установление корреляции кинетических свойств полимерных пленок с особенностями их строения.

4. Разработка моделей процессов переноса и локализации носителей заряда в неполярных и полярных полимерных материалах.

5. Определение возможности практического использования результатов исследования.

Научная новизна. В отличии от большинства работ, посвященных изучению кинетических явлений в полимерных пленках, в данной работе предпринято сравнительное исследование механизмов переноса и локализации носителей заряда в неполярных и полярных фторсодержащих полимерных пленках методом инфразвуковой диэлектрической спектроскопии. Реализована возможность прямого определения диэлектрических потерь с использованием высокочувствительного калориметра.

Установлены закономерности переноса заряда в диэлектрических пленках политетрафторэтилена, полиэтилентерефталата и полившшли-денфторида: зависимость проводимости на переменном токе и диэлектрических потерь от частоты, температуры, напряженности постоянного электрического поля. Показано, что перенос заряда в полимерных пленках может быть описан с позиций теории прыжковой электропроводности в неупорядоченных системах. Установлено наличие мультиплетной прыжковой электропроводности в изученных материалах. Для неполярных полимеров отмечен переход от прыжкового механизма переноса заряда к зонному (внутрицепному) с повышением частоты.

На основе сравнительного анализа свойств неполярных и полярных полимерных пленок выявлены их особенности в части механизмов локализации носителей заряда и концентрации центров локализации. Показано, что для пленок полярных полимеров характерна сильная электрон-фононная связь и соответственно, поляронный механизм переноса заряда, а также более высокая, чем у неполярных полимеров, концентрация центров локализации носителей заряда. Отмеченные факты связаны с полярностью макромолекул и особенностями строения этих материалов.

На основе сопоставления результатов инфразвуковой диэлектрической спектроскопии и термоактивационной токовой спектроскопии пленок поливинилиденфторида получены дополнительные аргументы в пользу вывода о прыжковом механизме переноса заряда и согласующиеся оценки энергии активации элементарных процессов.

Развитые представления о механизме переноса заряда в полимерных пленках привлечены к анализу долговременной релаксации электрет-ной разности потенциалов в них, что открывает возможности объяснить большую длительность этого процесса и его детальный ход в различных временных интервалах.

Практическая значимость. Развитые в работе представления о процессах локализации и переноса носителей заряда в полимерных диэлектрических пленках открывают возможности прогнозирования свойств конденсаторных систем и электретных устройств на их основе.

Выявленные в работе структурно-чувствительные кинетические свойства полимерных пленок могут рассматриваться как основа методик их диагностики, позволяющих обнаружить значимые для формирования функциональных свойств приборных систем особенности строения.

Метод инфразвуковой диэлектрической спектроскопии положен в основу ряда учебно исследовательских заданий практикума при подготовке магистров физики, специализирующихся в области физики конденсированного состояния, а также курсовых и дипломных работ студентов факультета физики РГПУ имени А.И.Герцена.

Основные защищаемые положения.

1. Механизмы переноса и локализации носителей заряда в полимерных диэлектрических материалах целесообразно изучать, наряду с другими методами, посредством инфразвуковой диэлектрической спектроскопии с использованием методик определения частотных зависимостей проводимости на переменном токе и диэлектрических потерь без приложения и с приложением постоянного смещающего напряжения, создающего в диэлектрике сильное электрическое поле.

2. В диэлектрических пленках политетрафторэтилена, полиэтилен-терефталата и поливинилиденфторида реализуется механизм прыжковой электропроводности, причем в изученном диапазоне частот имеет место мультиплетная прыжковая электропроводность. У неполярных пленок политетрафторэтилена наряду с прыжковым, на достаточно высоких частотах, проявляется зонный (внутрицепной) механизм переноса.

3. Для диэлектрических пленок полиэтилентерефталата и поливинилиденфторида характерны повышенная концентрация центров локализации носителей заряда, по сравнению с пленками политетрафторэтилена, и сильная электрон-фононная связь, что связано с наличием дипольных ловушек в полярных полимерах.

4. На основе моделей явлений прыжкового переноса заряда могут быть объяснены и спрогнозированы функциональные свойства приборных систем на основе полимерных диэлектриков, в том числе, конденсаторов и электретных устройств.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается информативностью и адекватным использованием экспериментальных методик диэлектрической спектроскопии применительно к изучению кинетических свойств полимерных диэлектрических пленок, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов, а также интерпретацией данных, полученных независимыми методами, с единых позиций, использованием современных представлений электроники неупорядоченных систем.

Апробация результатов исследования.

Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт-Петербург, 1997), Международном Арктическом семинаре по физике и математике (Мурманск, 1998), Ш-ей Международной конференции "Электромеханика и электротехнологии" (Клязьма, 1998), Всемирном электротехническом конгрессе "На рубеже веков: итоги и перспективы" (Москва., 1999), 10 Международном симпозиуме по элек-третам (Афины, 1999) и неоднократно обсуждались на научных семинарах кафедры общей и экспериментальной физики РГПУ им. А.И.Герцена.

Публикации. Основное содержание работы

отражено в 6 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 162 страницы текста, 37 рисунков, таблиц, 203 библиографические ссылки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы его цели и задачи, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость основных полученных результатов, сформулированы защищаемые положения работы.

Первая глава носит обзорный характер и посвящена анализу современных представлений о механизмах переноса заряда в неполярных и полярных полимерных диэлектрических пленках.

Отмечается, что несмотря на большое количество работ, посвященных экспериментальным исследованиям механизмов локализации и переноса носителей заряда в полимерных пленках, установившихся представлений о происходящих в них электронных процессах до сих пор нет.

Ряд авторов предполагает в полимерных материалах наличие ионной электропроводности, однако, в работах последних лет, где осуществлялся более строгий контроль за условиями формирования материала и анализ его структуры, доминирует точка зрения об электронной природе носителей заряда в полимерных диэлектрических пленках.

Протекающие в изучаемых полимерных диэлектрических пленках электронные процессы описываются разными авторами в рамках разных моделей электронного переноса, включая зонный перенос с учетом эффектов сильного поля типа эффекта Френкеля-Пула, и прыжкового переноса в неупорядоченных системах.

Подчеркивается, что установление механизмов переноса в полимерных плёнках требует проведения разносторонних исследований кинетических свойств в связи с их строением с использованием адекватных изучаемому объекту методов.

В этой связи особое внимание в обзоре уделяется информативности современных методов изучения механизмов переноса носителей заряда, энергетического спектра электронных состояний в высокоомных полимерных материалах. Анализируются методы термоактивационной спектроскопии, фотоэлектрические методы, а также времяпролетная методика определения подвижности носителей заряда. Показано, что методический арсенал экспериментальных исследований кинетических свойств полимеров нуждается в пополнении.

В последней части главы раскрываются возможности метода диэлектрической спектроскопии в области инфразвуковых частот для изучения кинетических процессов в полимерных диэлектрических пленках.

Необходимость использования инфразвуковых частот предопределяет медленный характер электронных процессов в полимерных материалах. В изучаемом диапазоне частот процессы структурной релаксации оказываются безинерционными и определяющую роль в частотной зависимости проводимости (диэлектрических потерь) играют электронные процессы.

Отмечается, что низкочастотная диэлектрическая спектроскопия, основываясь на анализе явлений нестационарного электропереноса, открывает широкий круг возможностей для изучения кинетических процессов в полимерных диэлектрических материалах. Во-первых, она позволяет различать зонный и прыжковый механизмы электропроводности на основании анализа частотной зависимости проводимости, а также различные режимы прыжкового переноса. Во-вторых, данный метод может быть использован для определения малой подвижности носителей заряда в неупорядоченных диэлектрических материалах на основании анализа изменения частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь исследуемого полимерного материала после неоднородного (по объему диэлектрика) возбуждения неравновесных носителей заряда.

Наконец, представляется возможным выявить сильную электрон-фононную связь на основании анализа частотных зависимостей проводимости на переменном токе при приложении к образцу постоянного напряжения смещения в неомической области.

Во второй главе рассматриваются основные характеристики исследуемых полимерных материалов в связи с условиями их формирования и описываются используемые экспериментальные методики.

В качестве исследуемых материалов, в настоящей работе, были выбраны пленки характерных неполярных и полярных полимеров: политет- рафторэтилена (неполярный полимер), полиэтилентерефталата и поливи нилиденфторида (полярные полимеры), толщиной 20, 15 и 10 мкм соответственно, изготовленные в НПО "Пластполимер".

Измерение проводимости полимерных пленок осуществлялось в работе на опытных образцах, представляющих собой конденсаторную структуру металл-диэлектрик металл. В качестве электродов конденсаторной структуры с полимерным диэлектриком использовались слои алюминия площадью приблизительно 8 10 м, полученные методом термического испарения в вакууме на стандартной установке вакуумного напыления УВН2М-2. Применялись образцы с двухсторонней и односторонней ме таллизацией. В случае односторонней металлизации в качестве второго электрода конденсаторной системы использовался прижимной электрод из алюминия.

Экспериментальный анализ исследования частотных зависимостей проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь полимерных материалов осуществлялся мостовым и калориметрическим методами.

Измерения частотных характеристик, мостовым методом проводились путем определения активной и реактивной составляющих проводимости анализируемой конденсаторной структуры посредством их компенсации эталонными элементами.

В работе наряду с измерениями на переменном сигнале изучалось поведение проводимости пленок, когда совместно со слабым переменным синусоидальным сигналом (порядка 100мВ ) на конденсаторную структуру с полимерным диэлектриком подавалось постоянное смещающее напряжение, создающее в образце сильное электрическое поле порядка 105- 106В/см.

Для проведения температурных измерений при заданной температуре был предусмотрен блок термостатирования. Температура изменялась в диапазоне от 293К до 373К.

Для определения тангенса угла диэлектрических потерь в инфра-звуковом диапазоне частот, кроме того, использовался прямой метод измерения рассеиваемой мощности посредством калориметрии.

При измерении образец помещался в измерительную ячейку микрокалориметра. В результате прохождения переменного тока через образец часть энергии электрического поля выделяется в виде теплоты, которая преобразуется градиентным датчиком температуры - тепломером с высокой чувствительностью в напряжение. Тепломер сформирован из монокристаллических полосок висмута прямоугольного сечения, вырезанных из выращенных в лаборатории кафедры общей физики РГПУ имени А.И.Герцена монокристаллических слитков. Висмутовые полоски вырезают таким образом, чтобы тригональная ось монокристалла была наклонена к горизонтальной плоскости под углом О= 35 - 45°. Такая ориентация необходима для обеспечения максимального электрического отклика. Принцип действия такого анизотропного термоэлектрического преобразователя из висмута основан на поперечном эффекте Зеебека.

Показано, что анизотропный термоэлектрический преобразователь из висмута является прямым преобразователем теплового потока в электрический сигнал и пригоден для определения диэлектрических потерь в полимерных пленках.

Поскольку цель экспериментального исследования состояла в определении электронных процессов в изучаемых материалах, принципиально важным было то, чтобы измеряемые параметры определялись объемными свойствами полимера, а не структурными макронеоднородностями, обладающими повышенной проводимостью, или условиями переноса заряда на контактах металл-диэлектрик. Важным указанием в пользу этого явилось соответствие значений объемного удельного сопротивления опытных образцов литературным данным по электроизоляционным свойствам изучае мых полимеров.

В третью главу вынесены результаты исследования электрической проводимости полимерных пленок (политетрафторэтилена, полиэтиленте-рефталата и поливинилиденфторида) на переменном токе в области инфра-звуковых частот.

Установлено, что проводимость изучаемых пленок на переменном токе имеет степенную частотную зависимость y~ws с показателем степени s, близким к единице при комнатной температуре. С увеличением температуры электрическая проводимость на переменном токе заметно возрастает, а показатель степенной частотной зависимости s уменьшается. При этом нижняя граница частотного интервала постоянства s смещается в область более высоких частот. На самых низких частотах имеет место вы полаживание частотной зависимости проводимости, когда проводимость приближается к проводимости на постоянном токе.

Отмечено, что частотная зависимость проводимости пленок политетрафторэтилена при комнатной температуре имеет две области выпола-живания: на частотах ниже 0,01 Гц и выше 1Гц, а для пленок полиэтилен-терефталата и поливинилиденфторида выхода на второе плато не наблюдалось. Во всем изучаемом диапазоне частот для полярных полимеров имеет место монотонное увеличение проводимости с ростом частоты пе ременного тока по степенному закону.

Полученные результаты объяснены в рамках теории нестационарной прыжковой электропроводности в неупорядоченных системах. Характер частотной зависимости проводимости указывает на изменение режима прыжкового электропереноса с уменьшением частоты переменного тока. С понижением частоты размер кластера локализованных состояний, участвующих в прыжковом переносе, увеличивается:

происходит переход к режиму многократных перескоков (мультиплетной прыжковой электропроводности). На предельно низких частотах, соответствующих приближению к статической проводимости, проводящий кластер замыкает электроды. Границы перехода по частоте от одного режима прыжковой электропроводности к другому определяются плотностью локализованных состояний, по которым осуществляется перенос, степенью их заполнения и могут рассматриваться как характеристические для материала.

Для политетрафторэтилена частотная область мультиплетной прыжковой электропроводности при комнатной температуре ограничивается частотой 0,3Гц. При более высоких частотах зависимость 9>(lg(

Частотная зависимости ф((о) для полярных полимеров полиэтилен-терефталата и поливинилиденфторида, в отличии от политетрафторэтилена, во всем изучаемом диапазоне частот линейна, что соответствует режиму мультиплетной прыжковой электропроводности.

Обнаруженное различие в частотных границах режима мультиплетной прыжковой электропроводности неполярных и полярных диэлектриков связано с различной концентрацией локализованных состояний, что определяется в свою очередь различием в концентрации структурных дефектов, ответственных за их происхождение. В полярных полимерах концы макромолекул являются диполъными ловушками. Кроме того нельзя не учитывать наличие в структуре поливинилиденфторида кристаллических включений в форме сферолитов, что также может являться причиной образования центров локализации носителей заряда Сопоставление результатов инфразвуковой диэлектрической спектроскопии с результатами термоактивационной токовой спектроскопии, позволившими определить частотный фактор и энергию активации для экспериментально обнаруженных релаксационных процессов [2], дало дополнительные аргументы в пользу вывода о прыжковом механизме переноса в пленках поливинилиденфторида.

Исходя из известных параметров электрически активных дефектов релаксационного процесса, связанного с квазидипольной поляризацией в поливинилиденфториде, были получены согласующие оценки энергии активации элементарных процессов.

Наряду с частотной зависимостью проводимости на чисто переменном сигнале получены частотные зависимости проводимости пленок политетрафторэтилена и поливинилиденфторида в условиях, когда одновременно с переменным сигналом на конденсаторную систему подается постоянное смещающее напряжение.

Установлено, что при приложении к образцам поливинилиденфторида постоянного напряжения смещения частотные зависимости проводимости сохраняют свой степенной характер: y(E,co)~cos. В определенном интервале напряжений проводимость падает с ростом поля y(E,a>)), причем величина показателя s зависимости у(К,со) поливинилиденфторида, отлична от показателя зависимости у(0,со). При приложении постоянного смещения Е показатель степени s больше единицы.

Существует граничная частота о>о, начиная с которой, зависимость у(Е,а>) и у(0,а>) совпадают. С ростом температуры наблюдается сдвиг граничной частоты ю0 в область более высоких частот.

Для исследуемых пленок политетрафторэтилена усиления частотной зависимости проводимости при приложении постоянного смещающего напряжения не наблюдалось, во всем диапазоне изменения постоянного напряжения смещения y(E,w)>y(Q,w).

Величина показателя s при этом не превышала единицы во всем диапазоне частот.

Представленные экспериментальные данные интерпретируются в рамках модели электронного переноса в неупорядоченных твердых телах. Падение проводимости в сильных электрических полях можно связать со следующими обстоятельствами:

перестройкой пути протекания тока в неупорядоченной структуре от изотропного протекания, когда выбор путей не коррелирует с направлением внешнего поля, так что на некоторых участках имеются возвраты, к направленному протеканию посредством замыкания мертвых концов проводящего кластера, или захватом носителей заряда на мертвые концы кластера состояний, по которому осуществляется прыжковый перенос.

Как показал эксперимент, в случае нестационарной проводимости эффект падения проводимости с ростом поля усиливается с увеличением длительности воздействия постоянного напряжения. Это указывает на справедливость используемых модельных представлений о переносе заряда в сильных электрических полях: с течением времени возрастают размеры кластера локализованных состояний, по которым осуществляется прыжковый перенос.

В соответствии с аналитическим выражением, полученным в модели прыжкового переноса электронов в пределах кластеров больших размеров с учетом перераспределения в них электронной плотности, температурная зависимость граничной частоты может быть различной в зависимости от характера изменения критической вероятности Wc (вероятности наиболее трудного прыжка, замыкающего межэлектродное пространство) с температурой, т.е. характера локализации носителей заряда [3,4].

Наблюдаемый на эксперименте при росте Т сдвиг граничной частоты wо в область более высоких частот для пленок поливинилиденфторида указывает на локализацию носителей заряда, обусловленную эффектами, аналогичными сильной электрон-фононной связи в кристаллах и некристаллических твердых телах неорганического состава [5].

Отмеченное выше второе плато в частотной зависимости проводимости политетрафторэтилена связано с переходом к внутрицепному механизму переноса заряда, аналогичному зонному переносу.

На основании полученных представлений о механизмах переноса заряда в полимерах отмечается возможность объяснения ряда принципиально важных явлений в приборных системах на основе полимерных диэлектриков. Так, в части конденсаторных структур с полимерным диэлектриком представления о прыжковом механизме переноса позволяют объяснить причины длительной релаксации тока при приложении постоянного напряжения, происхождение абсорбции, соотношение между сопротивлением изоляции на постоянном токе и активной составляющей проводимости диэлектрика на не слишком высоких частотах, когда параметры конденсаторной системы определяются главным образом свойствами рабочего диэлектрика. Основываясь на развитых представлениях, можно прогнозировать поведение электроизоляционных свойств полимерных конденса торных диэлектриков в реальных условиях их нагружения, включая область сильных электрических полей.

Выявленные в работе тонкие особенности в поведении частотной зависимости проводимости и, в первую очередь, наличие или отсутствие перехода от мультиплетной прыжковой электропроводности на переменном токе к режиму прыжкового переноса в пределах кластеров промежу- точных размеров в изученном диапазоне частот, позволяет произвести сравнительную оценку концентрации локализованных состояний, по которым может осуществляться перенос и, соответственно, концентрации ответственных за них структурных дефектов в реальном конденсаторном диэлектрике.

Учитывая, что указанные особенности строения полимерного конденсаторного диэлектрика могут оказывать определяющее влияние на ряд важных функциональных свойств приборных систем (сопротивление изоляции, температурную и частотную стабильность электропараметров, допустимое рабочее напряжение и др.) предлагаемые методики могут оказаться полезными в технологии контроля качества конденсаторных систем с полимерным диэлектриком на всех этапах их жизненного цикла: в процессе разработки, производства, эксплуатации.

Результаты изучения механизмов переноса зарядов в полимерных диэлектрических пленках представляют большой практический интерес для установления факторов, определяющих стабильность электретного состояния в полимерах.

Попытки детально разобраться в причинах высокой стабильности электретного состояния полимерных пленок, как известно, наталкиваются на ряд трудностей.

Долговременная релаксация электретного состояния полимерных диэлектрических пленок в широком временном интервале может быть обусловлена экранировкой поля инжектированного в процессе электризации и захваченного на поверхностные ловушки заряда собственными носителями заряда в объеме диэлектрика. Обращает на себя внимание несоответствие максвелловского времени релаксации, рассчитываемого на основе полученной при измерениях в конденсаторной структуре проводимости диэлектрика, и реального времени жизни полимерного электре-та. Первая величина оказывается на порядки меньше второй. Учитывая прыжковый механизм переноса носителей заряда, удается разрешить это противоречие.

В этой связи рассмотрен процесс долговременной релаксации электронной подсистемы материала с прыжковой электропроводностью в электрическом поле поверхностного заряда, в процессе которой происходит понижение квазиуровня Ферми и, как следствие, экспоненциально сильное падение проводимости со временем. На самых больших временах положение уровня Ферми может стабилизироваться, и зависимость U3(t) определяется главным образом освобождением захваченных на поверхностные ловушки носителей и их дрейфом. Представленные теоретические выражения, описывающие релаксацию электретного состояния, могут быть использованы для анализа и прогнозирования свойств полимерных электре-тов в широком временном диапазоне.

Основные выводы:

1. Показана информативность метода инфразвуковой диэлектрической спектроскопии применительно к изучению кинетических явлений в полимерных диэлектрических пленках в связи с особенностями их состава и строения и технически реализованы его возможности, включая использование калориметрической методики прямого определения диэлектрических потерь.

2. Экспериментально установлены общие для неполярных и полярных полимеров закономерности кинетических явлений в полимерных фторсодержащих диэлектрических пленках в области инфразвуковых частот, в том числе степенная частотная зависимость проводимости на переменном токе, усиление температурной зависимости проводимости на переменном токе с понижением частоты, усиление зависимости проводимости от напряженности электрического поля при понижении частоты и частотной зависимости проводимости при приложении постоянного напряжения смещения.

3. Обнаружены особенности в поведении свойств неполярных и полярных полимерных диэлектриков: ослабление частотной зависимости проводимости с повышением частоты в инфразвуковой области у неполяр-ньгх диэлектриков и немонотонная (с минимумом) зависимость проводимости на переменном токе от приложенного постоянного напряжения смещения у полярных диэлектриков.

4. Показано, что общие для изученных полимерных пленок закономерности могут быть описаны с единых позиций теории прыжковой электропроводности в неупорядоченных системах. На основе реализованной в работе методики определения режимов динамической прыжковой электропроводности выявлено наличие в изучаемых материалах мультиплет-ной прыжковой электропроводности, которая у неполярных полимеров при достижении определенной частоты в области степенной частотной за висимости проводимости сменяется режимом прыжкового переноса по кластерам небольших размеров. Большая ширина частотного диапазона мультиплетной прыжковой электропроводности в полярных полимерах связана с более высокой концентрацией центров локализации носителей заряда, обусловленных структурными дефектами (дипольными ловушками на концах полярных молекул и кристаллитов).

5. Выявленные особенности в поведении свойств полярных полимеров, в том числе отсутствие указаний со стороны частотной зависимости проводимости на внутрицепной (подобный зонному) механизм переноса и сдвиг верхней граничной частоты интервала, в котором наблюдается немонотонная полевая зависимость проводимости, в область более высоких частот с повышением температуры, указывают на сильную электрон-фононную связь в этих материалах.

6. Указаны возможности практического использования развитых в работе представлений о механизмах переноса в полимерных диэлектрических пленках для анализа и прогнозирования функциональных свойств приборных систем на их основе, в частности, токовых характеристик конденсаторов с органическим диэлектриком и стабильности электретной разности потенциалов в полимерах.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Калориметрический метод измерения диэлектрических потерь //Материалы Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков «Диэлектрики - 97».- СПб., 1997, -С. 205-207 (Соавторы: С.Д.Ханин, Н.П.Дивин).

2. Low-Frequency Dispersion in Dielectric Films Applied in Capacitor Structures//International Arctic Seminar. Physics and Mathematics. -Murmansk., 1998,- C.57 58 (Соавторы: С.Д.Ханин).

3. Процессы переноса заряда в электроизоляционных пленках политетрафторэтилена //Материалы Ш-ей Международной конференции « Электромеханика и электротехнология».-Клязьма., 1998, -С.179-180 (Соавторы: С.Д.Ханин).

4. О возможности диагностики конденсаторных диэлектриков методом инфразвуковой спектроскопии // Материалы Всемирного электротехнического конгресса « На рубеже веков: итоги и перспективы» Москва., 1999, -С.211-212 (Соавторы: С.Д.Ханин).

5. Диэлектрическая спектроскопия пленок политетрафторэтилена в инфра-звуковом диапазоне//Журнал прикладной химии. - 1999.-Т.72, №8. С.1402-1404 (Соавторы:

С.Д.Ханин)..

6. Low-Frequency Dielectric Spectroscopy of Polymer Dielectric Films //Proc. 10th International Symposium on Electrets, Greece, Athens. -1999.- P.517-521 (Соавторы:

С.Д.Ханин).

Весь экспериментальный материал получен автором лично. Научный руководитель, профессор Ханин С.Д. принимал участие в постановке задачи и обсуждении полученных результатов, редактировании статей. В работе [1] НЛ.Дивин участвовал в разработке экспериментальной методики.

Цитируемая литература.

1. Брыксин В.В., Дьяконов М.Н., Муждаба В.М., Ханин С.Д. Анализ характера прыжковой проводимости по частотной зависимости тангенса угла потерь /УФТТ. 1981.- Т.23, №5.- С.1516-1519.

2. Темнев Д.Э. Механизмы релаксационных процессов в поливинилиден-фториде:

Автореф. дисс...канд. физ.-мат. наук/ РГПУ им. А.И.Герцена.-СПб.,1999.

3. Брыксин В.В., Карпухина Л.Г., Ханин С.Д. Частотная зависимость проводимости аморфных окислов тантала при наличии постоянного смещающего напряжения // ФТТ. - 1990.-Т.32, №12.-С.3564-3570..

4. Левин Е.И., Нгуэн В.Л., Шкловский Б.И. Прыжковая электропроводность в сильных электрических полях. Численный эксперимент на ЭВМ //Физ техн. полупр. 1982.- Т.16, №5-С.825-821.

5. Khanin S.D. Electronic phenomena in metal oxide dielectric films /Ed. by K.E.Heusler, International Symposium on Passivity, Trans. Tech. Publication, Swetzerland- Germany- UK- USA, 1994.-P.563-572.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.