Введение к работе
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 отношении 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.
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.
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, 5 таблиц, 203 библиографические ссылки.