Введение к работе
Актуальность проблемы. Неполярные полимерные пленки, находящиеся в адгезионном взаимодействии с металлами(структуры НПМ) составляют класс электретных материалов наиболее широко используемых в технике(элехтрегные реле, датчики, фильтры, электроакустические преобразователи, и др.). Поэтому вполне понятен непрерывно растущий интерес к исследованию электретного эффекта в структурах НПМ. Кроме того, изучение природы электретного эффекта в структурах НПМ неразрывно связано с выяснением механизмов накопления и релаксации неравновесного заряда в неупорядоченных системах, что составляет одну из важнейших и актуальнейших проблем физики диэлектриков.
Современное состояние физики электретного эффекта в полимерах характеризуется тем, что накопленный к настоящему времени достаточно большой объем экспериментальных данных, анализируется, в основном, в рамках упрощенных феноменологических моделей. Данные модели, базирующиеся на абстрагировании от многих реальных свойств, присущих изучаемым объектам, если и позволяют качественно описать процессы накопления и релаксации гомозаряда, то все же оказываются не в состоянии составить основу для разработки методологии управления процессами электропереноса и, соответственно, решить задачу получения электретов с заданными свойствами. Поэтому для дальнейшего развития физики электретного эффекта, а также стимулирования разработок в области технических приложений электретов, требуется более высокий уровень теоретического обобщения, основанный на привлечении молекулярных представлений и учете реальных электрофизических, физико-химических и структурных свойств изучаемых объектов. Актуальными являются также задачи получения и исследования электретов новых типов, обладающих повышенной стабильностью заряда.
Цель работы - выяснение природы электретного эффекта в классе структур неполярный полимер-металл и создание на этой основе новых типов электретов с повышенной стабильностью заряда.
В соответствии с этой целью в работе ставятся и решаются следующие задачи: I - Разработать методы и устройства для
получения пленочных и массивных структур НЕМ, а также слоистых электретных структур с возможностью комбинации полимерных слоев и металлических прослоек.
-
- Разработать комплексную экспериментальную методику для выяснения механизмов накопления и релаксации гомозаряда, а также определения параметров злектретных структур.
-
- Провести систематическое исследование электретного эффекта в классе структур НПМ и выяснить корреляцию электретных свойств с электрофизическими, структурными и физико-химическими свойствами объектов исследования.
-
- Разработать модели накопления и релаксации гомозаряда в структурах НПМ, учитывающие их реальные электрофизические, структурные и физико-химические свойства.
-
- Изучить механизмы воздействия различных модифицирующих факторов(температурно-временное и электрическое старение, ориентационная вытяжка, фрикционная обработка, обработка в жидких средах) на злектретные свойства структур НПМ.
-
- Выяснить и промоделировать механизмы релаксации заряда электретных структур в жестких климатических условиях.
-
- На основе обобщения экспериментальных данных разработать методологию управления релаксацией гомозаряда и создать злектретные структуры с повышенной стабильностью потенциала.
Научная новизна. - Разработана комплексная экспериментальная методика, основанная на использовании "модельных" структур, а также на последовательном применении серии традиционных и новых, предложенных в работе тестовых методов, при помощи которой, впервые, выполнено систематическое исследование электретного эффекта в классе структур НПМ.
Впервые выдвигается общая концепция и соответствующие модели электретного эффекта в структурах НПМ, основанные на максимальном учете их реальных электрофизических, структурных и физико-химических свойств. В рамках данного подхода определены основные характеристики, контролирующие злектретные свойства структур НПЩэнергетические спектры и область пространственной локализации ловушек, подвижность гомозаряда).
Впервые экспериментально обнаружена и доказана существенная роль граничных и поверхностных слоев структур НПМ в эл-ектретном эффекте. Показано, что в этих слоях центры захвата заряда имеют квазинепрерывный спектр и во многих случаях ока-
зываются энергетически более глубокими, чем объемные ловушки.
Впервые обнаружены, и объяснены с учетом молекулярных представлений, эффекты связанные с воздействием на структуры, НПМ целого ряда модифицирующих факторов и вызывающих существенное изменение их электретных свойств.
Разработаш физические' принципы управления процессами' релаксации гомозаряда в структурах НИЛ.
Практическая ценность. - Полученные в работе научные результаты позволили:
Создать новые типы электретов с повышенной стабильностью заряда, а также способы и устройства для их получения, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения.
Разработать защищенную авторским свидетельством конструкцию микрофона нового поколения - электроградиентного элек-третного микрофона.
Предложить экспресс-методику прогнозирования долговременной стабильности потенциала электретных структур НИМ.
На защиту выносятся:
-
- Совокупность экспериментальных результатов доказывающих, что электретное состояние в структурах НПМ в решающей степени определяется глубокими немоноэнергетическими ловушками, локализованными в тонких(~0,1-2 мкм) поверхностном и граничном слоях. Причем поверхностные ловушки имеют хемосорбционную природу и обусловлены С-Н, С-ОН, С=0 группами, а глубокие ловушки в граничном слое связаны с металлополимерными комплексами(типа C-AL, C-0-.AL, F-AL), формирующимися в процессе адгезионного взаимодействия полимера с металлом.
-
- Модель электретного эффекта в классе структур НПМ учитывающая, в рамках теории Симмонса, квазинепрерывность спектра локализованных состояний в поверхностном и граничном слоях, а также, в общем случае, эффекты захвата и освобоящения гомозаряда объемными ловушками в процессе транспорта через образец.
-
- Исследование влияния ряда модифицирующих воздействий на электретные свойства структур НПМ показывающие, что фрикционная обработка, обработка в полярных жидкостях, темлературно-временное и электрическое старение, ориентационная вытяжка вызывают сильные эффекты, проявляющиеся в изменении энергетического спектра ловушек, ответственных за электретное состояние. Механизмы обнаруженных эффектов имеют молекулярную природу и
обусловлены физико-химическими и структурными изменениями в компонентах системы полимер-металл.
-
- Результаты экспериментального исследования и моделирования релаксации потенциала показывающие, что основными процессами, приводящими к разрядке электретных структур в жестких климатических условиях являются: накопление на поверхности полимер-среда компенсирующего заряда, а также стимулированное действием влаги, увеличение скорости релаксации гомозаряда.
-
- Общая концепция управления процессами релаксации заряда и основанные на ней способы получения электретных структур с повышенной стабильностью, состоящие в том, что целенаправленное влияние на релаксационные процессы может быть достигнуто за счет варьирования энергетического спектра ловушек в компонентах структур НПМ, а также путем ослабления факторов стимулирующих разрядку в условиях действия влаги.
Личный вклад автора является основным на всех этапах исследования. Все приведенные в работе результаты получены самим автором, либо при его непосредственном участии, либо под его руководством. На всех этапах работы им формулировались основные направления исследований и обобщались полученные результаты с учетом современных достижений в области физики электретов.
Совокупность результатов выполненных исследований является существенным вкладом в развитие нового перспективного научного направления - "электрэтньгй эффект в классе структур, неполярный полимер-металл и физические основы его практического применения.
Апробация работы. Результаты работы доложены : на Всесоюзных конференциях "Физика диэлектриков"(Баку 1982, Томск 1938); Всесоюзном семинаре "фундаментальные основы оптической памяти и среды"(Киев 1979,1980); Всесоюзных совещаниях-семинарах "Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем"(Гурзуф 1982, 1983, Одесса 1986,1988); Научно-технических конференциях "Электрическая релаксация и элекгретный эффект в твердых диэлектри-ках"(Москва 1978,1979,1980,I9B2); Межотраслевом научно-техническом симпозиуме "Влияние эксплуатационных факторов на работоспособность полимерных диэлектриков"(Москва 1983); Всесоюзной научно-технической конференции "Электреты и их применение в радиотехнике и электронике"(Москва 1987); Всесоюзном семинаре
t
»
"Полимерные и композиционные сегнето-,пьезо-,пироматериалы и электреты в ускорении научно-технического прогресса"(Москва 1989), I Международном совещании стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела"(Сочи I9B9), I Всесоюзном совещании "Диэлектрические материалы в экстремальных условиях"(Суздаль 1990), Научно-техническом совещании "Электрическая релаксация в высо-коомных материалах"(Одесса 1990), Всесоюзном научно-техническом совещании "Электрическая релаксация и кинетические явления в твердых телах"(Сочи 1991), Российской научно-технической конференции "Диэлектрики-93"(С5.Петербург 1993), Международной конференции "Электрическая релаксация в высокоомных материалах" (Ст.Петербург 1994),
Публикации. Результаты положенные в основу диссертации отражены в 50 опубликованных работах, в том числе 7 авторских свидетельствах на изобретение.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы включающего 322 наименования. В работе 335 страниц, в том числе 107 рисунков и 15 таблиц на 94 страницах.
Похожие диссертации на Электретный эффект в стурктурах неполярный полимер-металл
