Временная и полевая зависимости тока в полиэтилентерефталате при постоянной температуре

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №5_

ФИЗИКА

УДК 621.319.2:679.537.311.32

А.Г.Джабаров

ВРЕМЕННАЯ И ПОЛЕВАЯ ЗАВИСИМОСТИ ТОКА В ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТЕ ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан

Рассмотрены временные и полевые зависимости тока в полиэтилентерефталате (ПЭТФ) при постоянной температуре. Показано, что особенности временной и полевой зависимостей коррелируют с процессами образования глубоких локализованных состояний инжектированного заряда в приповерхностных областях образца.

Ключевые слова: электрет - термоэлектронная эмиссия - инжектированный заряд - молекулярная подвижность - структурная ловушка.

Исследование временной и полевой зависимостей тока при температуре 100°С проведено на плёночных образцах ПЭТФ толщиной 23 мкм с электродами диаметром 25 мм, нанесёнными на обе поверхности термическим распылением алюминия в вакууме. К образцу прикладывалось постоянное электрическое поле напряжённостью от 2 до 70 МВ/м. Поддерживая постоянную температуру 100°С, на образец на 30 - 40 минут подавалось высокое напряжение. В течение этого временного интервала измерялся ток проводимости. В конце интервала напряжение скачком повышали на некоторую величину. Величина тока регистрировалась непрерывно. Полученные таким образом временные зависимости электрического тока приведены на рис.1 (штрихпунктирные линии 1-8). Напряжённость электрического поля Е, соответствующая каждому случаю, указана в подписи к рисунку.

Время, произвольный масштаб

£ 10 xzz.ats,

0 I-TU , A ln(i-1010) *17.437 х4-

XG.&77 ,__ ' с 'н

е хЕ.156

хз.вз

б .....

4' -"7 в

е

2 V 4

\ г

0 \ V __ 3

1

С

1 2 э i 5 е 7 5 S 1(

10"3 Е"1/2, V/m

Рис.1. Временная зависимость тока (штрихпунктирные линии) в ПЭТФ при температуре Т = 100°С и разных напря-жённостях электрического поля: 1 - 2.2; 2 - 8.7; 3 - 13; 4 - 26; 5 - 34.8; 6 - 43.5; 7 -61; 8 - 69.6 МВ/м. Время приложения поля 30^40 минут. ВАХ (сплошная линия) построена по стационарным участкам (тёмные квадратики) кривых 1 - 8. Светлые квадратики - конечные значения тока для интервалов 6, 7 и 8.

Адрес для корреспонденции: Джабаров Александр Гулямович. 734063, Республика Таджикистан, г.Душанбе, ул.Айни, 299, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: jabarovag@rambler.ru

Как видно из рисунка, повышение напряжённости электрического поля сопровождается несколькими особенностями протекания электрического тока. При низких напряжённостях электрического поля (кривые 1 - 3) после включения поля (его скачкообразного изменения) величина тока также возрастает скачком, затем медленно уменьшается и к концу временного интервала практически выходит на стационарный участок, когда величина тока со временем мало изменяется. При последующих повышениях Е величина выброса тока уменьшается, а в случаях 4 и 5 становится незначительной, выходя сразу на стационарный участок. При дальнейшем увеличении напряжённости поля (кривые 6 - 8) электрический ток вначале растёт, затем его рост со временем замедляется, переходя в стационарный участок, а через некоторое время начинает резко уменьшаться. Стационарный участок с повышением напряжённости поля сокращается, а скорость и абсолютная величина спада тока наоборот увеличиваются.

Зависимость тока проводимости, отвечающего стационарным участкам его временных зависимостей, от напряжённости поля является экспоненциально корневой, что обусловливает представление зависимости тока 1 от напряжённости Е (назовём эту зависимость условно вольтамперной характеристикой - ВАХ) двумя отрезками прямой в координатах 1п(/) - у/~Ё (рис.1. - сплошная линия).

Прямолинейный участок I при малых напряжённостях электрического поля имеет наклон в 1.75 раза больше наклона II участка при больших напряжённостях поля. При температуре образца 100°С I участок переходит во II при напряжённости электрического поля ~25 МВ/м. В работе [1] показано, что II участок ВАХ можно интерпретировать как термоэлектронную эмиссию по Ричардсону-Дешману-Шоттки (РДШ) из металлических электродов в объём полимера, тогда как I участок связан с накоплением в приповерхностных слоях большого инжектированного заряда, захваченного на глубокие ловушки. Накопление заряда приводит к отклонению полевой зависимости тока от зависимости по РДШ. Уменьшение тока обусловлено динамическим равновесием трёх процессов: термоэлектронной эмиссии из металлических электродов в объём полимерного образца; захвата эмитированных электронов на глубоких ловушках; термической активации выхода электронов из этих ловушек, облегчённой электрическим полем. Наблюдающийся спад тока после включения поля на I участке ВАХ (штрихпунктирные кривые 1 - 3) как раз и обусловлен фактом накопления в образце инжектированного заряда. Этот заряд может быть обнаружен следующим образом. После достижения стационарного участка на временной зависимости тока образец быстро охлаждают до комнатной температуры без

Рис.2. Термограммы токов ТСД термоэлектретов из ПЭТФ, полученных при: 1 - Тп = 100°С, Еп = 25 МВ/м; 2 - Тп = 140°С,

Еп = 40 МВ/м.

отключения поля (тем самым "замораживая" его - режим изготовления термоэлектрета), а затем, отключив поле, вновь нагревают образец с постоянной скоростью, закоротив его на пикоамперметр. В результате таких процедур получают кривые, подобные 1 на рис.2. Уступ со стороны низких температур соответствует спаду дипольной поляризации, установившейся в образце ПЭТФ под действием приложенного поля до его охлаждения. Максимум тока при 100 - 106°С соответствует захваченному инжектированному заряду, величина которого равна площади, ограниченной этим максимумом. По

мере повышения поля Е величина заряда растёт пропорционально 4Ё [1]. Увеличение заряда замедляется по мере приближения к излому ВАХ. Захват части инжектированных электронов на глубокие ловушки выводит их из процесса переноса заряда через образец, приводя к уменьшению тока и отклонению ВАХ на первом участке от термоэлектронной эмиссии по РДШ. Однако величина остаточного тока, соответствующая I участку ВАХ, определяется не только электронами, эмитированными из металлических электродов и не захваченными ловушками, но и электронами, термически активированными из ловушек вследствие термических флуктуаций, вероятность которых при постоянной температуре растёт с повышением поля. Поэтому величина тока на первом участке растёт с повышением поля, несмотря на увеличение захваченного электрического заряда в приповерхностных слоях. Казалось бы, на первом участке величина тока должна уменьшаться пропорционально росту величины инжектированного заряда. Однако с повышением поля, во-первых, увеличивается доля эмитированных электронов, не захваченных на ловушках, во-вторых, с повышением поля увеличивается вероятность выхода электронов из ловушек, что приводит к суммарному увеличению числа носителей заряда, обусловливающих электрический ток через образец ПЭТФ. Суммарно оговорённые выше факторы приводят к тому, что наклон I участка оказывается примерно в 1.75 раза больше чем наклон второго участка, который определяется скоростью инжекции электронов из металла в полимер по РДШ.

При приближении к излому ВАХ рост величины захваченного инжектированного заряда не

может оставаться пропорциональным у[Е , поскольку в стационарном случае величина тока не может превышать величину термоэмиссионного тока по РДШ. На начальном этапе II участка ВАХ после включения поля достаточно быстро устанавливается динамическое равновесие между процессами эмиссии, захвата и выхода электронов из ловушек, приводя к формированию стационарного участка на временной зависимости тока (4, 5) сразу после включения поля. При больших напряжённостях электрического поля (6 - 8) после его включения (скачкообразного повышения) наблюдается некоторый рост тока до наступления динамического равновесия. Связано это с дополнительным опустошением ловушек.

В предположении, что формирование структурных ловушечных центров стимулируется эмитируемыми электронами [1], различный характер временных зависимостей на различных этапах построения ВАХ является следствием меняющегося соотношения времени формирования локализованного состояния тл и временем жизни тж в этом состоянии. Так, очевидно, если тл < тж, будет преобладать процесс накопления инжектированного заряда и, следовательно, возникать I участок ВАХ. В случае равенства времён тл = тж скорость эмиссии электронов из металлических электродов и скорость делокализации равны - начало II участка. При высоких полях, когда тл > тж, до наступления

стационарного участка преобладают процессы дополнительного опустошения ранее заполненных ловушек.

Как отмечено выше, на временных зависимостях 6 - 8 рис.1 после достижения "стационарного" участка наблюдается резкое снижение тока - тем большее, чем выше напряжённость поля. На ВАХ это отражается в отклонении зависимости тока от напряжённости поля от зависимости РДШ (светлые квадратики на рис.1). На термограммах токов ТСД образцов термоэлектретов, режимы формирования которых соответствуют условиям 6 - 8 рис.1, помимо максимума при 100-106°С появляется новый высокотемпературный максимум при 130°С (см. кривую 2 на рис.2). То есть в этих условиях (или более жёстких - более высоких температурах и полях) происходит образование новых более глубоких центров захвата, приводящих к формированию новых более стабильных инжектированных зарядов. Расчёты показывают, что энергия активации этой компоненты инжектированных зарядов равна 1.54 эВ. Для формирования этой компоненты инжектированного заряда необходимы большие энергетические затраты. Этот факт, а также то, что высвобождение этого заряда происходит в температурной области ас-молекулярной подвижности [2], даёт основание предполагать, что накопление этого заряда происходит на границе кристаллит-аморфная фаза, как и компоненты при 100-106°С, но в более упорядоченных и более плотных областях.

Построение ВАХ в области полей, характерных для накопления второй высокотемпературной компоненты инжектированного заряда по остаточным токам (соответствующим новому стационарному случаю), очевидно, в некоторой степени привело бы к результату, подобному для первой компоненты. Однако в наших экспериментах этого достигнуть не удалось в силу снижения электрической прочности образцов в этом температурном и полевом диапазоне.

Поступило 02.03.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Джабаров А.Г. - ДАН РТ, 2010, т.53, №4, с. 267-271.

2. Лущейкин Г.А., Джабаров А.Г. - Доклады I Всесоюзного совещания «Диэлектрические материалы в экстремальных условиях», т. 1. - Суздаль, 1990, с.211-233.

А.Г.Ч,абборов

ВОБАСТАГИХОИ ЧАРАЁН АЗ ВА^Т ВА МАЙДОН ДАР ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ ДАР ХДРОРАТИ ДОИМЙ

Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илмх;ои Цумхурии Тоцикистон

Вобастагих,ои чараён аз ва;т ва майдон дар полиэтилентерефталат (ПЭТФ) дар хдрорати доимй тах,;и; карда шудааст. Нишон дода шудааст, ки хусусиятх,ои вобастагих,ои чараён аз ва;т ва майдон бо равандх,ои ташаккули х,олатх,ои мутамаркази ами;и заряди инжексияшуда дар сохдх,ои наздисатх,ии намуна хдмохднг мебошанд.

Калима^ои калиди: электрет - эмиссияи электронии гарми - заряди инжексияшуда -щракатнокии молекулы - доми сохти.

A.G.Dzhabarov

TIME AND FIELD DEPENDENCES OF THE CURRENT IN POLY(ETHYLENE TEREPHTHALATE) AT CONSTANT TEMPERATURE

S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan Time and field dependences of a current in poly(ethylene terephthalate) (PETF) are considered at constant temperature. It is shown that features of time and field dependences correlate with the processes of formation of the deep localized states of the injected charge in nearby surface areas of the sample. Key words: electret - thermionic emission - the injected charge - molecular mobility - a structural trap.