Временная и полевая зависимости тока в поливинилиденфториде при постоянной температуре

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №7_

ФИЗИКА

УДК 621.319.2:679.537.311.32

А.Г.Джабаров

ВРЕМЕННАЯ И ПОЛЕВАЯ ЗАВИСИМОСТИ ТОКА В ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИДЕ ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

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

Рассмотрены временные и полевые зависимости тока в поливинилиденфториде (ПВДФ) при постоянной температуре. Показано, что особенности временной и полевой зависимостей тока коррелируют с процессами образования глубоких локализованных состояний инжектированного заряда в приповерхностных областях образца и образования дипольной поляризации, обусловленной переходом ПВДФ из неполярной кристаллической а-формы в полярную ар- и/или [в-форму, стимулированным высокой напряжённостью электрического поля и температурой.

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

Временная и полевая зависимости тока в ПВДФ при постоянной температуре получены на плёночных образцах, толщиной 25 мкм с круглыми алюминиевыми электродами, нанесёнными на обе поверхности образца термическим распылением алюминия в вакууме. Исходные образцы содержали преимущественно кристаллиты а-формы.

Обычно подобные исследования проводят по измеренным остаточным токам, достигая стационарного режима, то есть когда величина тока, текущего через образец, мало меняется со временем. Однако в случае ПВДФ получить вольтамперную характеристику (ВАХ) в пределах одного рабочего дня оказалось весьма проблематичным в силу ярко выраженной особенности временной зависимости тока в определённом диапазоне напряжённостей электрического поля и температур.

На рис.1 представлены временные зависимости тока (точечные линии) при постоянной температуре образца (130С) и разных напряжённостях приложенного электрического поля. Временной интервал для всех 18 кривых был одинаков и равнялся 15 мин. Начальная напряжённость поля (кривая 1) составляла 4104 В/м. В конце каждого интервала напряжённость поля изменялась скачком. Приращение поля разное для разных групп кривых. Так, для кривых с 1 по 7 приращение поля равно 4104 В/м, для кривых с 8 по 10 ДЕ = 8104 В/м, 11 - ДЕ = 28 1 04 В/м, а для кривых 12 - 18 ДЕ = 40104 В/м.

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

Из рисунка видно, что после увеличения напряжённости поля к концу второго временного интервала на временной зависимости тока наблюдается тенденция перехода к стационарному режиму. В случае же кривых 3-7 с дальнейшим повышением напряжённости поля к концу каждого интервала временная зависимость становится более крутой. С другой стороны, рост конечного значения тока постепенно замедляется, выходя на горизонтальный участок зависимости тока от напряжённости

(л/E; на рис.1 эта зависимость изображена сплошной линией, точки соответствуют конечным значениям тока кривых временной зависимости с теми же номерами; далее эту зависимость будем называть вольтамперной характеристикой - ВАХ). Изменение шага дальнейшего повышения поля (8 - 10, 11, 12 - 18) приводит к возникновению горизонтальных ступенек. В диапазоне полей от 2.8-105 до 3.6106 В/м (рис.1) особенностью зависимости тока от напряжённости поля является постоянство тока при выполнении условия AE / At = const.

Расширив диапазон напряжённостей электрического поля до 80 МВ/м, по описанной схеме, выполняя условие AE / At = const, были получены ВАХ ПВДФ при температурах 110, 120 и 130°C (рис.2).

Из рис.2 видно, что помимо начального роста тока при низких на-пряжённостях поля можно выделить три характерных участка: горизонтальный, последний линейный наклонный участок и переходный, занимающий положение между горизонтальным и наклонным участками. Видно, что с повышением температуры образца переходы начального участка в горизонтальный, горизонтального в переходный, переходного в наклонный смещаются в сторону меньших полей. Переходный участок с повышением температуры становится

Рис.1. Временная зависимость тока в ПВДФ при разных на-пряженностях электрического поля при постоянной температуре 130°С (точечные кривые). Вольтамперная характеристика ПВДФ (сплошная линия).

; WHO8, <А)

1 г 3 4 5 6 7 8

Рис.2. ВАХ ПВДФ при постоянной температуре: 110, 120 и 130°С.

Доклады Академии наук Республики Таджикистан

2015, том 58, №7

менее ярко выраженным.

Корневая зависимость тока от напряжённости поля на последнем наклонном участке ВАХ даёт основание предположить о его эмиссионной природе по Ричардсону-Дешману-Шоттки (РДШ) Определение диэлектрической проницаемости по наклону этого участка даёт значение 2.97, что близко к значениям диэлектрической проницаемости ПВДФ, определённой на больших частотах (2.98 на частоте 109 Гц). Рассчитанная энергия перехода Al-ПВДФ оказалась равной 1.3 эВ.

На горизонтальном участке ток не зависит от напряжённости электрического поля при данной скорости (AE / At = const) её повышения. Исходя из способности ПВДФ к превращению из неполярной а-формы кристаллитов в полярную ар-форму и Р-форму, обладающие высокими значениями диэлектрической проницаемости, под действием электрического поля [1], можно предположить, что природа горизонтального участка связана с двумя процессами. Во-первых, на горизонтальном участке в диапазоне достаточно высоких полей, когда возможна эмиссия электронов из металлических электродов по РДШ, происходит формирование в приповерхностных слоях образца инжектированного заряда, захваченного в структурных ловушках [2]. Во-вторых, при высокой температуре под действием приложенного электрического поля большой напряжённости происходит превращение кристаллитов из неполярной а-формы в полярную ар-форму, которые, ориентируясь в электрическом поле, образуют в объёме образца дипольную поляризацию большой величины. Этот процесс протекает до тех пор, пока существует возможность модификации кристаллической структуры. На переходном участке при больших напряжённостях электрического поля становятся возможными переходы из ар- в более полярную в-форму.

Здесь можно провести аналогию с механической деформацией частично кристаллических полимеров с образованием шейки. При образовании шейки деформация образца изменяется непрерывно при неизменном напряжении до тех пор, пока не произойдёт перестройка структуры всего образца при заданной скорости деформации.

В нашем случае при AE / At = const уменьшение тока за счёт образования приповерхностного инжектированного заряда компенсируется поляризационным током, обусловленным переходом из а-формы кристаллитов в полярные ар-форму и в-форму и их ориентацией в приложенном электрическом поле.

Возможность перехода кристаллитов из неполярной а-формы кристаллитов в полярные ар- и в-формы была подтверждена при изучении ИК-спектров электретов из ПВДФ, заряженных в отрицательном коронном разряде [3]. По отношению относительных оптических плотностей полос поглощения 875 и 839 см"1, отвечающих колебаниям CF2-групп молекулярной цепи в кристаллитах а- и в-формы соответственно, отнесённых к полосе сравнения 795 см-1, рассчитали процентное содержание а- и в-формы кристаллитов в исходной незаряженной ориентированной ПВДФ-плёнке, после её заряжения в отрицательном коронном разряде, а также после её деполяризации. Оказалось, что процентное содержание а- и в-формы после заряжения образца и его деполяризации меняется в сторону увеличения содержания в-формы (82 и 18% - в исходном; 73 и 27% - в заряженном; 68 и 32% - в деполяризованном). Длительное хранение при комнатной температуре образцов из ПВДФ, заряженных в коронном разряде, также сопровождается увеличением содержания кристаллитов в-формы (до

31%), превращение которых из а-формы происходит под действием электрического поля инжектированных зарядов.

Поступило 31.12.2013 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бродхерст М., Дэвис Г. - Электреты: Пер. с англ. /Под ред. Г.Сеслера. - М.: Мир,1983, с. 357-399.

2. Лущейкин Г.А., Джабаров А.Г. - I Всесоюзн. Совещ. «Диэлектрические материалы в экстремальных условиях». Доклады, т. I. - Суздаль: ОИХФ АН СССР, 1990, с. 211-233.

3. Джабаров А.Г. Формирование и спад инжектированных зарядов в полярных полимерах. - Авто-реф. дисс... к.ф.-м.н. - М., 1990, 16 с.

А.Г.Ч,абборов

ВОБАСТАГИ^ОИ ЧАРАЁН АЗ ВАЦТ ВА МАЙДОН ДАР ПОЛИВИНИЛИДЕНФТОРИД ДАР ^АРОРАТИ ДОИМЙ

Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умаров Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон

Вобастагихои чараён аз вакт ва майдон дар поливинилиденфторид (ПВДФ) дар харорати доимй тахкик карда шудааст. Нишон дода шудааст, ки хусусиятхои вобастагихои чараён аз вакт ва майдон бо равандхои ташаккули холатхои мутамаркази амики заряди инжек-сияшуда дар сохахои наздисатхии намуна ва ташаккули поляризатсияи дукутбй бо сабаби гузо-риши ПВДФ аз -шакли булурии гайрикутбй ба ар- ва ^-шаклхои кутбие, ки аз тарафи шадидия-ти баланди майдони электрикй ва харорат барангехта мешавад, хамоханг мебошанд. Калима^ои калиди: электрет - эмиссияи электронии гарми - заряди ижектсияшуда -аракатнокии молекулы - доми сохти.

A.G.Dzhabarov

TIME AND FIELD DEPENDENCES OF THE CURRENT IN POLY(VINYLIDEN FLUORIDE) 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(Vinyliden Fluoride) (PVDF) 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 and formation of the dipole polarization caused by transition PVDF from not polar crystal a-forms in polar ap-and/or p-form, stimulated by high tension electric field and temperature.

Key words: electret - thermionic emission - the injected charge - molecular mobility - a structural trap.