Одесса, Украина, Одесская национальная академия пищевых технологий

e-mail: fedosov@optima.com.ua

переключение поляризации и пироэлектричество

в поливинилиденфториде

Пироэлектрические исследования пленок поливинилиденфторида (ПВДФ) представляют интерес, поскольку полимер широко применяется для изготовления пироэлектрических датчиков. Проведенное в настоящей работе исследование пироактивности ПВДФ в сочетании с изучением переключения сегнетоэлектрической поляризации позволяет не только прояснить природу пироэлектричества в ПВДФ, но и выявить пути повышения стабильности поляризации.

Эксперименты были проведены на образцах двуосно ориентированной пленки ПВДФ толщиной 12,5 мкм фирмы Kureha Co. (Япония) с золотыми электродами площадью 0,2 см², нанесенными методом катодного распыления. структура пленки соответствовала почти равному количеству кристаллической и аморфной фазы. Анализ ИК спектров показал, что отношение сегнетоэлектрической b-фазы к параэлектрической a-фазе составляло 70:30 и оставалось неизменным после электризации, которая проводилась в режиме постоянного напряжения. Для первичной электризации напряжение 2,0 кВ подавалось на образец через электронный переключатель фирмы Behlke Co. (Германия) в течение 200 с, что обеспечивало однородную поляризацию в кристаллитах порядка 9,2 мкКл/см² [1].

Переключение поляризации проводилось путем приложения высокого напряжения (от 0,5 до 2,0 кВ) противоположной полярности в течение определенного времени в широком диапазоне времен от 10^-6 до 100 с. Величина переключенной поляризации определялась путем обработки импульсов напряжения на последовательном измерительном конденсаторе емкостью 0,2 мкФ после переключения, короткого замыкания, форматирования и повторного приложения напряжения без изменения полярности [2].

После каждого переключения проводили измерение пирокоэффициента динамическим методом тепловой волны Коллинза [3]. Импульс света длительностью 50 мкс, генерируемый фотовспышкой Metz 45 CT-3 и падающий на поверхность металлического электрода, использовался в качестве источника тепловой волны. Пироэлектрический ток, а также напряжение на измерительном конденсаторе, фиксировались с помощью широкополосного осциллографа Tektronix TDS 510A. Путем измерения пирокоэффициента было установлено, что полное переключение поляризации происходит, если длительность переключающего импульса напряжения в 2,0 кВ превышает 100 с.

Проведено пять серий опытов, в которых переключение поляризации проводилось при разной длительности импульсов напряжения, но при одинаковой его величине в каждой серии. Установлено, что при напряжении 0,5 кВ, обеспечивающем напряженность поля около 40 МВ/м, т.е. такого же порядка, как и коэрцитивное поле в ПВДФ Е_с≈50 МВ/м, даже при длительности импульса в 50 с переключается всего 6,4% всей поляризации, которая в принципе может быть переключена, а при длительности импульса менее 50 мс никакого переключения поляризации практически не происходит. При напряжении 1 кВ за время t=50 с переключается 44,4% поляризации, т.е. образец почти переходит в состояние с нулевой средней поляризацией. Повышение напряжения до 1,5 кВ приводит к тому, что за 50 с переключается 79,4% поляризации, а при напряжении 2 кВ за 50 с поляризация переключается полностью.

На рис. 1 сравниваются данные о величине переключенной поляризации при разных временах и напряженностях поля, измеренные методом кинетики электрического смещения, с величинами пиросигнала при таких же условиях переключения. Абсолютное подобие приведенных экспериментальных графиков свидетельствует о том, что между остаточной сегнетоэлектрической поляризацией и величиной пироэлектрического коэффициента имеется прямая пропорциональная зависимость. Это положение дает возможность использовать измерение пироэлектричества, которое технически осуществить довольно просто, для оценки поляризованного состояния электризованной пленки ПВДФ, т.е. для оценки величины и направления остаточной поляризации.

Интересно отметить специфическую форму пироэлектрического сигнала при переключении поляризации больше, чем на 50%. В приэлектродной зоне, которую тепловой импульс проходит за время порядка t_o=0,2 мс, при изменении направления вектора поляризации на противоположное формируется пиросигнал, не симметричный по форме относительно первоначального. Это свидетельствует о существовании приэлектродного слоя толщиной порядка

, (1)

где λ – коэффициент теплопроводности ПВДФ.

Известно [4], что в ПВДФ λ=6·10^-8 м²/с, т.е. толщина приэлектродного слоя согласно (1) имеет порядок 3 мкм. Обнаруженная особенность объясняется, вероятно, тем, что в приэлектродном слое первоначально сформированная неоднородная поляризация не переключается даже в сильных полях. В соответствии с уравнением Пуассона, неоднородная поляризация является стабильной при наличии компенсирующего заряда в этом слое.

Было также обнаружено, что поляризация, переключенная под действием нескольких последовательных коротких импульсов напряжения, значительно меньше поляризации, переключенной одним импульсом, длительность которого равна суммарному времени действия нескольких импульсов. Так, пять импульсов по 10 мкс каждый переключали 20,4 % поляризации, а один импульс в 50 мкс переключал 40,7 % поляризации, т.е. в 2 раза больше. Это свидетельствует о наличии распределения времен переключения. При воздействии коротких импульсов переключаются только "быстрые" диполи, а при длительном воздействии напряжения переключаются как "быстрые", так и "медленные", поэтому переключенная поляризация существенно увеличивается.

Таким образом, совместное исследование пироэлектричества и переключения поляризации позволило выявить ряд важных особенностей поведения ПВДФ в этих условиях.

1. S. N. Fedosov and H. von Seggern J. Appl. Phys. 2008, 103, 1, 014105 (8 p).

2. H. von Seggern and S. N. Fedosov IEEE Trans. Diel. Electr. Insul., 2000, 7, 4, 543-550.

3. R. E. Collins J.Appl. Phys., 1980, 51, 11, 2973-2979.

4. P. Bloss, Guo-Mao Yang, G. M. Sessler IEEE Trans. Diel. Electr. Insul., 1996, 3, 2, 182-190.