Физика/физика твердого тела

Д.ф.-м.н. Сергеева А.Е., д.ф.-м.н.Федосов С.Н.

Кафедра физики и материаловедения, Одесская национальная Академия Пищевых Технологий, Украина. aeserg@ukr.net

Кинетика роста электретного потенциала в сегнетоэлектрических полимерных пленках

Типичными сегнетоэлектрическими полимерами являются поливинилиденфторид (ПВДФ) и его сополимеры. К числу основных достоинств материалов данного класса относятся прекрасные механические свойства и довольно высокие значения пьезо- и пироэлектрических коэффициентов, что предопределяет возможность их широкого практического применения. возможность получения больших площадей и достаточно простые способы изготовления тонких пленок позволяют отнести ПВДФ к разряду перспективных материалов для создания новых классов регистрирующих приборов.

Пьезо- и пироэлектрические свойства сегнетополимерных пленок появляются после электризации пленок, поэтому изучение процесса формирования поляризации является очень важным. Целью настоящей работы было исследование кинетики роста электретного потенциала на пленках ПВДФ в процессе воздействия на них коронного разряда.

Образцы пленок ПВДФ толщиной 20...30 мкм из опытных партий, изготовленных на химическом концерне "Пластполимер", г. Санкт-Петербург, были получены методом экструзии с последующим одноосным ориентированием (вытяжкой) в отношении 1:4 при температуре 100 °С с последующим отжигом при температуре 120 °С в течение 1 часа.

Процесс формирования поляризованного состояния в сегнетоэлектрических полимерах исследовался методом электризации в коронно-разрядовом триоде с вибрирующей управляющей сеткой и непрерывным измерением электретного потенциала методом Кельвина [1]. Преимущества этого метода особенно проявляются при электризации в режиме постоянного зарядного током. Применение вибрирующей сетки дает возможность непрерывно и одновременно измерять как ток зарядки, так и электретный потенциал, величина и кинетика которого содержат информацию о процессах формирования сегнетоэлектрической поляризации.

зависимость электретного потенциала от времени в процессе электризации пленок ПВДФ толщиной 26 мкм при трех значениях постоянного зарядного тока показана на рис. 1. При малых токах до 10…20 мкА/м² (кривая 1 на рис. 1) наблюдается насыщение электретного потенциала, причем его величина соответствует напряженности поля ниже коэрцитивного значения, и поэтоиу весь ток при больших временах представляет собой сквозной ток проводимости. При средних значениях зарядного тока (кривая 2 на рис. 1) наблюдается характерная зависимость электретного потенциала от времени, состоящая из трех участков, соответствующих трем стадиям формирования поляризованного состояния: начальный участок быстрого роста потенциала, плато и второй участок быстрого роста. При больших значениях зарядного тока (кривая 3 на рис. 1) потенциал быстро растет, и если поддерживать ток постоянным, то происходит электрический пробой пленки. Это же наблюдается в конце третьей стадии при зарядке умеренными токами.

Анализ кривых на рис. 1 проводился с учетом уравнения полного тока, которое может быть записано в виде

, (1)

где e_o – электрическая постоянная; e – диэлектрическая проницаемость, учитывающая все процессы поляризации, кроме сегнетоэлектричества; Е – напряженность поля; Р – сегнетоэлектрическая поляризация; g – эффективная проводимость, являющаяся в первом приближении постоянной величиной; i_o – плотность зарядного тока. Ось х направлена от поверхности вглубь образца.

Пренебрегая инжекцией и интегрируя (1) по толщине пленки x_o, получаем

, (2)

где V – электретный потенциал, которому соответствует выражение

. (3)

Три слагаемые в правой части (2) соответствуют емкостной, поляризационной и омической составляющим полного тока. Сегнетоэлектрическая поляризация формируется, если поле больше коэрцитивного, то есть при высоких напряжениях. Поэтому при малом токе I_o в начальной стадии преобладает емкостная составляющая, а при насыщении потенциала полный ток представляет собой ток проводимости (кривая 1 на рис. 1). Переход от быстрого начального роста напряжения к пологому участку на кривой 2 рис. 1 естественно связать с появлением поляризационной составляющей тока и замедлением в результате этого роста напряжения. После завершения поляризации вновь увеличиваются емкостная составляющая тока и напряжение на образце. Правильность приведенной качественной картины электризации согласуется с результатами, полученными в работах [2,3].

Полученные в данной работе результаты дают возможность разрабатывать оптимальные режимы электризации сегнетоэлектрических пленок ПВДФ, то есть выбирать наилучшие значения напряжения на управляющей сетке коронного триода, величину стабилизированного тока зарядки и длительность процесса электризации. Например, величина напряжения на сетке и его полярность выбираются такими же, какими они должны быть на пленке в конце процесса зарядки. Если напряжение на сетке больше пробивного напряжения пленки, то пробой неизбежен. Величина зарядного тока выбирается из диапазона средних значений. Если ток слишком малый, то формирования сегнетоэлектрической поляризации не происходит, как видно из рис. 1. Если ток слишком большой, то потенциал быстро растет и может произойти пробой.

Наилучшими, по нашему мнению, являются такие параметры электризации в коронном разряде: напряжение на коронирующем электроде 10...15 кВ, напряжение на управляющей сетке 1,5...2,0 кВ, плотность зарядного тока 100...200 мкА/м², время зарядки 200...500 с.

Литература:

1. Electrets / Ed. G.M..Sessler- 1999.-v1, Third Edition, Morgan Hill: Laplacian Press, 437 p.

2. Fedosov S. N., von Seggern H. Pyroelectricity in polyvinylidene fluoride: influence of polarization and charge // J. Appl.Phys.-2008.-v. 103, # 1.-P. 014105-014109.

3. von Seggern H. and Fedosov S. Conductivity induced polarization in a semicrystalline ferroelectric polymer // IEEE Trans. Diel. Elect. Insul.- 2004.- v. 11, No.2.- P. 232- 241.