Введение к работе
Актуальность. Полимерные пленки широко применяются в электронной технике, благодаря своим электрофизическим, и в первую очередь диэлектрическим свойствам. Функциональные свойства приборных систем на основе полимерных пленок в большой степени определяются процессами переноса и локализации носителей заряда в них.
Несмотря на обширный круг имеющихся в литературе работ, посвященных изучению кинетических процессов в полимерных диэлектрических пленках, сложившихся представлений о механизмах переноса носителей заряда, структуре энергетического спектра и механизмах локализации электронов в этих материалах до сих пор нет. Это обусловлено сложностью строения полимеров: наличием локальных неоднородностей, гетерогенностью реальных систем, представляющих собой аморфно-кристаллические материалы, наличием плохо определяемых границ раздела аморфной и кристаллической фазы. Кроме того, особенностью полимерных диэлектрических плёнок, осложняющей изучение их кинетических свойств, является существование долговременных релаксационных процессов. Долговременные релаксации могут быть обусловлены как релаксацией атомной подсистемы (структурная релаксация), так и процессами в электронной подсистеме. В результате экспериментальные дашгые часто оказываются плохо воспроизводимыми, а их интерпретация неоднозначной.
Даже если ограничиться электроникой полимерных пленок, следует отметить, что используемые в настоящее время методы исследования сталкиваются с рядом трудностей при интерпретации экспериментальных данных. В этой связи важное значение имеет разработка новых методов анализа кинетических свойств полимеров в связи с особенностями их строения, которые позволили бы прояснить картину и детали механизмов переноса и локализации заряда. Определенные возможности в этом отношении открывает метод диэлектрической спектроскопии в области инфра-звуковых частот.
Низкочастотная диэлектрическая спектроскопия, как метод анализа явлений переноса заряда, позволяет различать зонный и прыжковый механизмы электропроводности, а также определять различные режимы последнего. Кроме того, данный метод может быть использован для определения малой подвижности носителей заряда в неупорядоченных диэлектрических материалах и определения механизма локализации носителей (выявления сильной электрон-фононной связи).
В идейном плане исследование процессов переноса заряда в полимерных диэлектрических пленках соответствует направлению поиска в электронике неупорядоченных систем. Это дает основание полагать, что анализ кинетических явлений в полимерах информативен в контексте развития представлений об электронных процессах в неупорядоченных системах.
Цель работы. Изучение кинетических явлений и лежащих в их основе процессов локализации и переноса носителей заряда в неполярных и полярных фторсодержащих полимерных пленках методом инфразвуковой диэлектрической спектроскопии.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Определение и реализация необходимого комплекса экспериментальных методик низкочастотной диэлектрической спектроскопии для изучения кинетических явлений в полимерных диэлектрических пленках.
-
Изучение закономерностей процессов электронного переноса в полимерных диэлектрических пленках.
3. Установление корреляции кинетических свойств полимерных
пленок с особенностями их строения.
-
Разработка моделей процессов переноса и локализации носителей заряда в неполярных и полярных полимерных материалах.
-
Определение возможности практического использования результатов исследования.
Научная новизна. В отличии от большинства работ, посвященных изучению юшетических явлений в полимерных пленках, в данной работе предпринято сравнительное исследование механизмов переноса и локализации носителей заряда в неполярных и полярных фторсодержащих полимерных пленках методом инфразвуковой диэлектрической спектроскопии. Реализована возможность прямого определения диэлектрических потерь с использованием высокочувствительного калориметра.
Установлены закономерности переноса заряда в диэлектрических пленках политетрафторэтилена, полиэтилентерефталата и поливинили-денфторида: зависимость проводимости на переменном токе и диэлектрических потерь от частоты, температуры, напряженности постоянного электрического поля. Показано, что перенос заряда в полимерных пленках может быть описан с позиций теории прыжковой электропроводности в неупорядоченных системах. Установлено наличие мультиплетной прыжковой электропроводности в изученных материалах. Для неполярных полимеров отмечен переход от прыжкового механизма переноса заряда к зонному (внутрицепному) с повышением частоты.
На основе сравнительного анализа свойств неполярных и полярных полимерных пленок выявлены их особенности в части механизмов локализации носителей заряда и концентрации центров локализации. Показано, что для пленок полярных полимеров характерна сильная электрон-фононная связь и соответственно, поляронный механизм переноса заряда, а также более высокая, чем у неполярных полимеров, концентрация центров локализации носителей заряда. Отмеченные факты связаны с полярностью макромолекул и особенностями строения этих материалов.
На основе сопоставления результатов инфразвуковой диэлектрической спектроскопии и термоактивационной токовой спектроскопии пленок поливинилиденфторида получены дополнительные аргументы в пользу
вывода о прыжковом механизме переноса заряда и согласующиеся оценки энергии активации элементарных процессов.
Развитые представления о механизме переноса заряда в полимерных пленках привлечены к анализу долговременной релаксации электрет-ной разности потенциалов в них, что открывает возможности объяснить большую длительность этого процесса и его детальный ход в различных временных интервалах.
Практическая значимость. Развитые в работе представления о процессах локализации и переноса носителей заряда в полимерных диэлектрических пленках открывают возможности прогнозирования свойств конденсаторных систем-и элекгретных устройств на их основе.
Выявленные в работе структурно-чувствительные кинетические свойства полимерных пленок могут рассматриваться как основа методик их диапюстики, позволяющих обнаружить значимые для формирования функциональных свойств приборных систем особенности строения.
Метод инфразвуковой диэлектрической спектроскопии положен в основу ряда учебно-исследовательских заданий практикума при подготовке магистров физики, специализирующихся в области физики конденсированного состояния, а также курсовых и дипломных работ студентов факультета физики РГПУ имени АИ.Герцена.
Основные защищаемые положения.
-
Механизмы переноса и локализации носителей заряда в полимерных диэлектрических материалах целесообразно изучать, наряду с другими методами, посредством инфразвуковой диэлектрической спектроскопии с использованием методик определения частотных зависимостей проводимости на переменном токе и диэлектрических потерь без приложения и с приложением постоянного смещающего напряжения, создающего в диэлектрике сильное электрическое поле. '
-
В диэлектрических пленках политетрафторэтилена, полиэтилен-терефталата и поливинилиденфторвда реализуется механизм прыжковой электропроводности, причем в изученном диапазоне частот имеет место мультиплетная прыжковая электропроводность. У неполярных пленок политетрафторэтилена наряду с прыжковым, на достаточно высоких частотах, проявляется зошшй (внутрицепной) механизм переноса.
-
Для диэлектрических пленок полиэтилентерефталата и поливи-нилиденфторида характерны повышенная концентрация центров локализации носителей заряда, по сравнению с пленками политетрафторэтилена, и сильная электрон-фононная связь, что связало с наличием дипольных ловушек в полярных полимерах.
-
На основе моделей явлений прыжкового переноса заряда могут быть объяснены и спрогнозированы функциональные свойства приборных систем на основе полимерных диэлектриков, в том числе, конденсаторов и элекгретных устройств. ' '
Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается информативностью и адекватным использованием экспериментальных методик диэлектрической спектроскопии применительно к изучению кинетических свойств полимерных диэлектрических пленок, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов, а также интерпретацией данных, полученных независимыми методами, с единых позиций, использованием современных представлений электроники неупорядоченных систем.
Апробация результатов исследования.
Основные результаты работы докладывались на Международной научно-технической конференции по физике твердых диэлектриков "Диэлектрики - 97" (Санкт-Петербург, 1997), Международном Арктическом семинаре по физике и математике (Мурманск, 1998), Ш-ей Международной конференции "Электромеханика и электротехнологии" (Клязьма, 1998), Всемирном электротехническом конгрессе "На рубеже веков: итоги и перспективы" (Москва., 1999), 10 Международном симпозиуме по электретам (Афины, 1999) и неоднократно обсуждались на научных семинарах кафедры общей и экспериментальной физики РГПУ им. А.И.Герцена.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 162 страницы текста, 37 рисунков, 5 таблиц, 203 библиографические ссылки.