При практическом осуществлении электронно-пучковой методики используют горячие катоды или высоко частотные разряды, устройства электронной фокусировки пучков и ускоряющие напряжения 5-50 кВ. Иногда для достижения однородной по облучаемой по площади плотности тока применяют сканирующие пучки. В частности, в качестве источника электронного пучка часто применяют сканирующий микроскоп. Из-за высокой однородности его пучка по поперечному сечению , такие приборы можно применять как в статическом , так и сканирующем режимах. В камере, куда в качестве мишени помещают образцы диэлектрика, имеется механическая диафрагма. Выдержка приоткрытой диафрагме изменяется от 1 мс до нескольких секунд. В течение облучения контролируют ток в нижний (обычно металлизированный электрод), соответствующий по своей величине полному току инжекции, таким образом, диэлектрик удается зарядить до заранее установленной величины заряда. Этот метод удается также приспособить для электретирования длинных полос диэлектрика с использованием лентопротяжного механизма. Преимуществом метода электризации электронными пучками является то, что он позволяет полностью контролировать глубину проникновения зарядов, их распределение по поверхности и плотности заряда. Эти качества позволяют широко применять этот метод для производства мембран для электретных микрофонов, а также при исследовании свойств электретов.
1.2.6.Методы электризации, использующие проникающее излучение.
Электризация диэлектрика может быть достигнута действием полностью проникающей радиации различных видов. Роль излучения в этом случае сводится к генерации носителей заряда, а ответственное за результирующую электризацию внутреннее смещение возникает при включении внешнего поля и в самом внутреннем поле диэлектрика.
В классической схеме электризации этого типа диэлектрический образец, между поверхностями которого приложено напряжение, подвергается действию проникающей радиации, источником которой может быть ускоритель частиц. Рентгеновская установка или просто радиоактивный источник. После получения образцом дозы 1-106 рад действие облучения прекращается и напряжение снимают. Электризация объясняется молекулярной ионизацией с последующим дрейфом и захватом носителей. Излучения производят генерацию электронно-дырочных пар, которые в присутствии приложенного поля дрейфуют к электродам, что и приводит к разделению заряда. Постепенно носители захватываются, и диэлектрик приобретает гетерозаряд.
Электризация диэлектриков с помощью проникающей радиации возможна также и в отсутствии приложенного электрического поля. Этот метод основан на использовании гамма и рентгеновских лучей высокой энергии для создания комптоновских электронов. Рассеивание этих электронов с преимущественным направлением вперед приводи к пространственному распределению зарядов, и, следовательно, к поляризации диэлектрика. С уменьшением энергии первичных фотонов распределении электронов быстро становится изотропным, поэтому этот эффект сильнее проявляется при больших значениях падающих фотонов (примерно 1 МэВ), таким образом, очевидно, что для получения оптимальной поляризации необходимо использовать толстые образцы.
1.2.7.Фотоэлектретный процесс.
Фотоэлектретный процесс во многих отношениях весьма похож на обсуждавшиеся выше способы изготовления электретов, только здесь вместо радиационного облучения используется свет. Материалы обычно фотопроводники, покрывают с одной или с обеих сторон прозрачными электродами и облучают ультрафиолетовым или видимым светом в присутствии приложенного электрического поля. После выключения света и снятия напряжения у диэлектрика обнаруживается сохраняющаяся с течением времени поляризация. Такой диэлектрик называют фотоэлектретом.
Эту поляризацию приписывают генерации носителей светом с последующим смещением их в приложенном поле, заканчивающимся захватом. Генерация носителей светом легко осуществляется, если длинны волн последнего короче границы поглощения данного фотопроводника. Смещение носителей, вызванное действием приложенного поля, определяется как их подвижностями в объеме материала, так и высотой потенциального барьера на границе диэлектрик – электрод. Если объемные подвижности носителей обоих типов велики, а указанные барьеры высоки для носителей хотя бы одного типа, заряды будут накапливаться на одной или обоих границах раздела диэлектрик-электрод. Так мы получим “барьерную поляризацию”. Если, однако, подвижности таковы, что заметно смещаются лишь носители одного типа, или излучение неоднородно по толщине образца, то мы придем к “объемной поляризации”. Этот процесс, очевидно, происходит вне зависимости от величины потенциального барьера. В течение действия света возможны процессы захвата носителей, их уход с ловушек и повторного захвата. После прекращения облучения распределение зарядов в основном “замораживается” хотя некоторая темновая релаксация все же остается.
Фотоэлектретный процесс как метод изготовления электретов практически не используется, что связано с малой стабильностью и величиной получаемого заряда, зато обратный процесс – снятие поляризации фотопроводников путем облучения светом имеет огромное значение в ксерографии и при исследовании других электретов.
1.3.Обзор существующих моделей электретного эффекта
Первое объяснение электретного эффекта было предложено Егучи в 1920—1925 г. Основываясь на экспериментально доказанном факте объемности электретного заряда, Егучи сделал вывод, что при нагревании диэлектрика полярные молекулы в нем получают возможность ориентироваться под действием поля, а при остывании материала в присутствии электрического поля молекулы теряют способность к вращению и остаются в ориентированном состоянии. Упорядоченное расположение дипольных молекул может сохраняться достаточно долго, поэтому после выключения внешнего поля в диэлектрике сохраняется остаточная поляризация, а на поверхности располагаются связанные заряды.
Другой японский физик Сато пытался объяснить электретный эффект “замораживанием” ионов. В расплавленной смеси положительные ионы под действием электрического поля смещаются к катоду, а отрицательные — к аноду. После застывания смеси при наличии внешнего электрического поля ионы остаются смещенными, так как электропроводность воска в твердом состоянии значительно уменьшается.
Недостатком недостаток этих теорий в том, что они не рассматривали возможность образования гомозаряда. Впервые объяснить его существование попытался Наката в 1927 г., связывая появление гомозаряда с контактными явлениями на границе металл—диэлектрик [2].
Адамс в 1927 г. впервые высказал идею двойственности зарядов в электрете. Он предположил, что гетерозаряд электрета вызван остаточной поляризацией, возникающей в диэлектрике вследствие ориентации дипольных молекул в сильном электрическом поле, с большим временем релаксации. Гомозаряд обусловлен свободными зарядами, которые стремятся компенсировать связанные, вследствие омической проводимости материала электрета. Причем в начальный момент времени после электретизации гетерозаряд полностью нейтрализован свободным зарядом, так что полный заряд электрета равен нулю. Затем остаточная поляризация начинает уменьшаться, и на поверхности электрета появляется свободный заряд, совпадающий по знаку с гомозарядом. Этот свободный заряд возрастает, а затем начинает спадать в появившемся внутреннем поле электрета. Присутствие двух зарядов различной природы, изменяющихся со временем по различным законам, дает возможность объяснить основные свойства электретов.
Согласно Адамсу гетерозаряд спадает в следствие тепловой разориентации по закону:
(1.1 )
где – величина, обратная периоду релаксации остаточной поляризации.
Релаксация гомозаряда по Адамсу определяется электропроводностью вещества
. (1.2)
Здесь — поле незакороченного электрета, — электропроводность вещества, — относительная диэлектрическая проницаемость, — диэлектрическая постоянная.
Измеряемая поверхностная плотность заряда равна разности величин реального заряда (гомозаряда) и остаточной поляризации , так что в любой момент времени справедливо выражение
. (1.3)
Решение уравнения (1.3) с учетом выражений (1.1) и (1.2) имеет вид
(1.4)
где — величина, обратная времени релаксации гомозаряда.
Из последнего выражения легко находится время, при котором заряд достигает максимального значения, а также определяется величина этого заряда
Недостаток теории Адамса указал Гемант [3]. Он подчеркнул, что наблюдаемая величина и устойчивость гомозаряда объяснимы лишь при такой величине начальной поляризации, которая не может быть достигнута в диэлектрике даже при полной ориентации всех диполей. Поэтому Гемант предположил, что гетерозаряд термоэлектретов обусловлен смещением слабосвязанных ионов и “замораживанием” их в потенциальных ямах при охлаждении диэлектрика в электрическом поле. Возникновение гомозаряда Гемант связывал с пьезоэлектрическим эффектом, вызванным деформацией диэлектрика в направлении, перпендикулярном поляризующему полю.
В 1953 г. Гемант предпринял попытку создать молекулярную теорию электретного эффекта. Согласно новой теории гетерозаряд образуется путем смещения ионов и ориентации диполей при поляризации, а гомозаряд возникает вследствие ионизации воздушного промежутка между диэлектриком и электродом и инжекции зарядов в диэлектрик, если поляризующее поле имеет достаточную напряженность.
Переход гетерозаряда в гомозаряд происходит путем нейтрализации смещенных к электродам ионов ионами проводимости. Часть гетерозаряда при этом исчезает, и число инжектированных ионов, противоположных по знаку смещенным ионам, начинает превышать число связанных диполей. Результирующий заряд электрета соответствует по знаку гомозаряду, т. е.
Временные зависимости поверхностной плотности заряда электрета
Рисунок 1.1.
1 — гетерозаряд; 2 — гомозаряд; 3 — суммарный заряд
происходит обращение знака заряда. Длительное сохранение электретного состояния объясняется тем, что инжектированные ионы притягиваются к диполям, а последние образуют устойчивую доменную структуру. Таким образом длительное существование как гетеро– так и гомозаряда в электрете объясняется устойчивой остаточной дипольной поляризацией. Характер изменения заряда электрета во времени при этом определяется суперпозицией релаксации гомо– и гетерозарядов.
В 1944 г. Гросс, основываясь представлениях Адамса, выдвинул новую теорию электретного эффекта, отказавшись от молекулярного рассмотрения механизма образования гетеро– и гомозарядов электретов. Согласно предложенной теории гетерозаряд может быть образован по одному из трех механизмов: “вмерзание” ориентированных диполей после остывания диэлектрика, “вмерзание” сместившихся в электрическом поле ионов, “застывание” зарядов образованных на макронеоднородностях диэлектрика.
Гомозаряд, по Гроссу, образуется благодаря переходу зарядов из электродов в диэлектрик в процессе поляризации. Основную роль здесь играют локальные пробои воздуха в промежутке электрод—диэлектрик. При каждом таком пробое образуется лавина электронов и ионов, которые осаждаются на поверхности электрета и затем втягиваются электрическим полем внутрь.
Поскольку механизмы образования гетеро– и гомозарядов различны, может быть различной и природа этих зарядов. Гомозаряд всегда образуется за счет “внешних” электронов и ионов, а гетерозаряд — за счет ориентации или смещения внутренних дипольных молекул и ионов диэлектрика с последующей их фиксацией. Теория Гросса объясняет двойственную природу заряда электретов и связанное с ней обращение заряда.
Теория Геманта–Гросса не является универсальной при объяснении природы гетерозаряда. А. Н. Губкин и Г. И. Сканави создали устойчивые электреты на поликристаллических неорганических диэлектриках, поляризационнные процессы в которых связаны с электронным и ионным смещением.
1.3.МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРЕТА НА ОСНОВЕ НЕПОЛЯРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА
В настоящее время существует несколько подходов к объяснению образования гомозаряда в электрете. На кафедре микроэлектроники РГРТА разработана и продолжает развиваться теория об образовании заряда электрета на основе неполярного диэлектрика. Феноменологическая теория, основанная на преимущественной роли гетерозаряда, рассматривает гомозаряд как свободный, что не может объяснить длительности сохранения электретного состояния в незакороченных электретах. Более точным считается предположение, что инжектированные заряды захватываются на уровнях захвата локализованных внутри запрещенной зоны. В общем случае в материале имеются как электронные, так и дырочные ловушки. Электронные ловушки нейтральны в свободном состоянии и отрицательно заряжены в заполненном. Наоборот, дырочные ловушки нейтральны в заполненном состоянии и при освобождении с них электронов становятся заряженными положительно. Если в диэлектрике существует периодическое потенциальное поле, что наиболее просто реализуется в кристаллических материалах, валентная зона и зона проводимости во всем объеме диэлектрика непрерывны. В таких материалах предполагается существование дискретных уровней захвата.
В аморфных, поликристаллических и полукристаллических веществах, к которым относится ПТФЭ, локальные уровни энергии формируются под влиянием молекулярного окружения, а образующиеся зонные структуры оказываются перерезанными потенциальными барьерами. В результате каждый атом или группа атомов приобретают наборы своих собственных уровней энергии. Даже при наличии дискретных по энергии уровней захвата такое разупорядочение вызывает случайное смещение этих уровней по глубине, отсчитываемой, например, от самого верхнего уровня зоны проводимости.
На рис. 1.2 показано одно из возможных распределений плотности состояний. Вместо границ зон проводимости и валентной появляются края подвижности и , на которых происходит резкое изменение подвижности носителей заряда.
В нашем случае для получения электретов использовался метод электретирования в положительном столбе плазмы тлеющего разряда с приложением тянущего напряжения.. Отрицательные носители заряда, увлеченные полем катод—анод в направлении электретируемых образцов, оседают и накапливаются на их поверхности.
Поскольку электроны обладают большими скоростями по сравнению с ионами, то они первыми попадают на поверхность образца и заряжают ее отрицательно по отношению к газу. В поле адсорбированных отрицательных частиц происходит разворот поверхностных диполей, способствующий дальнейшему накоплению и удержанию заряда.
На некотором расстоянии от диэлектрической пленки в газе образуется слой положительного заряда (положительные ионы) нейтрализующий накопленный отрицательный потенциал стенки (рис.1.2). Величина отрицательного пристеночного потенциала определяется параметрами разряда, а именно кинетической энергией электронов.
На поверхности диэлектрика существуют оборванные связи, цепочки, которые можно рассматривать как диполи. Под воздействием поля дипольные участки молекул на поверхности образца разворачиваются. Упругая деформации связей в молекулярных цепочках в приповерхностном объеме.
Одно из возможных распределений плотности состояний в ПТФЭ
Рисунок 1.2.
диэлектрика под действием внешнего поля, вызывает появление новых приповерхностных ловушек способных захватывать носители заряда. Кроме того, в процессе электретирования происходит постоянная бомбардировка поверхности образца электронами и ионами, что приводит к образованию новых ловушек, что видно по изменению спектров политетрафторэтилена.
При повышенной температуре в сильном электрическом поле в результате действия микроразрядов воздуха в пленках ПТФЭ идет процесс окисления полимерных цепей. При электретировании в воздушной плазме газового разряда окисление пленок незначительно, что вызвано низкой концентрацией молекул и ионов кислорода в рабочем объеме, хотя согласно донорно–акцепторному механизму адсорбция кислородосодержащих молекул приводит к увеличению концентрации глубоких электронных ловушек. Осевшие на поверхность электроны под действием управляющего поля затягиваются в приповерхностный объем диэлектрика и закрепляются на изначально существующих и вновь образованных в процессе электретирования ловушках, освобождая поверхность для дальнейшей адсорбции частиц.
После выключения управляющего потенциала в объеме диэлектрика и на его поверхности начинаются процессы релаксации заряда. Причинами релаксации реальных зарядов в электрете могут быть как внутренние явления (омическая проводимость, диффузия и дрейф избыточных зарядов), так и внешние процессы (осаждение на поверхность электрета ионов). Процесс проводимости сводится к движению собственных свободных положительных и отрицательных носителей заряда в поле электрета. Заряды инжектированные внутрь материала, испытывают дрейф в созданном ими же поле. В большинстве случаев при описании внутренней релаксации приходится учитывать и токи проводимости и токи избыточного заряда. Внешние процессы вызваны действием существующего вне электрета электрического поля, притягивающего из окружающей среды компенсационные заряды в виде ионов. Внешнее электрическое поле притягивает также и полярные частицы, например, молекулы воды. Эти молекулы не вызывают внешней релаксации, но способствуют ускорению процессов внутренней релаксации. Кроме того, в отсутствие экранировки образцов может оказаться весьма значительной внешняя релаксация заряда, обусловленная осаждением ионов.
Под действием внутреннего поля начинают переориентироваться дипольные участки. Молекулярное движение диполей и их новое расположение способствуют выталкиванию с поверхности слабо закрепленных отрицательно заряженных частиц. Переориентация диполей под влиянием инжектированного гомозаряда приводит также к тому, что к поверхности притягиваются положительные ионы внешней среды. Происходит рекомбинация части ионов с электронами оставшимися непосредственно на ней, что приводит к быстрому начальному спаду заряда. Другая часть ионов удерживается вблизи поверхности диэлектрической пленки ориентированными диполями, экранируя поле внедренного заряда.
Поскольку в окружающем пространстве существуют и отрицательные носители заряда они притягиваются к слою положительных ионов и рекомбинируют с ними, что вновь вызывает появление внешнего электрического поля наводимого диполями и приток новых ионов из окружающего пространства. С одной стороны диполи удерживают положительные ионы вблизи поверхности диэлектрика, а с другой — препятствуют их проникновению в приповерхностный объем, следовательно, образуется динамически равновесная система ОПЗ—гомозаряд—“дипольный слой”—“положительный экран”.
Согласно барьерной физической модели спад гомозаряда при отсутствии подвижного положительного заряда в образце происходит следующим образом: сначала электроны термически активируются с уровней захвата, а затем дрейфуют во внутреннем поле электрета через барьерный слой по всей толщине пленки. Время релаксации такого активационно–дрейфового процесса для тонких диэлектриков можно определить из выражения:
(1.5)
где L — толщина диэлектрической пленки, m — подвижность носителей участвующих в дрейфе, E — средняя напряженность поля в пленке, — энергия активации электрона с ловушки.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
