Получение тонкопленочных электретов на основе фторопласта - 4 и изготовление приборов на их основе (стр. 4 из 13)

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.