Реферат: Получение тонкопленочных электретов на основе фторопласта - 4 и изготовление приборов на их основе
Если рассмотреть зависимость практического пробега электронов от энергии в ряде диэлектриков, используемых для производства диэлектриков, становится, очевидно, что пучки с энергиями 0.5 - 1 МэВ, которые можно использовать при нормальных атмосферных условиях, оказываются пригодными для электризации образцов толщиной 0.1 см и более. Для более тонких образцов энергию электронов можно понизить, при этом инжекция может производится только в вакууме.
Физическая картина процесса электризации образца, нижняя сторона которого, то есть сторона, которого не обращена к пучку, металлизирована и заземлена, и сводится к следующему; ударяясь о поверхность образца. Электроны выбивают по несколько вторичных электронов, приводя к образованию в близи поверхности положительно заряженного слоя. Выход эмиссии вторичных электронов, определяемый отношением числа инжектированных электронов к числу первичных, зависит от энергии электронов и свойств поверхности. Проникая в глубь диэлектрика, электроны генерируют пары вторичных носителей, с относительно небольшой энергией, так что последние быстро захватываются. Присутствие вторичных электронов обуславливает проводимость, которая оказывается, таким образом, индуцированной облучением (радиационная проводимость). Она на несколько порядков превышает собственную проводимость материала. Вследствие столкновения первичные электроны замедляются и, в конце концов, захватываются, что приводит к начальному распределению отрицательного заряда, простирающегося на среднюю глубину, составляющую 2/3 от практического пробега, В зависимости от направления поля возможны также дополнительные движения зарядов. В образце, металлизированном лишь с одной стороны, сила со стороны поля направлена к электроду (имеется, правда небольшое притяжение к положительно заряженному слою), таким образом, большинство электронов проникает дальше средней глубины в область образца, где радиационная проводимость все еще достаточно высока и позволяет электронам двигаться вперед, а дыркам назад. Этот процесс завершается в течение нескольких минут после процесса облучения.
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.