1.2.3.Методы изотермического осаждения зарядов.
В основе этих методов лежит перенос заряда, сопровождающий электрический разряд в воздушном зазоре. Поскольку нагрев образца в этих случаях не производится, образование гетерозаряда в следствии диэлектрического поглощения в общем не происходит. В последнее время методы осаждения зарядов приобрели большое значение из-за той легкости и скорости, с какой они позволяют электризовать пленки полимеров при сохранении высокой степени поляризации.
Наиболее широко используется метод коронного разряда, который возникает в неоднородном магнитном поле уже при нормальном атмосферном давлении. Для создания такого поля над диэлектриком, нижняя поверхность которого покрыта плоским электродом, на некотором расстоянии от него (или непосредственно на нем) помещают верхний электрод в форме иглы или ножа. При напряжениях между электродами, превышающими некоторое пороговое значение происходит, протекание тока.
Если на верхний электрод подать отрицательное напряжение, как это делают при электретировании тефлона, то по направлению к диэлектрику текут отрицательные носители заряда. В воздухе при нормальном атмосферном давлении такими носителями в первую очередь являются ионы СО3 с энергиями близкими к средне тепловой. Из-за малой величины этой энергии ионы осаждаются в поверхностном слое и не проникают внутрь материала. Возможно, что они передают свой заряд поверхностным ловушкам и возвращаются обратно в воздух. Эффективность проникновения заряда в объем зависит от полярности и плотности зарядов, а также от свойств поверхности.
Аппаратура для электризации с помощью коронного разряда открывает широкие возможности для управления и контроля за процессом электризации. Обычно установка состоит из электрода в виде острия иглы, потенциал которого относительно иглы порядка нескольких киловольт, и проволочной сетки с потенциалом несколько сотен вольт. Сетка служит для управления током в образце, имеющим первоначально колоколообразное распределение, “затененное” проволочками сетки. Однако, получающиеся, в конце концов, распределение осажденных зарядов, в конечном счете, однородным, если электризацию довести до такого состояния, когда потенциал всей поверхности образца достигает состояния насыщения. При этом он сравнивается с потенциалом сетки. Если конструкция допускает контроль потенциала поверхности образца и тока в нижний электрод, то удается проследить за эквивалентной поверхностной плотностью заряда и током проводимости через образец в течение всего процесса электризации.
Для непрерывной электризации длинных полос пленки используют следующую разновидность этого метода. Полоса диэлектрика двигается от падающей катушки, проходит область, где происходит коронный разряд, минует участок, где измеряется осажденный заряд, и наматывается на приемную катушку. В установке используется электрод в виде иглы или ножа.
Преимуществами короной электризации являются простота аппаратуры и довольно высокая скорость процесса. Устройства, не оборудованные сеткой, имеют тот недостаток, что распределение заряда имеет большую неоднородность в поперечном направлении. Кроме того , необратимое понижение температуры, соответствующее пиковому значению тока при его термической стимуляции в режиме короткого замыкания, указывает на худшую стабильность запасенного заряда при определенных условиях, Тем не менее преимущества этого метода сделали его весьма популярным в широко масштабном производстве пленочных электретов для электретных микрофонов. Широкое распостранение это получило также в ксерографии.
Для изотермической электризации диэлектрических пленок возможно применение также методов искрового разряда. Для получения удовлетворительных плотностей заряда без нарушения участков пленки возникающими дуговыми разрядами используется толстая диэлектрическая прокладка между пленкой и электродом. Более низкое сопротивление материала вставки придает ей роль защитного добавочного сопротивления.
При подключении к источнику напряжения такой конструкции с сэндвичем перенос заряда осуществляется постепенно через воздушные микроскопические зазоры между диэлектрической прокладкой и пленкой, в которой возникаю уже контролируемые электрические разряды. Здесь, как и при коронном разряде, осажденный заряд переносится ионными образованьями. Помимо защиты от разрушительного действия возникающих дуговых разрядов через пленку диэлектрическая прокладка позволяет также вынимать пленочный электрета без потерь из-за пробоев в воздушном зазоре.
К достоинствам метода можно отнести высокую стабильность и равномерность заряда, а к недостаткам малую его величину и необходимость подбора диэлектрической прокладки при изменение режимов электретирования.
1.2.4.Электризация с использованием жидкостного контакта.
В этом методе электризации используют контакт между электродом и диэлектриком, причем для достижения большой плотности соприкосновения его с поверхностью электрета в зазор вводят небольшое количество жидкости. Не металлизированная сторона диэлектрика, например полимерной пленки с метализированой нижней поверхностью, находится в контакте с влажным электродом так, что между ними остается небольшой слой жидкости. В качестве жидкостей используются чаще всего вода или этиловый спирт. При подаче напряжения между электродом и нижней метализированой поверхностью на обеих границах раздела жидкость - твердое тело образуются двойные заряженные слои. Перенос заряда на полимерную пленку обеспечивается силами электростатического и молекулярного взаимодействия. В нижний электрод притекает компенсирующий заряд , равный осажденному по величине заряда и противоположный по знаку. Путем перемещения электрода вдоль поверхности электрета удается наэлектризовать должным образом большие площади его поверхности. Что бы не допустить потери зарядов на поверхности электретов, заряжающий электрод перед снятием напряжения следует отнести от нее (или испарить жидкость). Кроме того при использовании в этом методе жидкости, не смачивающей поверхности пленки электрета, можно обеспечить запись потенциального рельефа с высоким разрешением, что важно для контроля за изготовлением электрета, так и для изучения процессов электретирования.
Жидкостно-контактный метод позволяет также изготовить моно заряженный электрет, обладающий лишь зарядами одного знака. Этого можно достичь, помещая между двумя электродами неметализированный диэлектрик так, чтобы оставалось два воздушных зазора, и затем заполняя их жидкостью. Тогда, если при испарении жидкости напряжение на электродах поддерживать неизменным, на одну из сторон диэлектрика через жидкость будут поступать заряды одного знака, и оставаться в нем. Компенсационный заряд останется на втором электроде.
Преимущество жидкостно-контактного метода служат его простота, возможность управления начальной плотностью заряда с помощью приложенного напряжения и однородность распределения зарядов в поперечных направлениях.
1.2.5.Метод электризации частично проникающими пучками электронов и ионов.
История применения методов инжекции моноэнергетических пучков частиц с глубиной проникновения в образец, меньшей его толщины, датируется временами 50 летней давности. Совершенствование этих методов в последние годы привело к тому, что они превратились в чрезвычайно многосторонний и гибкий в управлении инструмент электризации диэлектриков. В большинстве методов используются моноэнергетические электроны, которым при той же глубине проникновения требуется гораздо меньше по сравнению с ионами энергия (и как следствие гораздо большие разрушения материала), поэтому рассмотрим электризацию ионными пучками, как наиболее широко применяемую.
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
