Способ определения электретных свойств слюды

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля состояния материала. Способ определения электретных свойств слюды, заключающийся в том, что для исследуемого материала образец термостатируют при температуре, не превышающей температуру плавления, к образцу прикладывают электрическое поле и производят поляризацию в течение времени, большего времени релаксации при данной температуре, после этого, не отключая электрического поля, производят охлаждение до температуры, при которой термоактивационные процессы в материале практически прекращаются, затем поле отключают и осуществляют линейный нагрев образца до температуры выше температуры поляризации и измеряют термостимулированные токи деполяризации (ТСТД) образцов. При этом исследуют только последний высокотемпературный максимум, обусловленный образованием объемного заряда, определяют форму правой части этого максимума и, если после переворачивания образца и повторного снятия спектра ТСТД правая часть максимума изменяет свою форму, то есть поднимается вверх, что обусловлено наложением электретного тока термодеполяризации, то можно утверждать, что данный материал является электретом. Изобретение может обеспечить контроль качества электретов как в рабочих условиях, так и в технологическом процессе их изготовления, а также при разработке сверхтонких изоляционных материалов и нанопленок для микросхем и других электрических устройств, использующих электреты. 3 ил.

 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля свойств твердых тел и электроизоляционных материалов и может использоваться для физико-химического анализа электретных пленок.

Известен «Способ определения вида дефектов, их количества, энергии активации, времени релаксации, активационных объемов дефектов кристаллической решетки диэлектриков и полупроводников и устройство для его реализации» / В.И.Булах, В.А.Миронов, М.П.Тонконогов. Авт. св. СССР №737822, кл. МКИ 4, G01N 27/24. Опубл. 1980, Бюл. №20.), заключающийся в измерении тока термостимулированной деполяризации (ТСТД) в свободном и сжатом состоянии материала.

Однако этот способ применяется для сжатого состояния, что искажает результаты измерений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является «Способ определения упрочнения электроизоляционных материалов» (RU 2313083 C1, G01N 27/00 (2006.01, автор Тимохин В.М. Опубл. 20.12.2007, Бюл. №35)), заключающийся в том, что образец термостатируют при температуре, не превышающей температуру плавления, к образцу прикладывают электрическое поле и производят поляризацию в течение времени, большего времени релаксации при данной температуре, после этого, не отключая электрического поля, производят охлаждение до температуры, при которой термоактивационные процессы в материале практически прекращаются, затем поле отключают и осуществляют линейный нагрев образца до температуры выше температуры поляризации, измеряют термостимулированные токи деполяризации (ТСТД) образцов различной толщины и температуры прокаливания, что выражается в изменении плотности ТСТД седьмого максимума, и по разнице плотностей ТСТД этого максимума, обусловленного образованием объемного заряда, у образцов различной толщины, взятых при одинаковой температуре прокаливания, определяют величину упрочнения данного материала.

Однако этот способ не предусматривает возможность определения электретных свойств материала, так как не учитывает токи термодеполяризации.

Целью изобретения является определение электретных свойств материалов на примере слюды. Техническим результатом, достигаемым в данном изобретении, является определение электретных свойств слюды флогопита.

Технический результат при осуществлении изобретения заключается в том, что в способе определения электретных свойств слюды флогопита снимают спектр ТСТД и по форме последнего максимума определяют, является данный материал электретом или нет.

Для достижения указанного технического результата в способе определения электретных свойств слюды, заключающемся в том, что для исследуемого материала образец термостатируют при температуре, не превышающей температуру плавления, к образцу прикладывают электрическое поле и производят поляризацию в течение времени, большего времени релаксации при данной температуре, после этого, не отключая электрического поля, производится охлаждение до температуры, при которой термоактивационные процессы в материале практически прекращаются, затем поле отключают и осуществляют линейный нагрев образца до температуры выше температуры поляризации, измеряют термостимулированные токи деполяризации (ТСТД) образцов, отличающемся тем, что исследуют только последний высокотемпературный максимум, обусловленный образованием объемного заряда, определяют форму правой части этого максимума и, если после переворачивания образца и повторного снятия спектра ТСТД правая часть максимума изменяет свою форму, то есть поднимается вверх, что обусловлено наложением электретного тока термодеполяризации, то можно утверждать, что данный материал является электретом.

Термостатирование образца при температуре, не превышающей температуру плавления, обеспечивает равномерный прогрев материала по всему объему.

Осуществление линейного нагрева до температуры выше температуры поляризации позволяет получить спектр ТСТД.

Прикладывание к образцу электрического поля приводит к ориентации диполей и поляризации образца.

Осуществление поляризации в течение времени, большем времени релаксации при данной температуре (в наших опытах 10-15 мин), и охлаждение до температуры, при которой прекращаются термоактивационные процессы, без отключения электрического поля исключает рассасывание заряда и обеспечивает полную поляризацию исследуемого материала.

Для пояснения способа рассмотрим результаты исследования зависимости плотности последнего максимума ТСТД от вида материала. Исследовались два вида слюды: мусковит и флогопит.

Фиг.1. Спектр ТСТД слюды флогопита: 1 - без прокаливания, 2 - Т_пр=873К, 3 - Т_пр=1073К, 4 - Т_пр=1373К, 5⁺ - спектр плотности ТТДП, 1⁺ и 2⁺ - спектры ТСТД при совпадении по полярности со спектром ТТДП, 1^-, 2^- - то же при обратной полярности образца. Т_пр - температура прокаливания.

Фиг.2. Спектр плотности ТТДП флогопита: 1 - первый спектр после поляризации при Т_пр=873К; 2⁺ и 2^- - то же через 15 суток для обеих полярностей образца; 3^- - то же через 16 суток; 4^- - то же при Т_пр=1073К. Знак около цифры показывает полярность образца.

Фиг.3. Спектр плотности ТСТД слюды мусковита в зависимости от Е_п, при Т_п=300К, t_п=15 мин: 1 - Е_п=2·10⁵ В/м, 2 - Е_п=5·10⁵ В/м, 3 - Е_п=10⁶ В/м, 4 - E_п=5·10⁶ В/м.

Способ осуществляется следующим образом. На образец материала с двух сторон методом напыления в вакууме на установке ВУП-5 наносятся металлические электроды. Возможно также использование клеевых электродов на основе лака АК-113 и мелкодисперсного порошка никеля. Образец помещается между электродами устройства и термостатируется при температуре поляризации Т_п=300К с точностью ±0,5 К. Затем к образцу прикладывается электрическое поле напряженностью E_п=10⁶ B/м, и производится поляризация в течение времени t_n=15 мин, большем времени релаксации при данной температуре. После этого, не отключая электрического поля, производится охлаждение до температуры жидкого азота Т₀=77 К, при которой термоактивационные процессы в материале практически прекращаются. Затем поле отключается и осуществляется линейный нагрев образца до температуры выше температуры поляризации (в наших экспериментах до Т=400К). При наличии полярных дефектов в материале они проявятся в виде максимумов на спектре термостимулированных токов деполяризации (ТСТД), что после анализа правой ветви последнего максимума, обусловленного образованием объемного заряда, позволяет судить о наличии электретных свойств у данного материала, а именно, если правая часть максимума поднимается вверх после переворачивания образца, это значит, что на термостимулированный ток накладывается ток термодеполяризации, то есть электретный ток.

Рассмотрим это на примере слюды флогопита.

Сначала снимается спектр плотности ТСТД (Фиг.1, кривые 1^-, 2^-, 3, 4). Здесь для полноты картины сняты спектры образцов как природных, так и прокаленных при различных температурах. Затем образец переворачивается, то есть его полярность меняется. Снова снимается спектр ТСТД. Для образца без предварительного прокаливания или для образца, прокаленного при низкой температуре Т_пр=873К, правая часть максимума изменяет направление и поднимается вверх, в то время как все остальные максимумы повторяются без изменения. Это свидетельствует о том, что на ток ТСД (термостимулированной деполяризации) накладывается электретный ток, так называемый ток термодеполяризации (Фиг.1, кривая 5⁺). Для образцов, прокаленных при более высокой температуре (Фиг.1, кривые 3 и 4), этого не наблюдается, так как при высоких температурах электрет теряет свои свойства.

Ток термодеполяризации (ТТДП) снимается без предварительной поляризации, то есть без приложения электрического поляризующего поля. Образец без поля охлаждается до 77К, после чего подключается измерительный прибор (в данном случае вольтметр - электрометр В7-29 или В7-30), и при постоянной скорости нагревания, такой же как и при снятии ТСТД, снимается спектр ТТДП (Фиг.2). Ток ТДП был снят для природного флогопита. Из Фиг.2 ясно видно изменение полярности тока ТДП при изменении полярности образца, например кривые 2⁺ и 2^-, имеющие симметричное положение, но соответствующие разной полярности образца.

Аналогичные измерения были проведены для слюды мусковита, который, как известно, не является электретом (Фиг.3). У этого материала такого эффекта не было обнаружено.

Из пластинок флогопита при Т_п=473 К, Е_п=10⁷ В/м, t_n=1 час, удалось изготовить термоэлектрет, в котором при комнатной температуре плотность электретного тока

j=2·10^-7 А/м² сохранялась до шести месяцев. Разрушение электретного состояния сопровождается появлением тока ТДП, имеющего по числу монорелаксационных процессов 7 максимумов обеих полярностей (Фиг.2, кривые 2^-, 2⁺). Такого рода соответствие характерно для электретов, что отмечалось и другими исследователями [Губкин А.Н., Новак М.М., Голова В.А., Телкова И.В. Электретный эффект в стеатитовой керамике. В сб.: Электретный эффект и электрическая релаксация. - М.: МИЭМ, 1979. - С.113-121]. В результате инверсии знака тока для блокирующих электродов появляется отрицательный максимум, соответствующий разрушению гомозаряда.

Наличие положительных максимумов свидетельствует о существовании гетерозаряда, образованного за счет ориентации диполей и смещения протонов по водородным связям. Наблюдаемый в кристаллах флогопита гомозаряд, определяющий отрицательные максимумы тока ТДП (см.Фиг.2), может образовываться за счет инжектирования ионов или электронов из металлического электрода в кристалл. Со временем возможен переход гетерозаряда в гомозаряд вследствие нейтрализации смещенных к электродам ионов ионами проводимости. При этом часть гетерозаряда исчезает, и число внедрившихся ионов, противоположных по знаку смещенным ионам, может превысить число связанных диполей.

Наши измерения подтверждают существование такого процесса. При повторном измерении тока ТДП через 15 суток часть гетерозаряда нейтрализуется, и остается только максимум при Т=325 К (Фиг.2, кривые 1^-, 2^- и 2⁺). Следующее измерение через сутки при обратной полярности образца выявило уширенный отрицательный максимум, который затем стабилизировался (кривые 2⁺, 3⁺). После проведения ряда измерений удалось выделить каждый максимум. Как видно из Фиг.1, электретный ток дает вклад только в правую половину максимума 7. Если токи ТСД и ТДП одной полярности, то правая часть максимума идет вверх (кривые 1⁺, 2⁺, 5⁺), если образцы обратной полярности, то максимум 7 спадает (кривые 1^-, 2^- на Фиг.1 и кривая 2^- на Фиг.2). Оценка заряда и концентрации дефектов для максимума 7 ТСТД дает q=3·10^-7 Кл, n=(1-2)·10²⁰ 1/м³. При высоких температурах прокаливания (T_пр) образцов заряды рассасываются, в результате чего электретное состояние практически исчезает (Фиг.2, кривая 4^-).

Таким образом, очевидно, что в кристаллах флогопита формируется электретное состояние: имеет место длительное сохранение заряда при достаточно малом времени максвелловой релаксации; наблюдается обращение гетерозаряда в гомозаряд; существует «внутренняя» и «внешняя» остаточная поляризация, которой отвечают два различных направления тока ТДП; имеет место объемное распределение гетеро- и гомозарядов.

Электреты используются для измерения звуковых и ультразвуковых вибраций, числа оборотов в тахометрах и др.

Форсунка, изготовленная без электрета, дает 3-5% заряженных капель. Электретная форсунка дает в 10-15 раз больше заряженных капель в факеле.

Заряженные капли воды, распыленные такой форсункой, активно захватывают пыль из воздуха, что используется для очистки воздуха в шахтах, на судах-сухогрузах, перевозящих сухой рассыпчатый груз, в помещениях, где работает точная электроника.

Предлагаемый способ может применяться при разработке и контроле качества электретов из сверхтонких материалов и пленок для микросхем и других электрических устройств.

Способ определения электретных свойств слюды, заключающийся в том, что для исследуемого материала образец термостатируют при температуре, не превышающей температуру плавления, к образцу прикладывают электрическое поле и производят поляризацию в течение времени, большего времени релаксации при данной температуре, после этого, не отключая электрического поля, производят охлаждение до температуры, при которой термоактивационные процессы в материале практически прекращаются, затем поле отключают и осуществляют линейный нагрев образца до температуры выше температуры поляризации, измеряют термостимулированные токи деполяризации (ТСТД) образцов, отличающийся тем, что исследуют только последний высокотемпературный максимум, обусловленный образованием объемного заряда, определяют форму правой части этого максимума и, если после переворачивания образца и повторного снятия спектра ТСТД правая часть максимума изменяет свою форму, то есть поднимается вверх, что обусловлено наложением электретного тока термодеполяризации, то можно утверждать, что данный материал является электретом.