CC BY
43
А.М. Магеррамов, М.А. Нуриев, И.А. Велиев, С.И. Сафарова
КОРОНОЭЛЕКТРЕТЫ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИТОВ ПОЛИПРОПИЛЕНА, ДИСПЕРГИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ TLINXCE1-X SE2
Институт радиационных проблем НАН Азербайджана, ул. Ф. Агаев 9, AZ- 1143, г. Баку, Азербайджан, [email protected]
Электреты - материалы, способные надолго сохранять наэлектризованное состояние после снятия внешнего поляризующего напряжения. Эти материалы последнее время находят применение во многих областях техники. Электреты, являясь чувствительными элементами электроакустических преобразователей, воздушных фильтров и электрических преобразователей [1], нашли применение в медицине [2]. Электреты из полимерных пленок изучены вполне достаточно [3, 4]. В связи с этим представляет большой интерес создание электретных материалов на основе полимерных смесей и полимерных композитов, диспергированных различными неорганическими наполнителями, в том числе полупроводниковыми наполнителями [5-8].
В предлагаемой работе использованный полупроводниковый наполнитель TПnxCel-x Se2 обладает фото- и тензочувствительностю, а также переключающимися свойствами с памятью [9]. Композиты с полупроводниковыми наполнителями обладают также хорошими электретными свойствами [8]. Некоторые аспекты электрофизических свойства этих материалов рассмотрены в работе [10]. Однако мало изучены их физико-механические свойства и зарядовое состояние. Изучение этих вопросов послужило бы созданию новых электроактивных композитных материалов с управляемыми свойствами.
Цель данной работы - изучение зарядового состояния и особенностей межфазных явлений в гетерогенной системе полимер-полупроводник методом электретно-термического анализа (ЭЕА) композиций на основе изотактического 1111 с полупроводниковым наполнителем TПnxCel_xSe2 и их электретных свойств.
Экспериментальная часть
Образцы получены горячим прессованием из смеси порошков полимера и наполнителя TПnxCe1_xSe2 с дисперсностью й < 50 мкм. Смешение порошков полимера и наполнителя осуществлялось на лабораторной мельнице при комнатной температуре. Затем из этих смесей были получены образцы горячим прессованием между двумя А1 фольгами при давлении 107Па и температуре 473 К с последующей закалкой при 273 К. Толщина этих образцов составляет ~140±10(мкм).
Электретно-термический анализ произведен стандартным способом [4], при котором композиты помещаются между двумя закороченными через электрометрический вольтметр В7-42 электродами в обогреваемую измерительную ячейку. Запись спектров тока ТСД в диапазоне 293-523 К проводили при линейном росте температуры образца со скоростью Р~ 5 К/мин.
Результаты и их обсуждение
Электретное состояние исследованных композитов является результатом изменения зарядового состояния и поляризационных процессов, происходящих в приграничном с наполнителем межфазном слое полимерной матрицы. На рис. 1 представлена зависимость стабилизированного поверхностного заряда от содержания наполнителя как для композитов ПП/ TlInSe2 (1), так и для композитов 1111/ гШnxCe1_xSe2 (2).
Видно, что для обоих композитов между поверхностным зарядом и содержанием наполнителя зависимость имеет экстремальный характер, который является результатом экстремального изменения эффективной поверхности наполнителя с увеличением его содержания в полимерной матрице. На следующих двух рисунках представлены спектры токов ТСД исходного полипропилена (рис. 2, кривая 1), композитов ПП/ TlInSe2 (рис. 2, кривые 2, 3) и композита ПП/ Т1 1пхСе1_^е2 с различным содержанием наполнителя (рис. 3, кривые 1-3).
© Магеррамов А.М., Нуриев М.А., Велиев И.А., Сафарова С.И., Электронная обработка материалов, 2010, № 2, С. 92-95.
Из спектров тока ТСД для ПП/ Т1 1п 8е2 видно, что накопленный заряд для полипропилена имеет два максимума, которые расположены по разные стороны относительно температурной оси, что говорит о двух типах разнополярных зарядов, накопленных в различных ловушках.
а, 10 5 Кл/м2
0 2 4 б 8 10
Рис. 1. Зависимость стабилизированного поверхностного заряда а от содержания наполнителя Ф. 1 -ПП/ Т11п5в2, 2-ПП/ Т11п0, 98 Сео,02 Зв2
Рис. 2. Спектры токов ТСД исходного полипропилена и композита ПП/Т11п Бе2. 1-ПП, 2 -ПП/3% Т11п Бе2 ,3 -ПП/5% Т11п Бе2
Рис. 3. Спектры токов ТСД композита ПП/ Т11пх Се1-Х Бе2. 1-ПП/ 3% Т11пх Се1-Х Бе2 , 2 -ПП/ 5% Т1 1пх Се1-Х Бе2, 3 -ПП/10% Т11пх Се1-Х Бе2
Релаксация зарядов из поверхностных низкоэнергетических ловушек обусловливает относительно низкотемпературный максимум в спектре, а релаксация зарядов из глубоких объемных ловушек, связанная со степенью кристалличности полимера, приводит к появлению высокотемпературного максимума с противоположным знаком. Если судить о значении заряда по площади первого и второго максимумов, то видно, что отличие незначительное. Этого нельзя сказать для спектров ТСД композитов. Здесь невооруженным глазом видно, что площадь высокотемпературного максимума, который связан с накопленным зарядом в межфазной границе, значительно больше площади низкотемпературного. Следовательно, увеличение содержания наполнителя приводит к увеличению этой разницы, несмотря на понижение температуры максимума на 8-10 К относительно исходного полимера.
Сравнение спектров тока ТСД композита ПП/TПnxCel_xSe2 с представленными ранее спектрами для ПП/TlInSe2 подтверждает вышесказанное предположение. Видно, что незначительное изменение в структуре наполнителя приводит к существенным изменениям в спектре токов ТСД (рис. 3). Во-первых, в отличие от композита с TlInSe2 в композите ПП/TlInxCe1_xSe2 наблюдается два высокотемпературных максимума, которые с изменением содержания наполнителя смещаются в сторону низких температур. Думаем, что второй максимум идентичен высокотемпературному максимуму композита ПП/TlInSe2 . Появление первого максимума, по нашему мнению, связано с изменением состава наполнителя. Замена в составе наполнителя атомов индия частично атомами церия приводит к дополнительному дефектообразованию в структуре наполнителя и появлению новых центров захвата, которые отражаются в спектре токов ТСД композитов ПП/TlInxCe1_xSe2 . Как видно, высокотемпературные максимумы спектров ПП/TlInxCe1_xSe2 охватывают относительно широкий температурный интервал, что обусловлено высокой концентрацией и широкой энергетической дисперсией центров захвата. При этом низкотемпературный максимум с увеличением содержания наполнителя уменьшается и при 10% его содержании почти исчезает. Думаем, что все наблюдаемые процессы являются результатом электронно-ионных и поляризационных процессов, происходящих в приграничном слое полимерной матрицы и полупроводникового наполнителя. Высказанное предположение доказывает временную зависимость поверхностной плотности заряда электретов на основе композитов ПП/TlInSe2 (рис. 4,а) и ПП/TlInxCe1_xSe2 (рис. 4,в).
Рис. 4. Зависимость поверхностной плотности заряда электретов а от времени хранения ^ а -ППи ПП/ТипБе2; б -ПП/ТИпхСе1^2; 1 - 3%, 2 -5%, 3 -10%, 4 -исходный ПП
Из этих кривых видно, что оба композита при 3% и 5% содержании наполнителя имеют относительно стабильную характеристику по сравнению с исходным полимером. Но если сравнить результаты по стабилизированному значению, то будет видно, что композиты с наполнителем TlInxCei-xSe2 имеют относительно высокое значение заряда по сравнению с композитами с TlInSe2, что и подтверждает полученные результаты по электретно - термическому анализу.
В заключение можем сказать, что, как показывают исследования, наполнители TlInSe2 или TlInxCei-xSe2, имеющие проводимость р-типа, в полипропиленовой матрице выступают в роли струк-турообразователя, изменяя кристалличность и надмолекулярную структуру полимера и приграничного слоя полимера с наполнителем. Изменения зарядового состояния полимерных композитов nn/TlInxCe1-xSe2 обусловлены изменением эффективной поверхности межфазной границы полимера с наполнителем, что и приводит к увеличению концентрации уровней захвата заряда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Goel M. Electret sensors, filters and MEMS devices: New challenges in materials research. Current Science, 2003, v.85, No 4, p. 443-453.
2. Регистрационное удостоверение № ФС 01011993/3169-06 от 04.04.2006 Федеральной службы по надзору в сфере здравоохранения и социального развития. Изд. мед. назначения, код ОКП 939890. Пленка (аппликатор) электретная полимерная лечебная «ПОЛИМЕДЭЛ».
3. Электреты. / Под ред. Г. Сеслера, М.: Мир, 1983. 487 с.
4. Лущейкин Г.А. Полимерные электреты. М.: Химия, 1984. 184с.
5. Галиханов М.Ф., Музибуллин М.Н., Дебердеев Р.Я. Изучение короноэлектретов на основе смесей полиэтилена с поливинилхлоридом // Пластические массы. № 3. 2005. С. 8-10.
6. ГалихановМ.Ф., Еремеев Д.А., Дебердеев Р.Я. Влияние сажи на электретный эффект в полистроле. Пластические массы. 2003. № 10. С. 46-48.
7. Магеррамов А.М. Структурное и радиационное модифицирование электретных, пьезоэлектрических свойств полимерных композитов. Баку: Элм, 2001. 327с.
8. Годжаев Э.М., Магеррамов А.М., Османова С. С., Нуриев М.А., Аллахяров Э.А. Зарядовое состояние композиций на основе полиэтилена с полупроводниковым наполнителем TeInSe2 // Электронная обработка материалов. 2007. № 2. С. 84-88.
9. Годжаев Э.М., Рагимов Р.С., Рустамов В.Д. Оптические переключатели на основе монокристаллов TlInSe2// Матер. ХУШ Межд .научно-техн. конф. по фотоэлектронике и приборам ночного видения. М, 25-28 мая 2004. С. 110-111.
10. Годжаев Э.М., Магеррамов А.М., Нуриев М.А., Сафарова С.И. Диэлектрические свойства полимерных композитов с полупроводниковым наполнителем TlInSe2 // Электронная обработка материалов. 2008. № 6. С. 66-70.
Поступила 11.12.09
Summary
Electret properties of compositions of a semiconductor with semiconductor fillers TlInSe2 and TlInxCe1-x Se2 in a heterogeneous system polymer-semiconductor have been investigated by the method of electret-thermal analysis. It is shown that small change in the structure of the filler results in significant changes in the spectrum of the thermostimulated depolarization currents. It was found that TlInSe2 and TlInxCe1-x Se2 fillers which have p-type conductivity acts as a structure-forming agent in the polypropylene matrix changing crystallinity and supermolecular structure of both polymer and boundary layer of polymer and the filler.
