Электрет

Лекция 21

Электретом называется диэлектрик, длительное время сохраняющий электризованное состояние после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию. Термин «электрет» был впервые предложен в 1892 г. английским физиком О.Хевисайдом для обозначения веществ, являющихся электрическим аналогом постоянных магнитов. Первые электреты на основе воска и канифоли были получены японским исследователем М.Егучи в 1919 г. Однако широкое практическое применение электреты получили с конца 1960-х гг. после открытия электретного эффекта в тонких пленках на основе органических полимеров.

Существует несколько способов получения электретов. Можно нагреть диэлектрик до некоторой температуры, а затем охладить его в постоянном электрическом поле, т.е. «заморозить» поляризованное состояние. Изготовляемые таким способом электреты называют термоэлектретами. Если электризуемые вещества обладают фотопроводимостью, то для формирования электретного состояния можно использовать световой поток. Получаемые при этом фотоэлектреты относительно стабильны в темноте, но быстро разряжаются при освещении. Фотоэлектретный эффект наблюдали в образцах серы, сульфидов цинка и кадмия, антрацена и в других веществах.

Электризация диэлектрика может быть осуществлена и без его нагревания или освещения, под действием только электрического поля. При этом напряженность поля задают настолько большой, что над поверхностью диэлектрика возникает газовый разряд, поскольку электрическая прочность газа ниже, чем у твердого диэлектрика.

Электроны и ионы из плазмы газового разряда бомбардируют поверхность диэлектрика, создают в нем структурные дефекты й образуют поверхностный заряд. Электризация диэлектрика облегчается при пониженном давлении газа в коронном разряде. Такие электреты называются короноэлектретами. Для коронирования используют электрод в виде иглы или ножа, а сам диэлектрик размещают на плоском заземленном электроде, как показано на рис.1 Коронная электризация отличается простотой аппаратуры и высокой скоростью протекания процесса. Этот метод наиболее широко применяют для электризации полимерных пленок.

Рис.1 Схема получения электрета в коронном разряде

Электретное состояние может быть сформировано и без участия внешнего электрического поля, путем механических воздействий или с помощью трибоэлектрического эффекта. Последний возникает при трении двух различных диэлектриков. Именно таким способом примерно 300 лет тому назад обнаружили существование электрических зарядов.

В зависимости от вида электризации получают электреты с зарядами одного или обоих знаков. В результате электризации появляются локальные макроскопические нарушения электрической нейтральности исходного материала. При этом, если по всему объему диэлектрика наблюдается избыток заряда только одного знака, то такой образец называют моноэлектретом. Его можно получить, например, с помощью трибоэффекта или при облучении заряженными частицами высокой энергии. На практике чаще имеют дело с биполярными электретами, у которых противоположные поверхности обладают разноименными по знаку зарядами.

Основными измеряемыми параметрами электретов являются электретная разность потенциалов U3 и эффективная поверхностная плотность заряда . Последняя соответствует такой плотности заряда на поверхности диэлектрика, которая создает U3э того же значения, что и реальные заряды, распределенные в объеме электрета. Электретная разность потенциалов может быть представлена в виде

где Ei — напряженность внутреннего электрического поля; L —-толщина электрета.

Многочисленные экспериментальные факты свидетельствуют о том, что на каждой стороне биполярного электрета присутствуют заряды двух типов, называемые гомо-и гетерозарядами. В первом случае знак заряда совпадает с полярностью прилегающего

Рис. 2 Формирование гомо и гетерозарядов в биполярном электрете 92

электрода, а во втором — противоположен ей (рис. 2). Механизм образования гомо- и гетерозарядов существенно различен. Гомозаряд формируется в результате инжекции носителей заряда с электродов или их адсорбции из разрядного промежутка. Перешедшие в диэлектрик заряды локализуются затем на глубоких ловушках и, как правило, определяют долговременную стабильность электретного эффекта. Гетерозаряд возникает за счет процессов релаксационной поляризации, т.е. в результате поворота диполей или смещения ионов внутри диэлектрика.

Поскольку поверхностные плотности гомо- и гетерозарядов (соответственно гм и 1Т) имеют различные знаки, экспериментально измеряемая плотность поверхностного заряда электрета равна разности этих величин:

Преобладание того или иного заряда на поверхности зависит от природы диэлектрика и условий его электризации.

Установлено, что распределение гетерозаряда имеет объемный характер, а гомозаряд обычно локализуется в тонких приповерхностных слоях, толщина которых не превышает нескольких микрометров и уменьшается с понижением температуры электризации и напряженности электризующего поля Еэл.

При правильном выборе метода электризации электретное состояние может быть сформировано практически в любом диэлектрике с достаточно высоким удельным сопротивлением (не менее 108 Омм). Поэтому не удивительно, что электретный эффект удавалось наблюдать как в органических, так и неорганических материалах, полярных и неполярных диэлектриках, в кристаллических и аморфных веществах, в керамике и стеклах, в объемных и пленочных образцах. Строгую классификацию диэлектриков по их способности образовывать электретное состояние произвести достаточно сложно.

В качестве примера неорганических электретных материалов можно назвать тикондовую керамику (на основе MgTi03, SrTi03, СаTiO3, ВаТiO3и др.). Однако наиболее широкое применение в электретных устройствах находят полимерные пленки. Подходящими материалами для. этой цели оказываются такие полимеры, как политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинил фторид, поливинилиденфторид и др.

С течением времени заряд электретов изменяется обычно более быстро в первые часы после окончания электризации и отноcительно медленно в последующий период. Постепенная деградация электретного состояния обусловлена освобождением заряженных частиц, захваченных ловушками, разрушением остаточной поляризации, а также нейтрализацией объемных зарядов за счет некоторой электропроводности диэлектрика. Для большинства электретов релаксация заряда может быть охарактеризована одной из трех зависимостей, представленных на рис. 8.47.

Если при электризации полярных органических диэлектриков напряженность электрического поля Еэл менее 5 МВ/м, то в большинстве случаев результирующий эффект по знаку соответствует гетерозаряду, который монотонно спадает со временем, как показано на рис. 8.47, а, В полях с напряженностью поля более 10 МВ/м становятся возможными пробои в воздушном зазоре, а также инжекция с прилегающих металлических электродов. Результатом этих процессов является образование устойчивого гомозаряда в приповерхностных слоях электрета (рис. 8.47, б), слабо изменяющегося при хранении и эксплуатации диэлектрика. Возможен и промежуточный вариант (рис. 8.47, в), когда сразу после электризации материала преобладает гетерозаряд, но спустя некоторое время происходит частичное разупорядочение диполей, сопровождающееся инверсией знака измеряемой поверхностной плотности заряда, т.е. начальный гетерозаряд трансформируется в стабильный гомозаряд.

Рассмотренные закономерности позволяют заключить, что стабильная составляющая электретного состояния обусловлена гоморозарядом. Последний вызывает поляризацию диэлектрика и поэтому с гомозарядом всегда связан некоторый гетерозаряд. Поверхностная плотность стабилизированного заряда, наблюдаемая у различных электретов, обычно составляет 10-6... 10-4 Кл/м2. Стабильность заряда у большинства электретов повышается при их нагревании в процессе электризации. Влияние подогрева связывают с генерацией дополнительных структурных дефектов, служащих глубокими ловушками, на которые захватываются носители заряда. На рис. 8.48 в качестве примера приведены данные по внутренней

Рис. 3 Возможные варианты длительной релаксации электретного заряда:

а — после электризации в слабых полях (гетерозаряд); б— после электризации в сильных полях (гомозаряд); в — инверсия знака поверхностной плотности заряда

Время,сут

Рис. 4 Экспериментальные данные по внутренней релаксации гомоза-

ряда в пленочных электретах в нормальных условиях:

1 — политетрафторэтилен, h= 50 мкм; 2 — поликарбонат, h = 25 мкм;

3—полипропилен, h=20 мкм; 4—полиэтилентерефталат,h=25мкм

релаксации гомозаряда в пленочных электретах, протекающей в нормальных условиях, для ряда полимерных пленок, электризованных при нагревании. Отчетливо видно, что наиболее высокой стабильностью заряда обладают пленки из политетрафторэтиленах (ПТФЭ). Эти же пленки оказываются наиболее стабильными и в условиях повышенной влажности.

Период времени, в течение которого поверхностная плотность заряда уменьшается в е раз, принимают за время жизни электрета. Расчетное время жизни для электретов из ПТФЭ составляет не менее 200 лет. Для других диэлектриков оно может составлять от нескольких месяцев до десятков лет и зависит не только от свойств материала, но и от условий хранения электрета. Время жизни т быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. Температурное изменение т подчиняется закону Аррениуса:

где Эi— энергетическая глубина ловушек, определяющая стабильность гомозаряда. Для пленок ПТФЭ и его сополимеров эксперименты дают значение Эi -1,9 эВ.

Релаксация электретного состояния может происходить и вследствие адсорбции ионов поверхностью диэлектрика из окружающей атмосферы. Однако если атмосферный объем, в котором хранится электрет, достаточно мал, процессами внешней релаксации практически можно пренебречь. Например, полагая, что все ионы, образующиеся в нормальных условиях в 1 см3 воздуха, осаждаются на участке поверхности электрета площадью 1 см2, легко рассчитать время, необходимое для полной компенсации электретного заряда. При начальной поверхностной плотности = 10-4 Кл/м2 это время составит около 200 лет.

Обычно электреты имеют вид плоской пластинки или тонкой пленки, одна из сторон которой часто бывает металлизирована. Следует заметить, что очень тонкая пластинка (когда ее толщина d —> 0) с разноименными зарядами одинаковой поверхностной плотности на противоположных сторонах не создает внешнего электрического поля (если не принимать во внимание краевой эффект).

Однако если плоский электрет поместить между двумя закороченными электродами, как показано на рис. 8.49, то благодаря заряду, индуцируемому на электродах, в воздушном зазоре высотой h возникнет напряженность поля Ее, определяемая выражением

где d — толщина электрета; — диэлектрическая проницаемость материала.

Из формулы следует, что при h —>внешняя напряженность поля Ее —> 0.

У воздуха в нормальных условиях электрическая прочность близка к 3,3 МВ/м. При напряженности поля в зазоре Ее > 3,3 МВ/м в воздухе происходит разряд и на поверхность диэлектрика осаждаются заряды, уменьшающие значения а и Ее. Отсюда следует, что предельная плотность поверхностного заряда, соответствующая h —> 0, составит, Кл/м2

В вакууме электрическая прочность возрастает, поэтому поверхностная плотность заряда может быть больше.

Если изменяется зазор h между электретом и электродом, то будет изменяться заряд, индуцируемый на электродах аинд. При периодическом изменении зазора А, вызванном, например, колебаниями звукового давления, действующего на металлическую мембрану, во внешней цепи между электродами возникает переменный электрический ток, частота которого равна частоте механических воздействий:

где S — площадь металлического электрода.

На этом принципе работают электретные микрофоны, которые не требуют дополнительных источников питания.

Наиболее широко применяются пленочные микрофоны, в которых тонкая электретная пленка из полимера одновременно является источником электрического поля и мембраной.

Рис. 5 Электрет в плоском конденсаторе

Предварительно на внешнюю поверхность пленки наносится слой металла толщиной 50... 100 нм. Неметаллизированную поверхность электретной пленки обращают в сторону металлической пластины, которая служит основанием микрофона и вторым электродом.

Мембраны чаще всего изготовляют из пленок политетрафторэтилена или полиэтилентерефталата толщиной от 5 до 20 мкм. Достоинствами электретных микрофонов являются равномерность чувствительности во всем звуковом диапазоне колебаний, низкий уровень нелинейных искажений, помехоустойчивость к внешним магнитным полям, а также низкая вибрационная чувствительность.

Возможности электретов как электромеханических преобразователей используются при конструировании телефонов, громкоговорителей, слуховых аппаратов, датчиков давления, вибраций и деформаций, тахометров и гидрофонов, маломощных реле. Принцип формирования электрического импульса при смещении электрода в постоянном электрическом поле положен в основу работы различных устройств клавишного ввода информации (клавиатура компьютеров, телефонов, телеграфных аппаратов и др.).

На основе электретов создают электростатические линзы для фокусировки электронного пучка, а также высокоэффективные газовые фильтры, позволяющие удалять из загрязненного воздуха частицы субмикронных размеров. Активным элементом таких фильтров являются тонкие волокна из пропилена, образующие рыхлую ткань, похожую на паутину. Очистка газов происходит в результате кулоновского взаимодействия волокон с реальными или наведенными зарядами в захватываемых частицах пыли.

Изменение заряда электретов под действием влаги и частиц высокой энергии используют при созданий датчиков влажности и дозиметров проникающей радиации. Фотоэлектреты применяются в электрофотографии. В этом случае фотографируемый объект проецируют на поверхность электрета, что приводит к релаксации заряда в освещенных областях. Скрытое электростатическое изображение проявляют с помощью специального пигментного порошка, частицы которого обладают зарядом.

Электретный эффект обнаружен во многих практически важных биополимерах. Поэтому изучаются возможности применения электретов в системах биологического происхождения. Установлено, что пленочные электреты, накладываемые контактным способом на места трещин и переломов костей, вызывают ускорение нарастания костной мозоли, необходимой для зарастания перелома.

Бандаж из электретной пленки, наложенный на место пореза кожи, значительно ускоряет процесс заживления. Проводятся разработки по созданию полимерных электретов с антитромбогенными свойствами, т. е. препятствующими быстрой свертываемости крови и образованию тромбов в сосудах.

По-видимому, в дальнейшем электреты будут находить все более широкое применение в тех приборах и устройствах, при создании которых главными требованиями являются небольшие массы и габариты, надежность и конструктивная простота, технологическая доступность и невысокая стоимость.

Контрольные вопросы

1. Какие диэлектрики называют активными? Каким образом классифицируют активные диэлектрики по виду управляющего воздействия?

2. Какая электрическая упорядоченность свойственна сегнетоэлектрикам? Почему сегнетоэлектрики разбиваются на домены? Какими факторами определяется равновесная доменная структура?

3. Какова геометрия доменной структуры в кристаллах с одноосной кристаллографической анизотропией? Каким образом ориентируются 90 градусные домены в сегнетоэлектриках с тетрагональной симметрией?

4. Как объяснить диэлектрический гистерезис и нелинейность, зависимости заряда от напряжения у сегнетоэлектриков? Каким образом происходит переориентация доменов под действием электрического поля в многоосных сегнетоэлектриках типаВаТiO3?

5. Как по петле гистерезиса можно правильно определить спонтанную поляризованность сегнетоэлектрика? От каких внешних факторов зависит значение коэрцитивной силы?

6. Какие режимы эксплуатации сегнетоэлектрика характеризуют начальная, дифференциальная, эффективная и реверсивная диэлектрические проницаемости сегнетоэлектрика?

7. Что называют сегнетоэлектрической точкой Кюри? Объясните изменения спонтанной поляризованности и начальной диэлектрической проницаемости в окрестности этой точки.

8. Охарактеризуйте различия свойств сегнетоэлектрических материалов, относящихся к группам ионных и дипольных кристаллов. Приведите примеры таких соединений.

9. Каков микроскопический механизм спонтанной поляризации титаната бария?

10. Какими свойствами обладают антисегнетоэлектрики? Приведите примеры таких веществ.

11. Укажите достоинства и недостатки сегнетокерамических конденсаторов. Каким образом повышают температурную стабильность диэлектрической проницаемости у сегнетокерамических материалов?

12. Что называют варикондами и в каких устройствах их применяют?

13. Каким образом сегнетоэлектрикам придают полупроводниковые свойства? В чем заключается позисторный эффект?

14. Что понимают под прямым и обратным пьезоэффектами? Какими уравнениями описывают пьезоэффект? Почему пьезоэффект проявляется только при переменных внешних воздействиях?

15. Что называют пьезокерамикой? Каковы ее преимущества перед монокристаллами пьезоэлектриков? Укажите наиболее характерные применения пьезокерамических преобразователей.

16. Что называют пироэлектрическим эффектом? В каких материалах он наблюдается? Какими параметрами характеризуют качество пироэлектрических материалов?

17. Чем определяется спектр фоточувствительности пироэлектрических приемников излучения?

18. Какими уравнениями описывают линейный электрооптический эффект? Что общего в математическом описании электрооптического и пьезоэлектрического эффектов?

19. Поясните принцип работы электрооптического модулятора света. Какой поляризацией обладает световой луч, выходящий из кристалла?

20. Какова природа акустооптических эффектов? Какие факторы определяют угол максимального рассеяния при брэгговской дифракции света? Поясните работу акустооптического дефлектора на поверхностных акустических волнах. Какие материалы используются в таких устройствах?

21. Что называется магнитооптической добротностью материала и в каких единицах она измеряется?

22. Как происходят параметрическая генерация света и генерация суммовых (суммарных) частот?

23. В каких материалах сильно выражены нелинейные оптические эффекты?

24. Сформулируйте основные требования к диэлектрику как материалу для твердотельных лазеров. Какие элементы и почему наиболее часто используются в качестве активаторов люминесценции в твердотельных лазерах?

25. Какие технологические операции выполняют с помощью твердотельных лазеров при производстве интегральных схем?

26. Дайте характеристику мезоморфного состояния вещества. Как классифицируют жидкие кристаллы по типу мезофазы?

27. Какую ориентацию принимают в сильных электрических полях молекулы нематических жидких кристаллов с отрицательной диэлектрической анизотропией?

28. Какую роль играет анизотропия электропроводности в эффекте динамического рассеяния света?

29. Что понимают под термооптическим эффектом и какое практическое применение он имеет?

30. Какова природа электретного состояния в диэлектриках? Что такое гомо- и гетерозаряд? Охарактеризуйте механизмы релаксации электретного заряда. Какие факторы определяют время жизни электретов?

31. Поясните принцип работы электретных микрофонов. Назовите другие применения электретов.

Электрет