ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ПРОВОДИМОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ БЕНТОНИТА И ПОЛИЭТИЛЕНА (ПВДФ)

STUDY OF THE CONDUCTION MECHANISM OF THIN FILM COMPOSITES BASED ON BENTONITE AND POLYETHYLENE (PVDF)

Sevinj Imanova

Сandidate of Physical Sciences, Ganja State University, Azerbaijan, Ganja

Аннотация. В настоящей работе обобщены некоторые характеристики механизмов проводимости композитов на основе бентонита и полиэтилена. Изучение механизмов проводимости и переноса носителей в тонкопленочных композитах на основе  бентонита и полиэтилена.

Abstract. This work summarizes some characteristics of the conductivity mechanisms of composites based on bentonite and polyethylene. Study of the mechanisms of conductivity and carrier transport in thin-film composites based on bentonite and polyethylene.

Ключевые слова: бентонит, полимер, варистор, композит.

Keywords: bentonite, polymer, varistor, composite.

Введение: Одним из эффективных методов модифицирования полимеров с целью получения требуемых свойств является использование различных наполнителей, а также разработка двух- и многофазных композитных материалов, в частности, композитов на основе системы полимер-наполнитель (в роли которого могут выступать полупроводники, сегнетоэлектрики и т.д.), обладающих варисторными, позисторными и пъезорезисторными свойствами [10с.512], [7с.232]. По данным работ [9 с.145] свойства варисторов очень чувствительны к условиям изготовления, в результате вариации которых могут произойти изменения размеров зерен, толщины и физических свойств межкристаллических фаз. Таким образом путем варьирования состава композитов можно создавать новые, более эффективные материалы для различных областей техники (например, низковольтные ограничители напряжений, варисторы и др.) с требуемыми сочетаниями характеристик.

Целью настоящей работы является экспериментальное изучение механизмов проводимости и переноса носителей в тонкопленочных композитах на основе  бентонита и полиэтилена.

Методика эксперимента и их обсуждение.

В качестве компонентов были использованы бентонит и полярный поливинилденфторид (ПВДФ) в виде порошка. Для получения резисторов бентонитпредварительно был измельчен в шаровой мельнице с фарфоровыми шарами до размеров гранул 60mm и менее. Резисторы, были получены из гомогенной смеси компонентов путем горячего прессования при температуре 180°C и давлении 15 МРа. Содержание компонентов варьировалось в широком диапазоне (30-60%БТ и 70-40% ПВДФ соответственно). В статье обсуждаются экспериментальные данные для композита 40% БТ+60% ПВДФ. Толщина  образцов составляла 180 mm.Для изучения особенностей механизмов переноса заряда на исследованных образцах были измерены вольтамперные характеристики (ВАХ) в режиме постоянного тока. Измерения ВАХ были проведены в интервале температур 100-300K, в режиме прямого и обратного токов.

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика  композита при различных температурах: 1–143 K; 2–194 K; 3–239 K; 4–365 K

На рис.1 приведена вольтамперная (ВАХ) характеристика, измеренная при различных температурах, из которых  можно видеть, что:

1)Зависимость величины тока через композит от  приложенного напряжения  I=f(U) (ВАХ) носит нелинейный характер. При этом, нелинейность ВАХ носит симметричный характер во всем диапазоне измеренных температур..

2) Из зависимостей I=f(U) видно, что с ростом температуры ВАХ смещается в область низких значений электрического поля.

Рисунок 2 Зависимости электропроводности композита от обратной температуры при U=10 В (1), U =100 В(2) и U=200 В(3)

3) Из рис.2 видно, что зависимости электропроводности σ от обратной температуры носят экспонен­циальный характер.

Для соответствующих температурных интервалов из Ln(I/U) =f(1/T) были рассчитаны энергии активации (рис.3). Как видно из рисунка с ростом приложенного напряжения  величина энергия активации уменьшается.

Рисунок 3. Зависимость энергии активации от температуры

На основе анализа, полученных результатов особенности переноса заряда в исследованных образцах объяснены в рамках моделей. В частности, согласно многочисленным работам [3 с.260]  [2 с.104] такими механизмами могут быть: эмиссия  Шоттки в области высоких температур, туннельная эмиссия зарядов в области низких температур и высоких полей, а также прыжковый перенос носителей по ловушечным уровням. При этом разные механизмы переноса заряда работают в разных температурных  интервалах и различных значениях напряженности электрического поля [8 с. 2871-2875.]  .

Для подтверждения выдвинутых предположений были построены зависимости ln(I/Т²)=F(10³/T) (рис.3) при напряжениях U=10  и 100В, из которых видно, что при высоких температурах (220-300K) ток проходящий через образец в основном определяется термоэлектронной эмиссией Шоттки (формула1) (с ростом температуры величина тока увеличивается).

Рисунок 4. Зависимость  I/T² от 10³/Т  при различных приложенных напряжениях: 1. U= 10 В; 2. U=100 В.

                                                                                                (1)

где J- плотность тока, A - постоянная Ричардсона,  j₀ - высота барьера, E -напряженность электрического поля, ε- диэлектрическая проницаемость образца, ε_ο- электрическая постоянная, k-постоянная Больцмана, T-температура.

Высота барьеров, определенная из рисунка 3 для прямых токов равна 0.17 eV при напряжении 10 В и 0.13 eV при напряжении 100В. Видно, что значения высоты барьеров хорошо коррелируют со значениями энергии активации, приведенными на рис.3. Уменьшение энергии активации с увеличением приложенного напряжения, по-видимому, связано с увеличением полевой добавки в формуле 1.

Как было выше сказано о том, что в области низких температур и больших электростатических полей (Е>10⁶ V/сm) доминирующей составляющей тока, является ток, обусловленный туннельной эмиссией, которая описывается формулой Фаулера–Нордгейма (формула 2).

                                                                                                  (2)

где-m^*-эффективная масса носителей заряда, j_b - высота барьера.

Рисунок 5.Зависимость  LnI/U² от 1/ U при различных температурах: 1 – 150K, 2 – 195K.

Для подтверждения данного предположения были построены зависимости Ln(I/U²)=f(1/U) (для прямого тока, см. рис.4) для разных температур, а также были определены высоты потенциальных барьеров  по формуле (2). Высоты барьеров, определенные из формулы 2 имеют довольно низкие значения: 0, 0025 eV при Т= 150К  и 0.0013 eV при  Т=195К.

Экспериментальные результаты могут быть объяснены исходя из того факта, что в исследуемых структурах в качестве проводящего слоя использован широкозонный полимер (Е_g=2.2 эВ), применение которого не позволяет однозначно  объяснить, полученные значения энергий активации надбарьерным переносом  заряда. Ибо в таком случае высота  барьера должна была изменяться в пределах 1-2эВ. По-видимому, барьеры формируются на границах полимер полупроводник. Так как проводящим слоем в рассматриваемых структурах является широкозонный полимер поэтому высота барьера на границе полимер-полупроводник будет  определяться разницей между уровнем Ферми кремния и положением ловушечных уровней [6 с.232], образующихся  вблизи середины запрещенной зоны полимера. По зоне ловушечных уровней и происходит перенос заряда.

Появление ловушечных уровней по  всей вероятности  обусловлено тем, что избыточный заряд в полимере, возникающий в результате инжекции из кремния, может создавать глубокие ловушечные состояния по механизму, описанному в [5с.129], [1с.512]. Взаимодействие инжектированного заряда с макромолекулой полимера в свою очередь может привести к увеличению поляризуемости фрагмента макромолекулы. При этом возникает неустойчивое состояние полимера с большей диэлектрической проницаемостью, которое через некоторое время релаксирует с последующим переходом электрона на более глубокие ловушки [4 с.45-50]. В результате этого процесса в запрещенной зоне полимерной пленки вблизи уровня Ферми может быть, образована узкая область ловушечных состояний, что подтверждается результатами работы [5с.129]. Согласно работе [7 с.1182], при низких температурах доминирующим возможно является прыжковая проводимость носителей по ловушечным состояния вблизи уровня Ферми.

Заключение

Проведено исследование механизмов проводимости в композитах на основе бентонита и полиэтилена. На основе полученных результатов особенности переноса заряда в исследованных образцах можно объяснить в рамках моделей: эмиссией Шоттки при высоких температурах и полевой туннельной эмиссии при больших напряжениях, прыжкового переноса по ловушечным уровням. При этом разные механизмы переноса заряда работают в разных температурных  интервалах и различных значениях напряженности электрического поля.