ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2005, том 47, № 11, с. 1971-1978
СТРУКТУРА, СВОЙСТВА
УДК 541(64+15):537.3
РАДИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
__w ______-t
И электронный транспорт в полистироле1
© 2005 г. А. П. Тштнев*, Д. Н. Садовничий**, В. С. Саенко*, Е. Д. Пожидаев*
*Московский государственный институт электроники и математики 109028 Москва, Трехсвятительский пер., 3/12 **Федеральный центр двойных технологий "Союз" 140090 Дзержинский Московской обл., ул. Ак. Жукова, 42 Поступила в редакцию 23.12.2004 г.
Принята в печать 29.06.2005 г.
Проведено исследование временной зависимости переходного тока в ПС в режиме малого сигнала как на этапе его возгорания, так и на этапе спада при нескольких значениях напряженности приложенного электрического поля и дозы предварительного облучения. Показано, что хотя радиационная электропроводность ПС и определяется в значительной степени свободными носителями заряда, но учет затянутости процесса термополевой диссоциации геминальных пар абсолютно необходим для понимания обнаруженных особенностей кривых переходного тока и их вольтамперной характеристики. Наблюдение мономолекулярного захвата в режиме дисперсионного транспорта сильно затруднено даже в допированном ПС, не говоря уже об облученном полимере. Проведены численные расчеты переноса быстрых электронов в образце ПС применительно к реальным условиям эксперимента.
ВВЕДЕНИЕ
ПС относится к группе технически важных полимеров, являясь наряду с ПТФЭ и ПЭ одним их лучших изоляторов. Радиационная электропроводность ПС интенсивно исследуется в течение последних 40 лет как при импульсном, так и при непрерывном облучении. К настоящему времени надежно установлена природа электронного транспорта в этом полимере. Основные носители заряда в нем - дырки, причем во всем исследованном временном интервале их транспорт является сильно неравновесным (дисперсионным) [1]. Подвижность электронов мала и практически не изучена [2].
Для описания электронного транспорта и радиационной электропроводности ПС используется обобщенная физическая модель Роуза-Фауле-ра-Вайсберга [3]. Основные параметры модели для ПС определены по результатам измерения именно радиационной электропроводности, так как применение метода времени пролета, этого
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 05-03-32312).
E-mail: fit@miem.edu.ru (Тютнев Андрей Павлович).
основного инструмента изучения электронного транспорта, в нашем случае мало информативно.
Времена жизни геминальных пар в ПС достаточно малы, и его радиационная электропроводность определяется в первую очередь уже свободными зарядами, избежавшими начальной рекомбинации в парах и трекоподобных образованиях.
ПС не относится к группе фотопроводящих полимеров, вследствие чего он широко используется наряду с ПК в качестве инертной полимерной матрицы для изготовления молекулярно до-пированных полимеров [4-6].
Однако ряд вопросов радиационной электропроводности ПС все еще требуют своего решения. Это относится прежде всего к участию геминальных пар в формировании кривой переходного тока при достаточно коротких временах воздействия (короче 1 мс) [7, 8]. Не совсем понятен механизм нарастания и спада проводимости, поскольку наблюдаются заметные отклонения от требований стандартной теории многократного захвата. Требуется более тщательное изучение полевых эффектов на различных стадиях эволюции носителей заряда.
1971
4*
В последнее время нами существенно усовершенствована методика регистрации кривых переходного тока при радиационном воздействии, что позволило осуществлять их компьютерную регистрацию на длительном временном интервале, охватывающем 3-4 декады, используя лишь один импульс излучения [9]. Таким образом, отпадает необходимость сшивания коротких отрезков кривой при прямом осциллографировании сигнала и существенно снижается вклад неконтролируемого дозного эффекта от многократного облучения исследуемого образца полимера.
Кроме того, применяя численный метод Монте-Карло для расчета переноса быстрых электронов в полимере, можно уточнить основные характеристики электронного излучения, имеющие самое непосредственное отношение к измерению нестационарной радиационной электропроводности.
Настоящая работа посвящена всестороннему изучению радиационной электропроводности ПС и теоретическому анализу полученных результатов.
МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
Для проведения испытаний использовали электронно-лучевую установку ЭЛА-50, позволяющую получать одиночные импульсы ускоренных электронов, включая режим непрерывного облучения. Параметры установки: длительность прямоугольных импульсов излучения 20 мкс-1 мс, ток в пучке - до 3.0 мА, энергия ускоренных электронов 50 кэВ. Давление остаточный среды в рабочей камере установки, где расположена измерительная ячейка, порядка 10-2 Па.
Переходный ток в образце полимера под напряжением (до ±1.2 кВ) измеряли в токовом режиме, когда постоянная времени измерения ЯС была много меньше характерного времени наблюдения. Дозиметрию пучка проводили с помощью цилиндра Фарадея. Диаметр коллиматора непосредственно на входе в измерительную ячейку 20 мм.
Для регистрации измеряемого сигнала использовали универсальное устройство для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации на персональном компьютере. Объем файла, фиксирующего кривую переходного тока в
интервале времен 2.5 мкс - 1.0 с, составляет 80 кБ.
Испытания проводили на дисковых образцах диаметром 38 мм, вырезанных из промышленной пленки полимера марки 81угоИех (ФРГ) толщиной 20 мкм, являющейся объектом наших исследований на протяжении последних 20 лет. Электроды диаметром 32 или 26 мм наносили термическим распылением алюминия в вакууме. Испытания выполняли при комнатной температуре.
РАСЧЕТЫ ПО МЕТОДУ МОНТЕ-КАРЛО
Моделирование переноса быстрых электронов в ПС проведено методом Монте-Карло с помощью программного комплекса ХЯАУ [10, 11] по схеме группировки возбуждений и скользящих ионизаций, а упругое рассеяние электронов - в соответствии с сечением Резерфорда, экранированным по Мольер при энергии Ее > 20 кэВ и Бергеру при Ее < 20 кэВ. Между столкновениями электрон движется прямолинейно, непрерывно теряя энергию за счет скользящих ионизаций и возбуждений. Полная тормозная способность рассчитана по Бете-Блоху с поправками. Для моделирования упругих ионизаций использовано сечение Меллера. Генерацией тормозного излучения пренебрегали.
Для получения статистически достоверного результата разыгрывали 106 историй первичных частиц. Прослеживание траекторий электронов обрывали при достижении ими энергии 1 кэВ, после чего они считались поглощенными.
Общие закономерности переноса быстрых электронов с энергией порядка 50 кэВ для полубесконечной геометрии (ослабление пучка первичных электронов, пространственный ход мощности поглощенной дозы и объемной скорости инжекции термализованных электронов, максимальный пробег первичных электронов) в ряде полимеров (включая ПС) уже рассмотрены нами ранее [12, 13]. Здесь же упор сделан на конкретные условия эксперимента, использованные в настоящей работе.
На рис. 1 приведены гистограммы ослабления тока быстрых электронов и пространственного хода дозы в образце ПС толщиной 20 мкм в расчете на единичный флюенс электронов. Следую-
х, мкм
Рис. 1. Глубинный ход поглощенной дозы g(x) (1) и тока быстрых электронов /(л) (2) при облучении ПС электронами с энергией 50 кэВ.
щие наблюдения представляют значительный интерес.
Значение удельных потерь энергии на облучаемой поверхности образца соответствует табличному значению (6.9 МэВ см2/г). Максимум потерь достигается на глубине 15 мкм еще внутри образца и составляет 15.7 МэВ см2/г, что почти в 2.3 раза больше, чем на облучаемой поверхности. Согласно расчетам, фактор накопления дозы связывающий усредненную по толщине пленки мощность дозы Я0, фигурирующую в теории, с ее значением на облучаемой поверхности Я0(0)
Я о = (0) (1)
равен 1.7 ± 0.05 для пленки ПС толщиной 20 мкм и энергии электронов 50 кэВ. Из рис. 1 видно, что в пленке останавливается около 20% электронов пучка.
В первом приближении можно считать, что кривая ослабления пучка имеет вид прямой, что позволяет описывать электризацию пленки в приближении равномерной высокоэнергетической инжекции [14], существенно упрощая математические выкладки. Для справки укажем, что облучение пленки импульсом электронов длительностью 1 мс с плотностью тока 0.31 мкА/см2 (доза за импульс 4.2 Гр) сопровождается накоплением объемного заряда, создающим напряженность электрического поля у электродов -0.7 х 105 В/м. В центре образца она близка к нулю.
Время мкс
Рис. 2. Кривые переходного тока (1, Г) при воздействии на ПС импульса ускоренных электронов длительностью 20 мкс (2). Напряженность электрического поля 5 х 107 В/м. Мощность дозы 2.1 х 105 Гр/с, приведенная радиационная электропроводность ПС в конце импульса Кгс1(0) = 4.6 х 10-14 Ф/Гр м. Постоянная времени измерения 0.5 мкс.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 2 приведена типичная кривая переходного тока от импульса излучения длительностью 20 мкс. При дозе за импульс 4.2 Гр влияние бимолекулярной рекомбинации отсутствует во всем временном интервале наблюдения. Общий вид импульса излучения и кривой переходного тока представлен на вставке к рисунку. Анализ кривой в логарифмических координатах (основная кривая на рисунке) показывает, что спад тока описывается степенной функцией г ~0-83 ± 002 в интервале времен после прохождения импульса от 30 мкс по крайней мере до 1 с.
Этот закон спада соответствует дисперсионному параметру а = 0.17 ± 0.02. Однако кривая возгорания нестационарной радиационной электропроводности, определенная как для отдельного импульса излучения, так и для нескольких импульсов различной длительности (рис. 3), совершенно определенно указывает на то, что требуемая теорией зависимость ]() ^ га = г017 не выполняется. Согласно эксперименту, ]г(г) ^ г035 ± 005. Заметим, что кривые нарастания и спада измерены в одном и том же временном интервале (10 мкс-1 мс). Налицо серьезное против
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.