Une des propriétés fondamentales des diélectriques est d'accumuler des charges sous l'effet d'un champ électrique. Si cet effet est exploité dans certaines applications telles que les mémoires il est la plupart du temps la cause de défaillance dans de nombreux systèmes tels que les câbles haute tension ou les microsystèmes. De nombreuses études ont démontré que l'interface entre le diélectrique et l'électrode jouait un rôle prédominant dans le fonctionnement du système complet et en particulier influençait le phénomène d'injection de charge à l'origine des défaillances. Au cours des dernières années le phénomène d'injection de charges à l'interface électrode/diélectrique a largement été étudié. Pour expliquer la différence entre les résultats expérimentaux et les modèles, l'hypothèse la plus plausible est la présence d'états d'interfaces entre l'électrode (métal ou semiconducteur) et le diélectrique. Cette hypothèse permet en particulier d'expliquer l'indépendance de la quantité de charge injectée vis-à-vis du métal servant d'électrode. Toutefois, les propriétés des interfaces restent mal connues en particulier car ces phénomènes nanométriques sont caractérisés à partir de mesures microscopique. L'objectif de cette thèse est de caractériser les propriétés chimiques et électriques de l'interface grâce à un contrôle rigoureux de son procédé de fabrication. L'apport majeur de ces travaux est lié à l'utilisation de la microscopie à force atomique pour déterminer les propriétés de l'interface à l'échelle nanométrique. Nous avons en particulier caractérisé morphologiquement (mesure de propriétés mécaniques par PFQNM - Peak Force Quantitative NanoMechanical) et électriquement (mesure de potentiel de surface par KPFM - Kelvin Probe Force Microscopy). Nous avons ainsi pu montrer que le procédé de fabrication influençait les propriétés chimiques (oxydation de surface...) de l'interface sans que cela ait de conséquences notables sur les propriétés électriques. En effet, la quantité de charges injectées reste du même ordre de grandeur quel que soit le procédé de fabrication. Les mesures AFM ont montré que l'interface morphologique était abrupte alors que l'interface électrique était progressive (plusieurs microns). Grâce à un modèle nous avons pu extraire des mesures de potentiel de surface KPFM la densité de charge d'interface. / One of the fundamental properties of dielectrics is to accumulate charges under an electric field. Even if this phenomena is exploited in some applications such as memories, it is the main cause of failure in a large amount of applications such as high voltage cables or microsystems. Numerous studies have demonstrated that dielectric/electrode interface has strong impact on complete system and particularly on charge injection phenomenon which induce failures. During the past decades, charge injection phenomena electrode / dielectric interface has been extensively studied. To explain the difference between experimental and modelling, the most plausible hypothesis is the presence of interface states between the electrode (metal or semiconductor) and the dielectric. This hypothesis explain the independence of injected charge density respect to the electrode meta (work function). However, interfaces properties remain poorly understood mainly because all nanometric phenomena accuring at its localization are characterized thanks to microscopic measurements. The aim of this PhD thesis is to characterize chemical and electrical properties of the interface through a rigorous control of its manufacturing process. The major contribution of this work is related to the use of Atomic Force Microscopy (AFM) to determine interface properties at nanoscale. In particular, interfaces are characterized morphologically (mechanical properties measurements by PFQNM - Peak Quantitative Quantum NanoMechanical) and electrically (surface potential measurements by KPFM - Kelvin Probe Force Microscopy). Thus, results demonstrate that the manufacturing process influenced the chemical properties (surface oxidation ...) of the interface without having any significant influence on the electrical properties. Indeed, the amount of injected charges remains quite the same regardless of the manufacturing process. AFM measurements showed that the morphological interface was abrupt whereas the electrical interface was progressive (several microns). A Matlab model permits us to extract interface charge density to KPFM surface potential measurements.

Stromrichtertransformatoren der Hochspannungsgleichstromübertragung bilden das Bindeglied zwischen Gleichspannungs- und Drehstromsystem. Um den ausfallsicheren Betrieb über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten, muss deren Öl-Papier-Isoliersystem entsprechend dimensioniert werden. Eine optimale Dimensionierung setzt ein detailliertes Verständnis über die Beanspruchung des Isoliersystems sowie deren zuverlässige Modellierung sowohl unter Betriebsspannung als auch bei den überlagerten, transienten Überspannungen voraus. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher das dielektrische Verhalten des Öl-Papier-Isoliersystems in Anlehnung an dielektrische Prüfungen sowohl unter Gleichspannungsbelastung als auch einer zusammengesetzten Spannungsbelastung aus einer Gleich- und einer Blitzstoßspannung (einer sog. Mischspannungsbelastung) untersucht. Der Vergleich von numerischen Berechnungen auf Grundlage eines ladungsträgerbasierten Ansatzes nach Poisson-Nernst-Planck (PNP) mit Durchschlagexperimenten gibt dabei Aufschluss über die Beanspruchung des Öl-Papier-Isoliersystems. Weiterhin wird gezeigt, dass der in den etablierten, resistiv-kapazitiven Berechnungsmodellen vernachlässigte Ladungsträgereinfluss in Bezug auf die Beanspruchung des Isoliersystems unzureichende Ergebnisse zur Folge hat und demnach zwingend zu berücksichtigen ist. Die an realitätsnahen, Öl-Papier-isolierten Anordnungen erzielten Ergebnisse zeigen nicht nur den Einfluss der an Grenzflächen oder im Papier akkumulierten Ladungsträger auf die Beanspruchung des Isoliersystems. Ebenso werden die Annahmen des ladungsträgerbasierten Ansatzes und die Berechnungsergebnisse des PNP-Modells qualitativ bestätigt. Infolge der Ladungsakkumulation im Papier tritt die höchste Beanspruchung im Ölspalt und nicht im Papier auf. Öl-Papier-isolierte Anordnungen werden somit geringer beansprucht, als eine Strömungsfeldberechnung vermuten lässt. Dies widerspricht den Annahmen der etablierten Berechnungsmodelle und wird im Weiteren durch Polaritätseffekte an homogenen, aber unsymmetrischen, papierisolierten Elektrodenanordnungen oder durch den nachweisbaren Einfluss des Ölvolumens im Prüfgefäß auf die Beanspruchung einer Anordnung verdeutlicht. Unter Mischspannungsbelastung wird weiterhin gezeigt, dass eine Überlagerung der Gleichspannung und damit auch der Polaritätswechsel keine höhere Beanspruchung des Isoliersystems im Vergleich zur reinen Gleichspannungsbelastung zur Folge hat. Die etablierten, resistiv-kapazitiven Modelle ließen jedoch den Polaritätswechsel als kritischste Beanspruchung vermuten. Somit wird nicht nur die Anwendbarkeit der ladungsträgerbasierten PNP-Modellierung an Öl-Papier-Isolieranordnungen qualitativ verifiziert. Ebenso wird demonstriert, dass die stark vereinfachten Annahmen der etablierten Berechnungsmodelle die Beanspruchungen unter Gleich- und der untersuchten Mischspannungsbelastung nicht abbilden können. Der Einsatz klassischer Strömungsfeldberechnungen zur Nachbildung der Beanspruchung des Öl-Papier-Isoliersystems unter Gleichspannungsbelastung entspricht damit nicht mehr dem Stand der Forschung. / Converter transformers of HVDC transmission systems connect HVDC and HVAC systems. To ensure a reliable operation during the entire lifetime, their oil-paper-insulation system must be designed appropriately. An optimized dielectric design demands a fundamental understanding of the dielectric stresses as well as a reliable modeling of the insulation system both under operating voltages and under superimposed, transient overvoltages. Hence, in this work the dielectric behavior of the oil-paper-insulation system is investigated. Based on dielectric tests the investigations are performed under DC voltage stress and a composite voltage stress of a DC voltage in stationary conditions superimposed by a lightning impulse voltage. The comparison of numerical calculations using a charge-carrier-based approach according to Poisson-Nernst-Planck (PNP) with breakdown experiments clarifies the dielectric stress of the oil-paper-insulation system. Furthermore, the comparison with results determined by the established, resistive-capacitive calculation models shows that it is mandatory to take the influence of the charge carrier accumulation into account. The presented results, which were obtained at oil-paper-insulated arrangements which represent the dielectic stress of real arrangements, show the influence of the charge carriers accumulating at interfaces or in the paper insulationon on the dielectric stress. The results confirm the calculations and the assumptions according to the charge-carrier-based model as well. Due to the charge carrier accumulation, the highest dielectric stress occurs in the mineral oil and not in the paper insulation. In contrast, the findings obtained assuming an ohmic conductivity would results in a higher dielectric stress of the oil-paperinsulated arrangements. Furthermore, polarity effects in homogeneous but asymmetrical, paper-insulated electrode arrangements or the influence of the surrounding oil in the test vessel demonstrate the effects of the charge carriers. Under composite voltage stresses it is also shown, that the applied superimposed voltage as well as the fast polarity reversal does not lead to a higher dielectric stress of the arrangements compared to the pure DC voltage stress. Commonly used calculation models would determine higher stresses due to the fast polarity reversal instead. Consequently, the applicability of the charge-carrier-based PNP calculation model is verified qualitatively in the presented investigations. Furthermore, it is demonstrated that the simplified assumptions of the commonly used calculation models cannot simulate the dielectric stresses under DC voltage stress and under the investigated superimposed voltage stresses. Hence, the determination of the dielectric stresses of oil-paper-insulation systems under DC voltage stress according to the commonly used calculation models assuming an ohmic conductivity does not correspond to the current state of research.