The properties and behaviors of charge transport mechanisms in highly insulating polymers are investigated by measuring conduction currents through thin film samples of low density polyethylene (LDPE). Measurements were obtained using a constant voltage method with copper electrodes inside a chamber adapted for measurements under vacuum and over a wide range of temperatures and applied fields. Field-dependent behaviors, including Poole-Frenkel conduction, space charge limited current (SCLC), and Schottky charge injection, were investigated at constant temperature. These field-dependent mechanisms were found to predict incorrect values of the dielectric constant and the field dependence of conductivity in LDPE was not found to be in agreement with SCLC predicted behavior. A model of thermally assisted hopping was a good fit at low applied fields and produced activation energies within the accepted range for LDPE. Low applied field measurements over the range of 213 K to 338 K were used to investigate two prominent hopping conduction mechanisms: thermally assisted hopping and variable range hopping. The observed temperature dependence of LDPE was found to be consistent with both thermally assisted hopping and variable range hopping. Activation energies determined for the range of temperatures were consistent with values reported in the literature for LDPE under similar conditions. A third aspect of charge transport behavior is a bulk response with time dependence. Conductivity behavior is examined in relation to transient current behavior, long time decay currents, and electrostatic discharge. Comparing charging and discharging cycles allowed qualitative separation of polarization and multiple trapping behaviors.

Στην εργασία αυτή μελετάται η ηλεκτρική απόκριση νανοσύνθετων υλικών πολυαιθυλενοξειδίου (poly(ethylene oxide)) – τροποποιημένων νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλού τοιχίου (MWCNT), ως συνάρτηση της περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες άνθρακα. Συγκεκριμένα εξετάζεται η διηλεκτρική απόκριση και η ειδική αγωγιμότητα των νανοσύνθετων με παραμέτρους την περιεκτικότητα σε MWCNT, τη θερμοκρασία και τη συχνότητα του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Από τη διηλεκτρική απόκριση εξάγονται πληροφορίες σχετικά με την μοριακή κινητικότητα του συστήματος και διεπιφανειακά φαινόμενα. Η εξάρτηση της ειδικής αγωγιμότητας από την περιεκτικότητα σε MWCNT δίνει τη δυνατότητα προσδιορισμού του κατωφλιού μετάβασης από τη μονωτική στην αγώγιμη συμπεριφορά, ενώ η εξάρτηση της ειδικής αγωγιμότητας από τη θερμοκρασία και τη συχνότητα προσφέρει τη δυνατότητα μελέτης των μηχανισμών μεταφοράς ηλεκτρικού φορτίου. Για τον καλύτερο προσδιορισμό των μηχανισμών ηλεκτρικής αγωγής εξετάζεται η δυνατότητα περιγραφής των πειραματικών αποτελεσμάτων μέσω των θεωρητικών προσεγγίσεων Variable Range Hopping model και Symmetric Hopping model. Για λόγους αναφοράς εξετάζεται και η ηλεκτρική απόκριση του καθαρού πολυμερούς και νανοσύνθετων, της ίδιας πολυμερικής μήτρας, που περιλαμβάνουν μη τροποποιημένους νανοσωλήνες άνθρακα. Τέλος, το σύνολο των αποτελεσμάτων γίνεται αντικείμενο εκτεταμένης συζήτησης. / In the present work the electric response of nanocomposites material consisted of poly (ethylene oxide) as matrix and modified multiwall carbon nanotubes (MWCNT) as reinforcing phase, is studied. Specifically, the dielectric response and the conductivity of nanocomposites is examined with parameters the content in MWCNT, the temperature and the frequency of the applied electric field. From the dielectric response valuable information concerning the molecular mobility of the systems and the interfacial phenomena can be extracted. The dependence of conductivity on the MWCNT content allows the determination of percolation threshold or critical concentration, which governs the transition from the insulating to the conductive behaviour. Moreover, the dependence of conductivity on temperature and frequency offers the possibility of studying the occurring charge transport mechanisms. Aiming to study further the type of the conduction mechanisms, the applicability of Variable Range Hopping model and Symmetric Hopping model is tested. For reasons of reference the electric response of pure polymer matrix and nanocomposites incorporating unmodified MWCNT is also examined. Finally, results become the object of an extensive discussion.