In view of the importance of charge storage in polymer electrets for electromechanical transducer applications, the aim of this work is to contribute to the understanding of the charge-retention mechanisms. Furthermore, we will try to explain how the long-term storage of charge carriers in polymeric electrets works and to identify the probable trap
sites. Charge trapping and de-trapping processes were investigated in order to obtain evidence of the trap sites in polymeric electrets. The charge de-trapping behavior of two particular polymer electrets was studied by means of thermal and optical techniques. In order to obtain evidence of trapping or de-trapping, charge and dipole profiles in the thickness direction were also monitored.
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In this work, the study was performed on polyethylene terephthalate (PETP) and on cyclic-olefin copolymers (COCs). PETP is a photo-electret and contains a net dipole moment that is located in the carbonyl group (C = O). The electret behavior of PETP arises from both the dipole orientation and the charge storage. In contrast to PETP, COCs are not photo-electrets and do not exhibit a net dipole moment. The electret behavior of COCs arises from the storage of charges only.
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COC samples were doped with dyes in order to probe their internal electric field. COCs show shallow charge traps at 0.6 and 0.11 eV, characteristic for thermally activated processes. In addition, deep charge traps are present at 4 eV, characteristic for optically stimulated processes.
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PETP films exhibit a photo-current transient with a maximum that depends on the temperature with an activation energy of 0.106 eV. The pair thermalization length (rc) calculated from this activation energy for the photo-carrier generation in PETP was estimated to be approx. 4.5 nm. The generated photo-charge carriers can recombine, interact with the trapped charge, escape through the electrodes or occupy an empty trap.
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PETP possesses a small quasi-static pyroelectric coefficient (QPC):
~0.6 nC/(m²K) for unpoled samples, ~60 nC/(m²K) for poled samples and
~60 nC/(m²K) for unpoled samples under an electric bias (E ~10 V/µm). When stored charges generate an internal electric field of approx. 10 V/µm, they are able to induce a QPC comparable to that of the oriented dipoles. Moreover, we observe charge-dipole interaction. Since the raw data of the QPC-experiments on PETP samples is noisy, a numerical Fourier-filtering procedure was applied. Simulations show that the data analysis is reliable when the noise level is up
to 3 times larger than the calculated pyroelectric current for the QPC.
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PETP films revealed shallow traps at approx. 0.36 eV during thermally-stimulated current measurements. These energy traps are associated with molecular dipole relaxations (C = O). On the other hand, photo-activated measurements yield deep charge traps at 4.1 and 5.2 eV. The observed wavelengths belong to the transitions in PETP that are analogous to the π -
π* benzene transitions. The observed charge de-trapping selectivity in the photocharge decay indicates that the charge detrapping is from a direct photon-charge interaction. Additionally, the charge de-trapping can be facilitated by photo-exciton generation and the interaction of the photo-excitons with trapped charge carriers. These results indicate that the benzene rings (C6H4) and the dipolar groups (C = O) can stabilize and share an extra charge carrier in a chemical resonance. In this way, this charge could be de-trapped in connection with the photo-transitions of the benzene ring and with the dipole relaxations.
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The thermally-activated charge release shows a difference in the trap depth to its optical counterpart. This difference indicates that the trap levels depend on the de-trapping process and on the chemical nature of the trap site. That is, the processes of charge detrapping from shallow traps are related to secondary forces. The processes of charge de-trapping from deep traps are related to primary forces. Furthermore, the presence of deep trap levels causes the stability of the charge for long periods of time. / Angesichts der Bedeutung der Ladungsspeicherung in Polymerelektreten für viele Anwendungen, wie z.B. in elektromechanischen Wandler, ist es das Ziel dieser Arbeit, zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der kurz- und langfristigen Ladungsstabilisierung beizutragen sowie mögliche Haftstellen zu identifizieren. Ladungs- und Entladungsprozesse in Elektreten geben Hinweise auf Ladungshaftstellen. Diese Prozesse wurden mit thermischen und optischen Methoden bei gleichzeitiger Messung von Ladungs- und Polarisationprofilen untersucht. Die experimentellen Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wurden an Polyethylenterephthalat (PETP) und an Cyclischen-Olefin Copolymeren (COC) durchgeführt.
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PETP ist ein Photoelektret und weist in der Carbonylgruppe (C = O) ein Dipolmoment auf. Die Elektreteigenschaften ergeben sich sowohl aus der Orientierungspolarisation als auch aus der Ladungsspeicherung. Im Gegensatz zu PETP ist COC kein Photoelektret und zeigt auch keine Orientierungspolarisation. Deshalb folgen die Elektreteigenschaften des COC ausschließlich aus der Ladungsspeicherung. Die COC-Proben wurden mit Farbstoffen dotiert, um das innere elektrische Feld zu untersuchen. Diese Systeme zeigen flache Ladungshaftstellen bei 0,6 und 0,11 eV, die durch thermisch stimulierte Prozesse entladen werden sowie tiefe Haftstellen bei 4 eV, die optisch stimuliert werden können.
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PETP-Filme zeigen einen transienten Photostrom mit einem Maximalwert ( jp), der von der Temperatur mit einer Aktivierungsenergie von 0,106 eV abhängt. Der thermische Paarabstand (rc) kann für die Photoladungsgeneration in PETP auf ca. 4,5 nm abgeschätzt werden. Die Photoladungsträger können rekombinieren, mit den gespeicherten Ladungen interagieren, über die Elektroden entkommen oder eine leere Haftstelle einnehmen.
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PETP zeigt einen kleinen quasi-statischen pyroelektrischen Koeffizienten (QPC) von ca. 0,6 nC/(m²K) für nicht polarisierte Proben, ca. 60 nC/(m²K) für polarisierte Proben und ca. 60 nC/(m²K) für nicht polarisierte Proben mit Vorspannung (E ~10 V/µm). Wenn die gespeicherten Ladungen ein internes elektrisches Feld von ca. 10 V/µm generieren können, sind sie in der Lage, einen QPC herbeizuführen, der vergleichbar mit dem von orientierten Dipolen ist. Es ist außerdem möglich, eine Ladungs-Dipol-Wechselwirkung zu beobachten. Da die QPM-Daten von PETP auf Grund des geringen Signals verrauscht sind, wurde ein numerisches Fourier-Filterverfahren angewandt. Simulationen zeigen, dass eine zuverlässige Datenanalyse noch bei einem Signal möglich ist, dessen Rauschen bis zu 3-mal größer ist als der berechnete pyroelektrische Strom.
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Messungen der thermisch stimulierten Entladung von PETP-Filmen ergaben flache Haftstellen bei ca. 0,36 eV, welche mit der Dipolrelaxation der Carbonylgruppe (C = O) assoziiert sind. Messungen der photostimulierten Entladung ergaben tiefe Haftstellen bei 4,1 und 5,2 eV. Die beobachteten Wellenlängen entsprechen Übergängen in PETP analog den π - π* Übergängen in Benzol. Die beobachtete Selektivität bei der photostimulierten Entladung lässt auf eine direkte Wechselwirkung von Photonen und Ladungen schließen. Einen zusätzlichen Einfluß auf die Entladung hat die Erzeugung von Photo-Exzitonen und deren Wechselwirkung mit den gespeicherten Ladungsträgern. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Phenylringe (C6H4) und die Dipolgruppen (C = O) eine zusätzliche Ladung in einer chemischen Resonanz stabilisieren und miteinander teilen können. Daher kann die gebundene Ladung auch durch einen Photoübergang im Benzolring oder durch eine Dipolrelaxation freigesetzt werden.
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Die mittels thermisch stimulierter Entladung bestimmte Tiefe der Haftstellen unterscheidet sich deutlich von den mittels photostimulierter Entladung gemessenen Werten. Flachere Haftstellen werden bei der thermisch stimulierten Entladung gefunden und können sekundären Kräften zugeordnet werden. Die tieferen Haftstellen sind chemischer Natur und können primären Kräften zugeordnet werden. Letztere sind für die Langzeitstabilität der Ladung in Polymerelektreten verantwortlich.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:875 |
| Date | January 2006 |
| Creators | Camacho González, Francisco |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Physik und Astronomie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/de/ |
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