Electrets are materials capable of storing oriented dipoles or an electric surplus charge for long periods of time. The term "electret" was coined by Oliver Heaviside in analogy to the well-known word "magnet". Initially regarded as a mere scientific curiosity, electrets became increasingly imporant for applications during the second half of the 20th century. The most famous example is the electret condenser microphone, developed in 1962 by Sessler and West. Today, these devices are produced in annual quantities of more than 1 billion, and have become indispensable in modern communications technology.
Even though space-charge electrets are widely used in transducer applications, relatively little was known about the microscopic mechanisms of charge storage. It was generally accepted that the surplus charges are stored in some form of physical or chemical traps. However, trap depths of less than 2 eV, obtained via thermally stimulated discharge experiments, conflicted with the observed lifetimes (extrapolations of experimental data yielded more than 100000 years). Using a combination of photostimulated discharge spectroscopy and simultaneous depth-profiling of the space-charge density, the present work shows for the first time that at least part of the space charge in, e.g., polytetrafluoroethylene, polypropylene and polyethylene terephthalate is stored in traps with depths of up to 6 eV, indicating major local structural changes. Based on this information, more efficient charge-storing materials could be developed in the future.
The new experimental results could only be obtained after several techniques for characterizing the electrical, electromechanical and electrical properties of electrets had been enhanced with in situ capability. For instance, real-time information on space-charge depth-profiles were obtained by subjecting a polymer film to short laser-induced heat pulses. The high data acquisition speed of this technique also allowed the three-dimensional mapping of polarization and space-charge distributions.
A highly active field of research is the development of piezoelectric sensor films from electret polymer foams. These materials store charges on the inner surfaces of the voids after having been subjected to a corona discharge, and exhibit piezoelectric properties far superior to those of traditional ferroelectric polymers. By means of dielectric resonance spectroscopy, polypropylene foams (presently the most widely used ferroelectret) were studied with respect to their thermal and UV stability. Their limited thermal stability renders them unsuitable for applications above 50 °C. Using a solvent-based foaming technique, we found an alternative material based on amorphous Teflon® AF, which exhibits a stable piezoelectric coefficient of 600 pC/N at temperatures up to 120 °C. / Elektrete sind Materialien, welche orientierte elektrische Dipole oder eine elektrische Überschussladung über längere Zeit speichern können. Der Begriff wurde 1885 von Oliver Heaviside in Anlehnung an das Wort "Magnet"
eingeführt. Zunächst nur als wissenschaftliche Kuriosität betrachtet, wurden sie seit Mitte des 20. Jahrhunderts in zunehmendem Maße für technische Anwendungen interessant. Als bekanntestes Beispiel sei hier das 1962 von Sessler und West entwickelte Elektret-Kondensator-Mikrofon erwähnt, welches in jährlichen Stückzahlen von mehr als 1 Milliarde hergestellt wird und aus der modernen Kommunikationstechnik nicht mehr wegzudenken ist.
Trotz der weit verbreiteten Anwendungen in der Sensorik war bisher nur wenig über die mikroskopischen Mechanismen der Ladungsspeicherung bekannt. Allgemein wird davon ausgegangen, dass die Überschussladungen in physikalischen oder chemischen Haftstellen gespeichert sind. Bisherige Experimente zur thermisch stimulierten Entladung ergaben Bindungsenergien unterhalb von 2 eV, was im Widerspruch zu den beobachteten Lebensdauern (extrapoliert wurden Werte von mehr als 100000 Jahren) steht. Mittels photostimulierter Entladung sowie simultaner Messung des Ladungsprofils konnte nun für eine Reihe wichtiger Elektret-Polymere (darunter das unter dem Handelsnamen Teflon® bekannte Polytetrafluorethylen, Polypropylen und Polyethylenterephthalat) erstmals gezeigt werden, dass zumindest ein Teil der Ladungen in tiefen Haftstellen von bis zu 6 eV gespeichert wird, was auf eine tiefgreifende lokale Strukturänderung hinweist. Ausgehend von dieser Information könnten in Zukunft Materialien mit verbesserter Ladungsspeicherung gezielt entwickelt werden.
Die neuen Messungen waren erst möglich, nachdem mehrere Verfahren zur Bestimmung elektrischer, elektromechanischer und mechanischer Eigenschaften von Elektreten für einen In Situ-Einsatz weiterentwickelt wurden. So konnten z. B. durch Anregung von kurzen Wärmepulsen in der Polymerfolie Informationen über das Tiefenprofil der Raumladung in Echtzeit gewonnen werden. Die schnelle Abtastung ermöglichte darüber hinaus die dreidimensionale Kartierung von Polarisationsprofilen und Raumladungen.
Ein zur Zeit sehr aktives Forschungsgebiet ist die Entwicklung piezoelektrischer Sensorfolien aus geschäumten Elektret-Polymeren. Nach elektrischer Aufladung in einer Korona-Entladung werden Ladungen an der Innenseite der Gasbläschen gespeichert, wodurch das Material piezoelektrische Eigenschaften erhält, welche deutlich besser sind als die der herkömmlichen ferroelektrischen Polymere. Für die bisher gebräuchlichen Polypropylenschäume wurde neben der Temperaturstabilität mittels dielektrischer Resonanzspektroskopie auch das Verhalten unter UV-Bestrahlung untersucht. Aufgrund ihrer beschränkten thermischen Stabilität sind diese Schäume nicht für Anwendungen oberhalb von 50 °C geeignet. Mittels eines Lösungsmittel-basierten Schäumungsverfahrens wurde ein alternativer Werkstoff auf der Basis von amorphem Teflon® AF entwickelt, welcher einen stabilen piezoelektrischen Koeffizienten von 600 pC/N bei Temperaturen von bis zu 120 °C aufweist.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:568 |
| Date | January 2004 |
| Creators | Mellinger, Axel |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Physik und Astronomie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | Text.Thesis.Habilitation |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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