Матеріали електретні

Визначення і загальна характеристика

МАТЕРІА́ЛИ ЕЛЕКТРЕ́ТНІ  — потенціальні носії метастабільного (довготривалого) електретного стану, що проявляється в існуванні квазістатичного електричного поля навколо цих матеріалів. Перехід М. е. до електрет. стану відбувається під дією збуджуючих й орієнтуючих чинників. Збуджуючими чинниками можуть бути підвищена температура, деформація, корон. розряд, іонне бомбардування, електрон. промінь, іонізуюче (a-, b-, g-), рентґенів., ультрафіолет., видиме та лазерне випромінювання, магнітне поле і їхні комбінації. Орієнтуючими чинниками є зовн. чи утворене осадженими зарядами електр. поле. Залежно від властивостей М. е., збуджуючого чинника й особливостей оброблення електрет. стан може бути бі- (дво-) чи монополярним (однозарядним), а перехід до електрет. стану відбувається або в об’ємі, або побл. поверхні М. е. При цьому М. е. може поляризуватися і (або) заряджатися, а тому й накопичувати електр. енергію, за рахунок якої потім підтримується електр. поле зовні нього. Клас М. е. складають аморфні, аморфно-кристал., склоподібні, керам., полі- і монокристал. діелектр. та напівпровідник. матеріали органіч. і неорганіч. походження. Заг. властивістю всіх М. е. є можливість переходу до електрет. стану. Механізм переходу та природа залишк. поляризації визначаються станом М. е. (аморф., кристал.), його походженням (органічне, неорганічне), а також фіз.-хім. і структур. характеристиками. Як М. е. першими дослідили смоли, шлак, бджолиний віск, сірку (англ. учений С. Ґрей, 1732). Нині матеріалозн. базис орган. М. е. складають: натурал. і синтет. смоло-воск. М. е. рослин. і органіч. походження (щільність заряду 1–100 нКл/см², час «життя» 10 000 р. при т-рі до 50 °С), пласт-полімерні М. е., зокрема поліметилметакрилат (органічне скло, або плексиглас; 1 нКл/см², 3–5 р.), плівки неполяр. (тетрафторетилен, етилентерефталат, фторетиленпропілен) і поляр. (вініліденфторид) полімерів (10 нКл/см², 100 р.). До серед. 20 ст. вважали, що створення електрет. стану можливе лише в органіч. дипол. М. е. Сучас. матеріалозн. базис неорганіч. М. е.: полі- і монокристали (S, Se, CdS:(Cu, Cl), (Zn:Cd)S, ZnS, KCl, LiF, Ag(Cl, Br, I); подвійні оксиди металів (PbO, Pb₃O₄, ZnO, TiO₂, A_l2O₃, SiO₂); потрійні оксиди металів (типу A²+B⁴+O₃, A^II,IV,VB^IVO₃, де A = Mg, Ca, Zn, Sr, Cd, Ba, Pb, Bi, B = Ti, Zr, Sn, Hf) і кераміки на їхній основі; скло та склоподібні матеріали, які є багатофаз. некристал. матеріалами із ближ. порядком і підвищеною концентрацією дефектів і мікронеоднорідностей; сітали (Si–Ti–Al-склоке-раміки), або склокристалічні діелектрики, в яких мікро- і нанозони з дальнім порядком знаходяться в склоподіб. оточенні з ближнім порядком; кремнійпохідні матеріали (монокристал. кварц (SiO₂), аморфні оксид (α-SiO₂) і нітрид (Si₃N₄) кремнію; кристали класу силеніту Bi₁₂XO₂₀ (X = Ge, Si, Te) і комбінов. структури типу кремній–полімер. Порівняно з органіч. М. е. у неорганіч. М. е. більш висока термостійкість, вони краще сумісні з гібрид. і кремнієвою технологіями. За заряд. характеристиками (~ 10 нкКл/см²) скло та сітали є близькими до воскоподіб. М. е., а за часом «життя» (5 р.) і термостійкості — до керам. М. е. Порівняно з ін. органіч. і неорганіч. носіями електрет. стану кремнійпохідні М. е. мають такі переваги: умови виготовлення структур і їхнього оброблення для отримання електрет. стану сумісні із вимогами й умовами напівпровідник. мікротехнології; умови функціонування відповідають умовам експлуатації для більшості виробів сучас. напівпровідник. електроніки; наявна принцип. можливість багатораз. відновлення електрет. стану під час експлуатації (період. акумуляція). Електрети — вироби з М. е., призначені для довготривалої підтримки порівняно високого (~ 10 кВ/см) електр. поля без зовн. джерела живлення та високовольт. перетворювача. Як джерело електр. поля з різноймен. полюсами вони є електростат. еквівалентом постій. магніту. Низькі вироб. затрати під час виготовлення електретів (низька собівартість) сприяють масовому випуску електрет. пристроїв. Під час виготовлення електрета з одним електродом безпосередньо на поверхні М. е. і зазором між поверхнею М. е. і ін. електродом, у цьому зазорі створюється сильне електр. поле. Зміна товщини зазору зовн. акуст. або мех. дією (мембран. ефект) веде до появи в колі електродів змін. струму і навпаки, прикладання до електродів електр. напруги спричинює змінювання товщини зазору. Цей принцип є базовим для побудови як первин. (мікрофонів), так і кінцевих (випромінювачів) електроакуст. перетворювачів. Електрет. мікрофонами зареєстровані інфразвуки (частотою ~ 1 Гц), генеровані під час старту косміч. ракети «Сатурн-5» з відстані 1000 км, а також коливання атмосфери, викликані поглинанням випромінювання пульсарів (нейтрон. зірок з періодом обертання ~ 1 сек. і менше). Фото-М. е. широко застосовують у техніці ксерографії («сухій фотографії»), де переважно відбувається деполяризація фотоелектрет. стану світлом. Структури SiO₂-тефлон завтовшки 5 мкм використовують у соняч. елементах. Їхній коефіцієнт корис. дії наближається до 10 %. У мікро­електромеханіці працюють матриці тонкоплівк. мікрореле на базі SiO₂-електретів, що мають енергоспоживання, розміри та вагу набагато менші, ніж електромагнітні аналоги. Полімер. М. е. властива сумісність із живими тканинами, їхній електрет. стан позитивно впливає на процес загоювання кісток, тому їх використовують у біології та медицині. М. е. є складовими аудіо- і електроакуст. обладнання (мікрофонів, телефонів, гідрофонів), електромех. перетворювачів (звукознімачів, вібродатчиків, двигунів, сенсор. перемикачів, дисплеїв), іскробезпеч. повітр. і газ. фільтрів та газо­аналізаторів, радіац. дозиметрів, гігрометрів, тахометрів. Їх застосовують у ксерографії, комп’ютер. графіці та системах ультра­звук. голографії. Умови експлуатації та зберігання електретів мають свою специфіку, пов’язану з природою електрет. стану. Важливим є мінімізація факторів розряджання електрета: іонізуючого та надвисокочастот. випромінювання, ультразвуку високої інтенсивності, підвищених вологості та температури. Напр., за віднос. вологості 25, 50 і 80 % час «життя» для електретів із СаTiO3 становить 1000, 45 і 7 діб відповідно, з плексигласу — 300, 10 і 7 діб. Для тефлону при 25 °С і низькій вологості він вже становить 200 р., а при 50 °С і віднос. вологості 99 % — бл. 1 рік. Іонізуюче випромінювання стимулює збільшення електропровідності оточення та утворення дефектів у М. е., що призводить до обмеження часу існування електрет. стану. Напр., косміч. фон генерує в 1 см³ бл. 100 іонних пар за 1 сек., що з урахуванням «самозагоювання» М. е. визначає природну межу часу існування електрет. стану «сухого» М. е. ~ 10 000 р. Як і для ін. джерел накопиченої електроенергії (зокрема гальваніч. елементів), для електретів характерна деполяризація з часом. Ця властивість М. е. може вважатися їхнім критич. недоліком тільки тоді, коли потрібна тривалість роботи пристрою є близькою до половини часу існування електрет. стану, або коли період. відновлення електрет. стану неможливий за тех. умов. Переваги електрет. перетворювачів, зокрема непотрібність джерела живлення, а отже автономність для датчиків (первин. перетворювачів), низьке енергоспоживання приладів керування для актюаторів (виконав. і кінцевих переміщувачів), мала вага, простота, висока надійність обумовлюють перспективність використання М. е. в малодоступ. об’єктах, зокрема тих, що обертаються, а також у косміч. техніці. Електретні багатошар. структури на основі композитів типу склополімерів і кополімерів є перспектив. для мікроелектроніки, світловод., мед. і роботехніки, енергоощад., біол. і телекомунікатив. технологій. Характерна для електрет. стану щільність поверхн. заряду ~ 100 нКл/см² відповідає 10¹² елементар. зарядів на 1 см². При цьому на один елементар. заряд припадає пл. ~ 10 × 10 нм². Тому для наномасштаб. атестації електрет. стану необхідно залучати методи з підвищеною (порівняно з відомими методами термохвильового і акуст. зондування) розрізнял. здатністю. Для картографії поверхн. заряду та електр. поля побл. поверхні М. е. ефективними є методи скануючої зонд. силової мікроскопії. На сучас. етапі гол. задачею технології отримання та техніки використання М. е. в електрет. структурах субмікрон. розмірів є інтегрування М. е. до кремнієвого базису сучас. електроніки на основі мікро- і нанотехнологій. Перспектив. напрямом є створення М. е. і вивчення властивостей їхнього електрет. стану в просторово обмежених (низькорозмір.) системах (плівках, текстурах, волокнах тощо) та в наномасштаб. композит. системах, особливістю яких є структурно-розмірні ефекти й унікал. простор. архітектура.

Завантажити статтю