• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Исследовательские проектыТеория транспорта носителей заряда и радиационной электропроводности полимеров

Теория транспорта носителей заряда и радиационной электропроводности полимеров

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2015

Целью НИР является создание теории нестационарного транспорта носителей заряда в полимерах, включая генерацию геминальных пар, их разделение на свободные заряды с последующим их дрейфом и диффузией в нестационарном режиме в приложенном электрическом поле до выхода на тянущий электрод включая разработку полуэмпирической модели транспорта зарядов в МДП на базе квазизонной модели твердого тела и методологии определения модельных параметров полимера по результатам проведения лабораторных экспериментов с использованием усовершенствованной радиационно-индуцированной времяпролетной методики, а также расширение базы данных по радиационной электропроводности технических полимеров путем определения параметров полуэмпирической модели Роуза-Фаулера-Вайсберга.

Используемые методы:

  • современные физико-математические методы моделирования транспорта носителей заряда в неупорядоченных твердых телах;
  • радиационно-индуцированный метод времени пролета применительно к области сверхвысоких полей, близких к электрической прочности МДП;
  • оригинальная (защищенная рядом патентов), единственная в мире методика изучения электронного транспорта и электризации полимерных пленок на базе электронно-лучевого агрегата ЭЛА-50/5, созданная и работающая в Учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ НИУ ВШЭ (УИЛ ФБКА и С);
  • метод структурного электрофизического моделирования, основанный на расчете картины растекания токов по элементам конструкции космических аппаратов (КА) при электростатических разрядах и последующем определении уровня электромагнитных помех во фрагментах бортовой кабельной сети (БКС) КА, проложенных по внешней поверхности.

Эмпирическая база исследования:

  • проведение экспериментальных исследований по зависимости подвижности носителей заряда в МДП от приложенного электрического поля с использованием усовершенствованной методологии, основанной на радиационно-индуцированном варианте времяпролетной методики;
  • проведение численных расчетов на базе разработанной нами программы численного анализа неравновесного транспорта носителей заряда, используя для этой цели модель многократного захвата с гауссовым распределением ловушек по энергии.

Результаты работы:

Рассмотрена радиационная электропроводность полимеров на переменном токе. Наблюдаемые в ряду полимерных материалов согласованные изменения проводимости на переменном токе и эффективной диэлектрической проницаемости могут быть объяснены из закономерностей прыжкового транспорта как результат сравнительно небольших вариаций характерной длины туннельных прыжков носителей заряда.

Проведен теоретический анализ особенностей нелинейной полевой зависимости радиационно-импульсной электропроводности полистирола в сильных электрических полях. Предложено объяснение ранее непонятому явлению резкого увеличения радиационной электропроводности в электрических полях, превышающих 5·107 В/м. Подобное поведение не может быть объяснено на основе теории Онзагера по термополевой генерации свободных зарядов из генерированных геминальных пар.

Рассмотрены общие вопросы переноса избыточных носителей заряда в полимерах.

Приведены параметры переноса для ряда полимеров и рассчитаны дрейфовые смещения основных носителей заряда в них для нескольких промежутков времени. Обсуждаются причины  уникальных фотоэлектрических свойств поливинилкарбазола.

Модель транспорта носителей заряда, основанная на  квазизонной теории многократного захвата с гауссовым распределением ловушек по энергии, использована для теоретического анализа температурно-полевой зависимости подвижности дырок в типичном молекулярно допированном полимере. Показано, что учет предписанной полевой зависимости частотного фактора по закону Пула-Френкеля в условиях неравновесного транспорта позволяет объяснить наблюдаемое снижение эффективной энергии беспорядка с ростом электрического поля при сохранении неизменным исходного энергетического распределения прыжковых центров.

Степень внедрения, рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР

Итоги НИР

Наблюдаемые в ряду полимерных материалов  согласованные изменения проводимости на переменном токе и эффективной диэлектрической проницаемости могут быть объяснены из закономерностей прыжкового транспорта как результат сравнительно небольших вариаций характерной длины туннельных прыжков носителей заряда. Более глубокое обоснование предложенного в данной главе подхода требует сопоставления с результатами более детальных экспериментальных исследований (например, частотной зависимости и абсолютных величин РЭ в различных материалах, зависимости РЭ от температуры и концентрации прыжковых центров и т.д.).

Характер отклика полимеров (форма кривой переходного тока) при их фото- или радиационной ионизации в ряде случаев сильно зависит от способа генерации носителей заряда, т.е. от того, является ли он приповерхностным или объемным. Это обстоятельство объясняет качественно различные результаты, полученные по двум наиболее распространенным методам изучения подвижности носителей заряда – времени пролета и нестационарной радиационной электропроводности. Наиболее однозначна интерпретация данных, полученных с использованием именно последнего метода, как наименее отягощенного потенциально значимыми факторами методического характера и именно эти данные подлежат сравнению с выводами существующих теоретических моделей. В методе времени пролета не до конца понята роль приповерхностного слоя, который определенно оказывает заметное влияние на регистрируемый переходный процесс в определенном временном интервале (роль этого фактора в методе нестационарной радиационной электропроводности сведена к минимуму).

Совокупности существующих экспериментальных данных по радиационной электропроводности  показывает, что транспорт носителей заряда в полимерах, включая модельный поливинилкарбазол и молекулярно-допированные полимеры, является дисперсионным, а не гауссовым, и хорошо описывается в рамках модели многократного захвата с экспоненциальным распределением ловушек по энергии. Однако в отличие от квазизонного варианта модели применительно к полимерам физическая сущность ее основных параметров претерпевает существенные изменения. Модель гауссова беспорядка определенно неприменима для описания процессов переноса в полимерах.

Существующие теоретические модели, предложенные для интерпретации полевой, температурной и концентрационной зависимости подвижности носителей заряда, измеренной по моменту окончания плато на времяпролетной кривой, следует рассматривать как чисто феноменологические, предназначенные для описания участка кривой переходного тока в районе плато при приповерхностном характере генерации носителей заряда, что имеет большое практическое значение для понимания особенностей работы фоторецепторов в электрофотографических устройствах и светоизлучающих диодах, использующих принцип инжекции (в том числе и фотоинжекции) носителей заряда из электродов или генерационных слоев.

Существует настоятельная необходимость исследования возможных механизмов влияния приповерхностного слоя полимера на особенности переходного тока при приповерхностном способе генерации избыточных носителей заряда как в связи с потребностями практики, так и для повышения информативности и достоверности классического метода времени пролета применительно к неупорядоченным материалам, включая полимеры.

Рекомендации по внедрению результатов работы

Полученные результаты рекомендуется использовать при проектировании ракетно-космической техники и бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов для её защиты от воздействия электростатических разрядов.

Публикации по проекту:


Жаднов В. В. Методики расчета показателей ремонтопригодности автоматизированных систем управления и связи // В кн.: XXXIV Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». Часть 5 Ч. 5: Проблемы повышения эффективности и безопасности функционирования автоматизированных систем управления и связи (информационных систем). Серпухов : Военная академия РВСН имени Петра Великого, 2015. С. 44-48.
Борисов Н. И., Востриков А. В., Жадов А. Д., Колтунова В. Э. Программирование методов расчета картины растекания токов по поверхности космических аппаратов // В кн.: Новые информационные технологии в автоматизированных системах: материалы восемнадцатого научно-технического семинара / Науч. ред.: В. А. Галактионов, С. Р. Тумковский. М. : Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2015. С. 317-324.
Абрамешин А. Е., Жаднов В. В. Оценка интенсивности отказов интегральных схем бортовой космической аппаратуры при воздействии электростатических разрядов // В кн.: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: Материалы международной научно-практической конференции (2015) / Отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсов; науч. ред.: А. Н. Тихонов. М. : НИУ ВШЭ, 2015. С. 377-379.
A.P. Tyutnev, B.L. Linetskiy, A.V. Nikerov, V.S. Saenko. Pulsed RadiationInduced Conductivity of Polymers in Strong Electric Fields // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2015. Vol. 9. No. 4. P. 648-657. doi
V.S. Saenko, A.P. Tyutnev, Nikolski E. V., Bakutov A. E. Protection of the Spectr-R Spacecraft Against ESD Effects Using Satellite-MIEM Computer Code // IEEE Transactions on Plasma Sciences. 2015. Vol. 43. No. 9. P. 2828 -2831.
Костенников С. И., Тумковский С. Р. Верификация скорости нарастания выходного напряжения макромодели операционного усилителя // В кн.: Новые информационные технологии в автоматизированных системах: материалы восемнадцатого научно-технического семинара / Науч. ред.: В. А. Галактионов, С. Р. Тумковский. М. : Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2015. С. 339-344.
Жаднов В. В. Анализ методик расчетной оценки показателей ремонтопригодности радиоэлектронной аппаратуры // В кн.: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: Материалы международной научно-практической конференции (2015) / Отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсов; науч. ред.: А. Н. Тихонов. М. : НИУ ВШЭ, 2015. С. 380-382.