• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Исследование механизмов радиационной и пост-радиационной электропроводности ароматических полиимидов и молекулярно допированных полимеров

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2018

Цель работы

На основании экспериментально-теоретических исследований установить истинный механизм и параметры радиационной и пост-радиационной  проводимости как индивидуальных, так и молекулярно допированных полимеров, в частности, ароматических полиимидов и молекулярно допированного поликарбоната, в целях их использования для направленного изменения свойств полимеров, обеспечивающих их эффективное применение в космической индустрии.

Используемые методы

В ходе выполнения работы использовались следующие методы:

  • современные физико-математические методы моделирования транспорта носителей заряда и диффузионного движения частиц в неупорядоченных твердых телах;

  • радиационно-индуцированный метод времени пролета применительно к области сверхвысоких полей, близких к электрической прочности МДП.

Эмпирическая база исследования

Экспериментальные исследования проводились на созданной в МИЭМ НИУ ВШЭ уникальной установке, позволяющей с использованием проводить облучение диэлектрических образцов пучком ускоренных электронов в вакууме. Вакуумная камера установки снабжена веб-камерой, которая позволяет визуализировать и записывать видеоинформацию при проведении радиационных экспериментов, в том числе и для регистрации электростатических разрядов.

Результаты работы

Результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований радиационной и пост-радиационной проводимости образцов полимеров с использованием модели Роуза-Фаулера-Вайсберга и анализа диффузионного движения частицы в случайном пространственно коррелированном энергетическом ландшафте, имеющем гауссову ПС, которые представляют собой базис для создания теоретических основ методики расчета радиационной и пост-радиационной электропроводности полимеров и МДП при выборе полимерных материалов для космической отрасли.

Показано, что даже для незначительно малого разупорядочения из-за влияния диффузии плоское плато не может наблюдаться относительно текущих переходных процессов TOF в очень тонких слоях органических материалов (меньше чем 40 нм) на уровне 107 В/м. Получены аналитические выражения, описывающие эволюцию времени и пространства концентрации носителей и временную зависимость плотности тока TOF, для самого важного граничного условия равенства нулю суммарной плотности тока на переднем электроде.

Показано, что МД-радиационная проводимость является неотъемлемым свойством Kapton-подобных полимеров (и МЛП), предотвращающих резкое падение их радиационной проводимости при длительном времени облучения (и больших накопленных дозах), что так характерно для обычных полимеров, таких как полистирол и полиэтилентерефталат. Установлено, что модифицированный дозой эффект обусловлен образованием метастабильной конъюгированной структуры расширенного характера в полимерах, уже содержащих четко определенные молекулярные группы боковой или внутренней цепи с локальным сопряжением (так называемые хромофоры), такие как поливинилкарбазол (ПВК) и Kapton, соответственно. В молекулярно-легированных полимерах эти группы присутствуют в объеме как отдельные сущности.

Рассмотрено диффузионное движение частицы в случайном пространственно коррелированном энергетическом ландшафте, имеющем гауссову ПС, для которого простое соотношение Эйнштейна не выполняется. Используя теорию возмущений, обнаружено, что модифицированное соотношение Эйнштейна (мСЭ) является исключительно свойством одномерного транспорта и не допускает обобщения на случай высших размерностей. По этой причине обычная оценка коэффициента диффузии с использованием экспериментально измеренной подвижности может быть приближенно справедливо только в области слабого поля, поскольку в пределе нулевого приложенного поля простое соотношение Эйнштейна безусловно выполняется, а для слабых полей коэффициент диффузии не может сильно отличаться от значения в нулевом поле. Предложено новое доказательство мСЭ для одноразмерного случая. Это новое доказательство позволяет расширить область справедливости мСЭ на произвольный гауссов случайный энергетический ландшафт и не зависит от предположения о конкретном виде корреляционной функции, охватывая, таким образом, более широкое многообразие ситуаций. Получены ведущие поправки для средней скорости и коэффициента диффузии в пределе слабого приложенного поля и показано, как такие поправки зависят от размерности пространства и корреляционных свойств случайного ландшафта.

Полученные результаты являются базой для создания методики подбора и отбраковки полимеров космического применения, т.к. помогают контролировать объемную загрузку изоляторов, используемых на внешних поверхностях космических аппаратов или в виде печатных плат в электронных устройствах электронами окружающей космической плазмы. Подчеркивается, что полученные результаты позволяют рассматривать так называемые «бедные» диэлектрики, у которых внутренняя (темновая) проводимость составляет около 10-9 м-1. В настоящее время диэлектрики с сильным МД-эффектом следует рассматривать как паллиатив только в ожидании их замены соответствующими нанокондуктивными изоляторами, специально разработанными для космической отрасли. Кроме того, необходимо быть очень осторожным, делая оценку времени радиационной проводимости, поля и температуры, используя метод спада поверхностного потенциала. Параметрирование радиационной проводимости настоятельно рекомендуется указывать с точки зрения модели РФВ, чтобы обеспечить прямое сравнение с опубликованными данными.

Разработан одностадийный метод создания нанокомпозитов на основе ПАНИ-ПАМПСК: комплекса полианилина (ПАНИ), синтезируемого в присутствии поли-2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфоновой кислоты (ПАМПСК), включающих в свой состав графен и графеноподобные 2D наноструктуры (MoS2), путем непосредственного смешивания дисперсий компонентов. Показана пригодность полученных нанокомпозитов и комплексов ПАНИ-ПАМПСК для применения в качестве дырочно-транспортных слоев (ДТС) органических солнечных элементов (ОСЭ).

Проведен анализ аномально высокого магнитосопротивления в геексабориде европия.

Степень внедрения, рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР

Рекомендации по внедрению. Планируется применение выполненной НИР в ракетно-космической технике и бортовой аппаратуре. Полученные результаты будут использоваться для расчета величин помеховых сигналов, возникающих вследствие электростатических разрядов в результате электризации диэлектрических материалов космических аппаратов, и приводящих к выходу из строя бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

Публикации по проекту:


Iakobson O. D., Gribkova O. L., Alexey R. Tameev, Nekrasov A. A., Saranin D. S., Aldo D. Graphene nanosheet/polyaniline composite for transparent hole transporting layer // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2018. Vol. 65. P. 309-317. doi
Vostrikov A. V., Prokofyeva E. N., Polesskiy S. Design of onboard cable network of the spacecraft for the formation of geoinformation systems, in: 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Proceedings. M. : IEEE, 2018. P. 1-5. doi
Востриков А. В., Прокофьева Е. Н., Кульгина А. К., Шарова Д. С. Программный модуль для анализа электрических схем // Системный администратор. 2018. № 6. С. 62-64.
Novikov S.V. Diffusion of a particle in the Gaussian random-energy landscape: Einstein relation and analytical properties of average velocity and diffusivity as functions of driving force // Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2018. Vol. 98. No. 1. P.  012128-1- 012128-8. doi

См. также

Ключевые слова