propriétés des isolants: influence des charges électriques

1

Propriétés des isolants:

Influence des charges électriques

Laboratoire de Physico-Chimie des PolymèresLPCP- UMR CNRS 5067

présenté par Christelle GUERRET

Chargée de recherche du CNRS

en vue de l'obtention de l'Habilitation à Diriger des Recherches

2

Capteurs électro- mécaniques d'accélération Engins spatiaux Isolants pour câbles

Extrusion de polymères

Ecran plat à effet de champ

Quel rôle pourles charges électriques ?

Pièces pour robinet à mitigeur

Bougies d'allumageGuide-fils et galets de friction

3

Introduction

PLANPLAN

I. Exemples d'applications industrielles des isolants: Mise en évidence du

rôle des charges électriques.1. Modification du frottement et de l'adhésion

2. Ecoulement et piégeage des charges électriques.

II. Contribution des forces électrostatiques aux propriétés d'adhésion des

matériaux:

III. Caractérisation des propriétés d'écoulement et de piégeage des charges :

méthode "miroir" et simulations

IV. Conclusions et Perspectives

4

Capteurs électro-mécaniques d'accélération

I. Exemples d'applications industrielles des isolants

I.1. Modification du frottement et de l'adhésionI.1. Modification du frottement et de l'adhésion

Principe :- bille métallique dans un guide isolant- repoussée par un champ magnétique

- lors d'une accélération forte ou d'une

collision la bille franchit le champ

magnétique et fait contact électrique.

utilisation triboélectrification contre le guide bille collée contre la paroi

Blocage du capteur par adhésion de la bille sur son

guide isolant

Etude fondamentale de l'interaction d'unebille métallique chargée avec un plan isolant

Intérêt de la compréhension des phénomènes de triboélectrification

ACI* (Tribosurfélec)

*Action Concertée Incitative

5

Pièces pour robinets à mitigeur


I.1. Modification du frottement et de l'adhésionI.1. Modification du frottement et de l'adhésion

Principe :- réglage simultané du débit et de la température de l'eau- orifices de deux disques mobiles superposés en céramique- glissement l'un sur l'autre lors du réglage

utilisation frottement des deux disques collage des deux disques

Blocage du robinet par adhésion des deux disques

céramiques

ACI* (Tribosurfélec)Intérêt de la compréhension des phénomènes de triboélectrification entredeux matériaux antagonistes de mêmenature

*Action Concertée Incitative

6

Guide-fils et galets de friction pour l'industrie textile

I. Exemples d'applications industrielles des isolantsI.2. Ecoulement et piégeage des charges électriquesI.2. Ecoulement et piégeage des charges électriques

Performances:- grande résistance à l'abrasion- résistance à la corrosion chimique- caractéristique mécaniques élevées- matériaux utilisés: Al203, Al203+Zr, Ti02

Fil adhère au guide-fil au cours de l'utilisation lorsquele coefficient de frottement

est trop important

Etude précédente*:lien coefficient de frottement - capacité du matériau à piéger des charges

ACIThèse T. Temga

Importance de la capacité des matériaux à piégerdes charges : étude de Ti02

* J Vallayer, C Guerret, D. tréheux, Proceedings EUROMAT 2000

7

I. Exemples d'applications industrielles des isolantsI.2. Ecoulement et piégeage des charges électriquesI.2. Ecoulement et piégeage des charges électriques

Ecrans plats à effet de champ *

Vide Espaceur

Problème de "mélange" des couleurs dû au champ électrostatique créé par le

chargement des espaceurs

Classement en "isolants piégeurs"et "isolants conductifs"*

Caractérisation du comportement des diélectriques sous irradiation : écoulement, piégeage des charges...

* D. Braga, Mémoire de Thèse, Université Paris XI, 2003.* * T. Thome, D. Braga, G. Blaise, J. Appl. Phys., 2004, 95 (5), 2619 .

8


Bougies d'allumage

Viellissement du matériauRésistance au claquage diélectrique dans différentes

gammes de température

Conditions d'utilisation :- milieu corrosif- importantes variations de température et de pression- haute tension- miniaturisation des composants

Problème de claquage diélectrique

des bougiesd'allumage

Applications:- motos- automobiles- bateaux- fusées- plaques de cuisson...

I.2. Ecoulement et piégeage des charges électriquesI.2. Ecoulement et piégeage des charges électriques

Thèse X. Meyza*Thèse M. Touzin*

Ecoulement et piégeage des charges...Liens avec la tenacité diélectrique des isolantsComportement en température, vieillissement ...

* thèses de l'Ecole des Mines de St Etienne, Direction D. Goeuriot

9

I. Exemples d'applications industrielles des isolants: Mise en évidence du rôle des charges

électriques.

1. Modification du frottement et de l'adhésion


II. Contribution des forces électrostatiques aux propriétés d'adhésion des matériaux:

1. Exemple de la bille métallique chargée en contact avec un isolant

2. La triboélectrification entre deux matériaux de même nature

III. Caractérisation des propriétés d'écoulement et de piégeage des charges : méthode

"miroir" et simulations


PLANPLAN

10

Expériences

II. Contribution des forces électrostatiques aux propriétés des matériaux:

II.1. II.1. BilleBille mméétalliquetallique chargchargééee en contact avec un en contact avec un isolantisolant

Objectifs de l'étude:

- mise en évidence de l'importance des forces électrostatiques

- injection "douce" de charges électriques dans un isolant?

αααα

Injection des électrons(30 keV)

bille métallique

Echantillon isolant

holderpA

Canon àélectronsdu MEB

méplat

Tilt

pA

Fmgkcosksin =α−α

11

Expériences



ααα

Pote

ntie

lde

surf

ace

V s (V

)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

0

2000

4000

6000

8000

10000

Pote

ntie

lde

surf

ace

V

expériences

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

0

2000

4000

6000

8000

10000

Zone 1pas declaquage

Zone 2claquagealétoire

Zone 3claquage systématique

Charge totale Qtotale (pC)

expériences

Echantillon isolant

pAholder

pApAholder

pA

Charge injectée:Qtotale

pApApAholder

pA

Vs

α

Tilt

pA

Ang

le li

mite

(deg

rés)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

10

20

30

40

50

60

70

Charge totale (pC)

Zone 1 Zone 2 Zone 3α

12

Simulations (Flux 2D)



Modèle numérique* :

- symétrie axiale, charge dans la bille Qi, potentiel Vs

- bille reposant sur un disque isolant (εr) d'épaisseur h (R=20mm)

- isolant posé sur un plan métallique mis à la masse

Qi= C Vs

* collaboration avec N Burais, CEGELY, EC Lyon

Influence du porte-échantillon

Rôle prépondérant de εr

1 2 3 4

Cap

acité

(F)

0

9E-13

1E-12

Epaisseur de l'échantillon (cm)

SimulationExpériences

8E-13

7E-13

6E-13

5E-13

4E-13

0 2 4 6 8 10

1mmsimulation 5mm

40mm

saphir 5mmexpériences saphir 1mm

quartz 5mm

εr0 2 4 6 8 10

9E-13

8E-13

7E-13

6E-13

5E-13

4E-13

3E-13

2E-13

Cap

acité

(F)

13

Approche analytique


II.1. II.1. BilleBille mméétalliquetallique chargchargééee en contact avec un en contact avec un isolantisolantHypothèses du calcul:

- bille conductrice posée sur un diélectrique semi-infini- cas (a): sphère chargée Qi, plan non chargé- cas (b): sphère chargée Qi, plan chargé Qt- Qt charge ponctuelle

1i1*q*Aq 1

i1i +=+

i1*q*Aq 1

i'i −=

R1ii

1i +=∆ +

q1

q'1

q2q3

q'2

q'3

0∆ 2

ε r

ε0

A=(εr-1)/(εr+1)interface vide/diélectrique

∆ i= distance q i- centre Oq'i symétrique de q i / interface

R

i1 Q*)A1ln(Aq −

−=

∑∞

= −πε−=

∆−πε=

1ii

0i0

is Q)A1ln(

AR4

1)R(*4

qV

=∆−∆−πε

= ∑∑j

2ji

'ji

i0 )R2(qq

41F ε−πε

K*Q*))A1ln(A(

R41 2

i2

20

Capacité C

∑∑ += −+ε

j2

1)ji(

i )ji(ijAK

Cas (a) plan non chargé: 2 séries infinies de charges images

Qi

sapphir (εr=10) Kε=4.69, quartz (εr=4.3) Kε=0,91

14

Approche analytique



Cas (b) plan chargé Qt: 4 séries infinies de charges images

∑ ∑∞

=

∞

= +ε+−

−πε

−=∆−πε

+∆−πε

=1i

tr

i01i

di0

di

i0

is ]Q1

2Q)A1ln(A[R4

1)R(*4

q)R(*4

qV

]Q*Q*1

2K*Q*))A1ln(A[(

R41F ti

r

2i

22

0 +ε−−πε

= ε

0

ε r

ε0

RQi

Qt

F

15

Approche analytique



Pote

ntie

lde

surf

ace

V s (V

)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

0

2000

4000

6000

8000

10000

Pote

ntie

lde

surf

ace

VQt (pC)

expériences

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

0

2000

4000

6000

8000

10000

Zone 1

Qi=Qtotale

Zone 2 Zone 3

Qi=Qtotale- Qrelarg.-Qt

claquagesystématique.

Charge totale Qt (pC)

calcul analytique

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

10

20

30

40

50

60

70

Ang

le li

mite

(deg

rés)

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

10

20

30

40

50

60

70

Charge totale (pC)

Zone 1 Zone 2 Zone 3

calcul analytique

Partie 1: Qi=Qtotale

Partie 2: Claquage aléatoire

Partie 3: Qi=Qtotale- Qrelarguées-QtClaquage systématique(Qrelarguées=6000pC, Qinjectées=200 pC)

i0

s Q)A1ln(

AR4

1V−πε

−=

ε−πε= K*Q*)

)A1ln(A(

R41F 2

i2

20

16

Bilan*



Résultats applicatifs:

* C. Guerret, D. Juvé, D. Tréheux, N. Burais Journal of Applied Physics , Vol 92 (12), p 7425, 2002

saphir (εr=10), Cte = 1,08quartz (εr=4.3) Cte = 0,36ε−πε

K*Q*))A1ln(A(

R41 2

i2

20

Félectrost = 2i2

0

QR4

Cteπε

=

Adhésion de la bille est un phénomène électrostatique

Choix du diélectrique: nature, épaisseurDimensions de la bille

Résultats fondamentaux:Mécanisme d'intéraction bille-plan sous injection d'électrons: 3 étapes

1- Bille peu chargée: charges électriques restent dans la bille

2- Claquage du milieu environnant , Relargage des charges présentes dans la bille.

3- Claquage systématique: Relargage dans le milieu environnant + injection et piégeage dans le plan isolant + reprise de l'injection dans la bille

Remarques: - piégeage stable et en volume- non utilisable pour injection "douce"

17


électriques.









PLANPLAN

18

II.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même naturePosition du problème *


Triboélectrification entre 2 matériaux différents: mécanisme identifié pour les métaux, non totalement établi lorsqu'au moins un des antagonistes est isolant

Triboélectrification entre 2 antagonistes de même nature: non comprise, non mise en évidence à l'échelle microscopique

Nombreuses études, avec développements récents (SFA, AFM, EFM )

* C. Guerret, S. Bec, D. Tréheux, C.-R. de l'Académie des Sciences. Paris, t2, Série IV, p. 1-14 2001

19

AFM: Tungstène/ TiO2 stoech. ou non/stoech, Ultravide.Sounilhac S., Barthel E., Creuzet F. , J. Appl. Phys., 85 (1) (1999)

<15nm : Forces de van der Waals dominent>15nm: Force électrostatique pour TiO2 stoechdensité de charges électriques : 10-3 mC/m2

dFz/d

D (N

m-1

)

100

10-1

10-2

W/TiO2 stoechW/TiO2 non-stoech

2010 4030 50DISTANCE D (nm)

31 2- 80

- 60

- 40

- 20

0

Forc

e (m

N)

Approche

Séparation

DISTANCE D (µm)

attraction à longue distance (>3 µm)densité de charges électriques : 10 mC/m2

Résultats de la littérature II.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même nature


AFM: Stabilité des charges dans des couches minces d'Al203.N. Felidj, J. Lambert, C. Guthmann, M. Saint Jean Eur. Phys. J. A. P. 12 (2000)

J. Lambert, C. Guthmann, M. Saint Jean J. Appl. Phys., 93 (9) (2003)

dépôt de charges sur les surfaces d'oxydes, par application d'un potentiel ou par frottement

densité de charges électriques : 10-5 mC/m2

Appareil à Force de Surface : Mica/Silice, dans N2 secHorn R.G. and Smith D.T Science 256, (1992)

20

II.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même natureII. Contribution des forces électrostatiques aux propriétés des matériaux:

Adhésion entre deux surfaces isolantes de même nature*

OBJECTIF :Mise en évidence de la triboélectrification de matériaux de même natureCaractérisation de la contribution de la force électrostatique résultante sur

l'adhésion

EXPERIENCE :Appareil à Force de Surface de l'ECL (SFA)2 antagonistes en alumine monocristalline (saphir)

sphère A

sphère B

Contact sphère-plan (R=3mm)

sphère A : aire de contact très lisse (Rm=qq nm)

sphère B : présence d'aspérités dans la zone de contact

* Action Concertée Incitative, " Tribosurfélec" , collaboration IFoS- LTDS** C. GUERRET-PIECOURT, J. VALLAYER, D. TREHEUX Wear, Vol 254, p 950-958, 2003

21

Avant frottement: - attraction due aux forces de van der Waals

- apparition d'un amortissement visqueux due à la formation d'un

ménisque Vide non suffisant pour éliminer toute l'eau

Après frottement : - apparition d'une force à longue distance, charges électrostatiques

Fz -AR 6D2=

Cas de la sphère lisse A II.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même nature


Observation MEB

Charges négatives

Diamètre du spot blanc 2mm

-150

100

150

200

250

-50

0

-100

-200

-250

50

-5 0 5 10 15distance sphère plan (nm)Fo

rce

Nor

mal

eFz

(µN

)

attraction due au ménisque

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

Am

ortis

sem

ent v

isqu

eux

ωA

z(N

/m)

-0.8

-0.3

0.2

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

log (D)

log

(Fz)

attraction de van der Waals

pente 2

Avant frottement Après frottement

22

Cas de la sphère B : attraction après frottementII.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même nature


-50-40-30-20-10

0102030

2000 2100 2200 2300 2400 2500

Temps (s)

Fz(µ

N)

-20

-12

-4

4A distance fixée, fin du déchargement :

attraction diminue avec le temps

Fz = Fo exp (- )(t - to)τ

τ = 256 s

D (n

m)

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0-20 0 20 40 60 80 100

Distance Sphère-plan D (nm)

Forc

e N

orm

ale

Fz(µ

N)

Procédure spécifique de déchargement instantané (qq s) :

attraction diminue avec la distance

23

Attraction après frottement : Modèle de Burnham & alII.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même nature


Modèle de Burnham, Colton et Pollock (BCP)Burnham N.A., Colton R.J., Pollock H.M., Phys. Rev. Lett. vol 69, n°1 (1992)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+ε

−ε

++ 11

)RAD2(zQQR

2

2pt

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+ε

−ε

++− 1

1

)AD(4Q

2

2

tπε =F4 0

- Qp +QpDA D+A

σpσt

Qt Qti

1er terme:

• due à l'interface vide/diélectrique

• toujours attractif

2ème terme:

• dépend du signe relatif de Qt et Qp

• même si Qt et Qp sont de même signe, à

faible distance le 1er terme domine

ε εε0

- Z + Z

Z=0

Dans le cas de notre symétrie:

ε =10 pour Al2O3

24

Attraction après frottement : Modèle de Burnham & alII.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même nature


0,0 20 40 60 80 100 120-50

-40

-30

-20

-10

0,0

Forc

e no

rmal

e(µ

N)

Distance sphère/plan (nm)

expériencefit modèle BCP

Frottement saphir-saphir

Meilleur fit entre 0 et 100 nm :

•Charges de même signe

Paramètres du fit :

•Qt= 4,76 10 -15 C, => σt=9,2 10-2 mC/m2

•A=26nm

•Qp/Z=2,2 10-7C/m

Pour comparaison :

Burnham et al : diamant/graphite

• Qt= 2 10 -16 C, => σt=4 10-5e/Å2

•A=10 nm,

•Qp/Z=4 10-8C/m=> σp=8 10-7e/Å2

Sounilhac et al : tungstène/TiO2

• Qt=0,54 10-15C

• A=68nm

• charges de même signe

25

Modification de l'adhésion due à la triboélectrification*II.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même nature


Bilan

(1) Mesure instantanée, Force à courte distance (0-100nm) :

Adhésion modifiée par présence d'une force électrostatique,

Quantification des charges (modèle BCP)

Charges mobiles sur la surface: t= 256s,

Comparable aux temps de diffusion en surface τ≈200s sur surface d'alumine en présence d'un film d'eau ou polluée.

* C. GUERRET-PIECOURT, S. BEC, F. SEGAULT, D. JUVÉ, D. TRÉHEUX, A. TONCK Eur. Phys. Jour. AP, Vol 28 (1) 2004

26

Modification de l'adhésion due à la triboélectrification*II.2. La triboII.2. La triboéélectrification entre deux matlectrification entre deux matéériaux de même natureriaux de même nature


(2) Temps longs, Force à longue distance (1- 5µm):

attraction à longue distance dans la zone de frottement

observée sur les deux types de sphère (lisse ou avec aspérité)

mesurable plusieurs jours après le test

charge observée au MEB

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

0 1000 2000 3000 4000 5000Distance sphère-plan D (nm)

Forc

e no

rmal

eFz

(µN

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Am

ortis

sem

ent v

isqu

eux

wA

z(N

/m)Fz

wAz

* C. GUERRET-PIECOURT, S. BEC, F. SEGAULT, D. JUVÉ, D. TRÉHEUX, A. TONCK Eur. Phys. Jour. AP, Vol 28 (1) 2004

27


électriques.








1. Méthode miroir et courant d'influence

2. Simulation de l'injection des électrons


PLANPLAN

28

III. Caractérisation des propriétés d'écoulement et de piégeage des charges

III.1. Méthode miroir et courant d'influenceIII.1. Méthode miroir et courant d'influenceMéthode miroir (SEMM)

détecteur EES

1

500 µm

23d

échantillon isolant

équipotentielle

Canon à électron

détecteur EES

1 2

3

dernierdiaphragme d'

charges piégées

2

2 Etapes:- injection d'électrons de grande énergie (10-30 keV)

piégeage de charges dans l'isolant- lecture par un faisceau de basse énergie (300-1keV)

déviation des ē du faisceau de lecture

0 50 100 150 200 250 300

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

valeur exp

1/d

(m-1

)

potentiel de lecture (V)0 50 100 150 200 250 3000 500 50 100 150 200 250 300

valeur expérimentale

potentiel de lecture (V)0 50 100 150 200 250 3000 50

Courbe "miroir"

29


III.1. Méthode miroir et courant d'influenceIII.1. Méthode miroir et courant d'influenceMéthode miroir (SEMM)

ip

VQA

1'dL4

d1

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

⋅=

∞ )1(21

0 +=∞

rA

επε

0 50 100 150 200 250 300

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

1/d

(m-1

)

Charge piégée

2R0

h

0 50 100 150 200 250 3000 500 50 100 150 200 250 300potentiel de lecture (V)

Charge piégéeh

0 50 150 200 250 300

valeur expcharge ponctuellevaleur expérimentalecharge ponctuelle

0 50

β>0β<0

Evaluation de laquantité de charge

piégée

Approximation dela charge ponctuelle

Forme de la distribution des charges :

β>0 : charges en surfaceβ<0 : charges en profondeur

( ) 3

p

20

p AQVR2

AQVK

d1

β−=Développementen série multipolaire(matériau isotrope)*

*Attard C., et al Proceeding of the 2nd Conference on Electrostatics, Montpellier July 10-11, 2000: p. 77.

30


III.1. Méthode miroir et courant d'influenceIII.1. Méthode miroir et courant d'influenceMéthode du courant d'influence (ICM)

∫ ⋅=t

0M

eM dt)t(I

K1)t(Q

-20 0 20 40 60 80 100 120

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

temps d'injection (ms)temps d'injection (ms)I M

/I 0

IV

charges injectées dans le matériau charges d'influence sur la platine

TEVS0EESM IIII)1(I +++⋅σ−=

31

Caractérisation d'échantillons à base d'alumine polycristalline*


* X. Meyza, Mémoire de Thèse , D. Goeuriot, X. Meyza, M. Touzin, C.Guerret-Piécourt, D. Juvé, D. Tréheux, H.-J. Fitting Journal of the European Ceramics Society, (sous presse), Thèse en cours de M. Touzin, St Etienne

- poudres d'alumine + divers ajouts de frittage- frittage en phase liquide- exemple de 2 matériaux A et B- ajouts de frittage différents joints de grains différents

Caractérisation de la rigidité diélectrique:

0 100 200 300 400 500

10,0

12,5

15,0

BA

E C(k

V/m

m)

température (°C)0 100 200 300 400 500

10,0

12,5

15,0

BBBA

E C(k

V/m

m)

température (°C)

Matériau Phase vitreuse(%)

A : Industriel 15,9

B : Laboratoire 4,6

III.1. Méthode miroir et courant d'influenceIII.1. Méthode miroir et courant d'influence

EB>EA EA>EB

32

Caractérisation d'échantillons à base d'alumine polycristalline



Matériau Industriel ( A ) 0°C 40°C

QP (pC) 94 0

QM (pC) 98 108

R = QP / QM 96 % 0

Matériau Laboratoire ( B )

QP (pC) 94,5 12,2

QM (pC) 105 102

R (%) = QP / QM 90 % 12 %

Charge piégée(SEMM)

Charge injectée(ICM)

Rendement destabilisation

composition AJo = 15.10-5 A/cm²

0°C40°C

-20 0 20 40 60 80 100 120

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

I M/ I 0

temps d'injection (ms)

-20 0 20 40 60 80 100 120

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

I M/ I

O


0°C40°C

composition BJo = 15.10

-5A/cm²

composition AJo = 15.10-5 A/cm2

0°C40°C

-20 0 20 40 60 80 100 120

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

I M/ I

O


0°C40°C0°C40°C


-5A/cm²


-5A/cm²

Ecoulement des charges Piégeage des charges

33


Caractérisation d'échantillons à base d'alumine polycristallineIII.1. Méthode miroir et courant d'influenceIII.1. Méthode miroir et courant d'influence

Effets de la microstructure sur l'écoulement et le piégeage des

charges, cas favorables à l'optimisation de la rigidité diélectrique:

A température ambiante ou faible:

- phase secondaire cristallisée (matériau B): pièges plus profonds

Isolant "piégeur"

A haute température:

- phase secondaire vitreuse (matériau A): pièges de faible profondeur,

favorable à l'écoulement des charges

- faible densité de joints de grains

Isolant "conductif"

34

Caractérisation d'un semi-conducteur à grand gap: TiO2 rutile*



Caractéristiques du Ti02 rutile:- matériau SC à grande bande interdite: 3,1 eV- résistivité R> 1013 Ωcm (sensibilité à l'oxygène)- matériau anisotrope: εr=86 à Tambdans le plan X,Y

axe C: εr=170 à Tamb suivant Z= [001]

Structure du Ti02 rutile

* Temga Temga, Mémoire de Thèse , Lyon, 2004

axe C : Z

X

Y

Cellule unité : Tétragonale (a=b, c)

a, axe X

b, a

xe Y

axe C: Z=[001], εr=170

X, εr=86

Y, εr=86

35

Piégeage en profondeur :


Caractérisation d'un semi-conducteur à grand gap: TiO2 rutile*III.1. Méthode miroir et courant d'influenceIII.1. Méthode miroir et courant d'influence

0 200 400 600 800 1000 1200-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

1/d(

m-1)

potentiel de lecture (V)

points expérimentauxapproximation ponctuelleapproximation polynomiale

injection suivant [110]

cellule unité

(c)

cellule unitécellule unité

(c)

Injection suivant l'axe X= [110]

Z

Y

XYY

XY

XYY

XYY

Axe c

XY

ZY

Piégeage préférentiel des électrons près des ions Ti

( ) 3

p

20

p AQVR2

AQVK

d1

β−=

Distribution cylindrique de rayon R=2µm et de hauteur h=280 µm

* T. TEMGA, D. JUVE, D. TREHEUX, C. GUERRET-PIECOURT and C. JARDIN soumis à J. Appl. Phys.

Anisotropie du miroir obtenu

β< 0

εr=170

εr=86

Z

36


III.1. Méthode miroir et courant d'influenceIII.1. Méthode miroir et courant d'influenceCaractérisation d'un semi-conducteur à grand gap: TiO2 rutile*

Injection suivant l'axe Z= [001]

miroir circulaire,modèle analytique tenant

compte de l'anisotropie de εr*

ip

r0 VQ

)1(2'dL4

d1

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +επε⋅

⋅= X

[110] Y

[110]

X

Yεr=86

εr=86

εr=170

* développé par G DAMAMME, thèse T TEMGA, publication en cours

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ πε

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

φ=

QE8.c2

shsinH4

dc2 cin0

ip

ZX0 VQ

)1(2'dL4

d1

⋅⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +εεπε⋅

⋅=

Matériau isotrope transverse: charge ponctelle

Matériau isotrope transverse: distribution homoïdale

0 200 400 600 800-202468

1012141618

expériencelinéairepolynomial.homoïdale axisym.

Potentiel de lecture

1/d

(mm

-1)

37


Caractérisation d'un semi-conducteur à grand gap: TiO2 rutile

Importance du courant de fuite

Modification de la méthode ICM*

* T. Temga, C. Guerret-Piécourt, D. Juvé, D. Trégeux, C. Jardin, (2003) An. Rep. CEIDP, Albuquerque, p 221-224 ** proposition HJ Fitting,

0 50 100

0

200

400

600

800

IP IC

Porte-échantillon métallique Ig

ITE

Picoampèremètre

ITE

Is disque de cuivre

ISE I0

Anneau de garde

feuille de Mica

Picoampèremètre Montage 4

(4)

Interrupteur

Echantillon

porte-échantillon métallique

I0Anneau de garde

(métallique)

(1) (2) (3)

-+

Picoampèremètre

(1)

(3)

(0)

I m(p

A)



TEVS0EESM IIII)1(I +++⋅σ−=

38

PLANPLAN


électriques.











39

Modèle auto-cohérent de suivi balistique des charges


III.2. Simulation de l'injection des électrons*III.2. Simulation de l'injection des électrons*

x=d

Devenir des électrons de haute énergie dans un isolant**:- électrons rétrodiffusés η- pénétration dans le matériau PE- génération de paires e-h (e secondaires)- émission secondaire- recombinaisons électrons-trous- piégeage, effet du champ électrique

Principe de la simulation:- modèle à 1 dimension- déterminer à tout instant et àchaque profondeur x, la quantitéde charges

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−η−=

)z(p

)z,E(Rx605.4exp)1(0j)E,x(j

PE

( )⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−⋅=Α −°

23.0

0i 3.0Rx5.7expkeV/E146.0/g

)x(Wx)x(gj21)xx(j)x(j i0

RT

RT ⋅⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ ∆+∆±=

)x(j)x(j)x(j)x(j)x(j)x(j HRHTERETPE −++−−=

* Collaboration avec Pr HJ Fitting, Université de Rostock, Thèse X Meyza, Thèse C Dutriez, Thèse M Touzin** H.J. Fitting, Phys. Status solid (a), 1974. 26 . I.A..Glavatskikh , V.S. Kortov, H.-J. Fitting, J. Appl. Phys., 2001. 89(2)

40

Modèle auto-cohérent de suivi balistique des charges


III.2. Simulation de l'injection des électronsIII.2. Simulation de l'injection des électrons

0 5 10 15 20 25 30 35 400

1

2

3

4

5

6

7 Saphir (Dawson - 1966)

d'après les formules de pénétration des électrons de

FittingKanaya

σ EES

E0 (keV)

Injection instantanée:- détermination de la courbe d'émissionsecondaire (Vs négligeable)- validation du modèle

Profondeur x (µm)

Cha

rge

ρ(C

/cm

3 )

0 1 2 3

10 ms

30 ms

100 ms

V s(k

eV)

temps d'injection (ms)0 20 40 60 80 100

-20

-8-40

-12-16

0

-0,001

-0,002

-0,003

-0,004

Phénomène auto-régulé:charges négatives injectées créent un

potentiel de surface négatif qui ralentit les charges incidentes et augmente l'émission secondaire

les charges incidentes pénètrent alorsde moins en moins loin, le potentiel

de surface se stabilise ainsi quel'émission secondaire

41


III.2. Simulation de l'injection des électronsIII.2. Simulation de l'injection des électronsModèle auto-cohérent de suivi balistique des charges

Nouveau modèle en développement* :- permet de prendre en compte l'effet dudépiégeage des charges par effet Poole-Frenkel(effet de la température)- permet de tenir compte de l'anisotropie de la diffusion sous influence du champ électrique

0 25 50 75 100

0,00

0,25

0,50 sans pièges

N0=1017cm-3

N0=5.1017cm-3

J M(1

0-5A

/cm

2 )

irradiation time (ms)

Exemple d'application de la simulation:effet du nombre de piège à électronssur la forme du courant de masse

* Collaboration avec Pr HJ Fitting, Université de Rostock, Thèse C Dutriez, Thèse M Touzin

42

PLANPLAN


électriques.











43

Importance de la triboélectrification Pièces pour robinet à mitigeur

Capteurs mécaniques d'accélérationpour airbag ou pour prétensionneur de

ceinture de sécurité Compréhension des mécanismes

d'injection et de stockage des charges

électriques :- méth. expérimentales- outils de simulation

Guide fils et galets de friction

Mise en évidence de l'importance des charges

électriques dans les propriétés de frottement et

d'adhésion

Ecran plat à effet de champ

Amélioration de la tenue au claquage, à des températures

variables, par détermination des paramètres structurauxfavorisant un meilleur

écoulement des charges :isolants "piégeurs" ou isolants

"conductifs"Bougies d'allumage

44

IV. Conclusions et perspectives

IV.2. Perspectives: les isolants polymèresIV.2. Perspectives: les isolants polymères

Etude du piégeage et de l'écoulement des charges dans les polymères*

Lien entre triboélectrification et apparition des défauts d'extrusion**

Etude de composites polymères/charges conductrices: NTC-Elastomères***, PANI-ABu...

Utilisation des méthodes ICM et SEMM pour caractériser les matériaux nanostructurés

* Thèse Cédric Dutriez, C. Dutriez, X. Meyza, C. Guerret-Piécourt, D. Tréheux, H.J. Fitting (2003) Annual Report Conf. on Elect. Insul.Dielect. Phenomena, Albuquerque, 2003, p 530-533

** Thèse F. Flores, S. Tonon, A. Lavernhe-Gerbier, F. Flores, A. Allal, C. Guerret-Piécourt J. of Non-Newtonian Fluid Mechanics, (accepté, sous presse)

*** 1 brevet déposé, V. Datsyuk, C. Guerret-Piécourt, S. Dagréou, L. Billon, J.-C. Dupin, E. Flahaut, A. Peigney, C. Laurent Carbon (sous presse)

45

REMERCIEMENTS

Sandrine BEC, Gilles DAMAMME , Vitaliy DATSYUK, Cédric DUTRIEZ,

Hans-Joachim FITTING, Fabrice FLORES, Dominique GOEURIOT,

Denyse JUVÉ, Xavier MEYZA, Olivier GUERRET, Frédéric SEGAULT, Temga TEMGA,

André TONCK, Sébastien TONON, Matthieu TOUZIN , Daniel TRÉHEUX

...

- Laboratoire des Solides Irradiés (SESI) à l'Ecole Polytechnique

- Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes à Toulouse

- Laboratoire de Tribologie et de Dynamique des Systèmes de l'ECLyon

- Laboratoire d' Ingénierie et Fonctionnalisation des Surfaces de l'ECLyon

- Laboratoire de Physico-Chimie des Polymères de Pau

46


IV.2. Perspectives: les isolants polymèresIV.2. Perspectives: les isolants polymèresEngins spatiaux

Milieu agressif *:- ionisations radiatives dues aux collisions avec les ions lourds du rayonnement cosmique- collisions avec les électrons et les protons issusdes éruptions solaires ou des ceintures de radiation

Accumulation de charges électriquesApparition de décharges électrostatiques

Endommagement ** - des générateurs solaires par claquage diélectrique

- des composants électroniques du satellite par interférence, lors des décharges

Thèse C. DutriezATIP

Caractérisation du comportement des diélectriques (notamment polymères) sousirradiation: écoulement, piégeage des charges...

* V. Pouget, Mémoire de Thèse, Université Bordeaux, 2000.* * V. Griseri et al, IEEE-Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2004, 11 (5), p 891.

47* Thèse Cédric Dutriez, C. Dutriez, X. Meyza, C. Guerret-Piécourt, D. Tréheux, H.J. Fitting (2003) Annual Report

Conf. on Elect. Insul.Dielect. Phenomena, Albuquerque, 2003, p 530-533

PerspectivesIV. Conclusions et Perspectives

Corrélations avec d'autres techniques*

Modélisation:- utilisation du modèle établi pour l'alumine- profondeur d'injection plus importante- potentiel de surface plus importante (X-ray BS)- courants d'influence plus importants

- Corrélation avec les propriétésdiélectriques- En mode focalisé la méthode SEMM permet d'obtenir des informations surla mobilité des chaînesmacromoléculaires

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 20 40 60 80 100temps (ms)

I m(n

A)

PET 30kV

Al2O3 30kV

Al2O3 10kV

PET 10kV

-100 -50 0 50 100 150 2000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

miroir visible absence de miroir

Qm

(pC

)

T (°C)

Qm

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

ε''

Poursuite de l'adaptation SEMM et ICMConfrontation avec la rhéologie

Nouveau modèle


48


IV.2. Perspectives: les isolants polymèresIV.2. Perspectives: les isolants polymèresExtrusion de polymères

Défaut oscillant (2)

Défaut de volume (3)

Défaut peau de requin (1)

augmentationdu débit

apparition de défauts

paramètrescomparables à ceux de la

triboélectrification

Problème de risqueélectrostatique

Lien entre électrification et défauts d'extrusion

ATIP*Dea S. Tonon

Thèse F. FlorèsCTP**

Etude du lien entre l'apparition des défautsd'extrusion et une éventuelle électrification de l'extrudât.

*Action Thématique Incitative sur Programme, ** Contrat TransPyrénéen

49



* *Thèse F. Flores, S. Tonon, A. Lavernhe-Gerbier, F. Flores, A. Allal, C. Guerret-Piécourt J. of Non-Newtonian Fluid Mechanics, (accepté, sous presse)

Lien triboélectrification du polymère fondu/ apparition des défauts d'extrusion*

Défaut oscillant (2)

Défaut de volume (3)

Défaut peau de requin (1)

Défaut d'extrusion/TriboélectrificationUn même paramètre (?) :

la vitesse de glissement à la paroi

0

2

4

6

σ(1

0-8C

.m-2

)

Extrudât lisse

2,0 2,5 3,0 3,5Contrainte à la paroi (bar)

Défaut peau de requin (1)Défaut oscillant (2)

4,0

0

100

200

300

0 100 200 300 400Temps (s)

Pres

sion

(bar

)

2

4

6

8

0 100 200 300 400In

tens

ité (µ

A)

50


Lien triboélectrification du polymère fondu/ apparition des défauts d'extrusion*


Détermination du mécanisme d'électrification:

Contact entre deux métaux : Mécanisme connu par transfert

d’électrons

Application à notre cas :Echange d’électrons entre

le polymère et le métal

Triboélectrification par analogie avec un contact solide-solide

ΦΑEFA

ΦΒ

EFB

eVc

Métal A

ΦΑEFA

ΦΒ

EFB

eVc

Métal B

ΦA : Fonction travail du métal AΦB : Fonction travail du métal BEF : Niveau de Fermi.Vc : Potentiel de surface.

Vc = ( )

eAB φφ − Lié à un mouvement d’ions

Adsorption préférentielle d’ions à la surface métallique

Propriétés de la double couche liées à : température, propriétés du liquide et du solide, concentration des ions dans le liquide.

Sous mouvement de convection : couche stagnante/couche mobile.

Partie de la double couche arrachée. Charges convectées

Arrachement de la double couche

51


Exemple des copolymères à bloc: MAM-ABu- MAMIV.2. Perspectives: les isolants polymèresIV.2. Perspectives: les isolants polymères

Utilisation de la méthode miroir pour l'évaluation de l'anisotropie des matériau

nanostructurésEvaluation des différentes mobilités

Corrélation avec les propriétés rhéologiqueset diélectriques de ces matériaux

Matériau lamellaireAlignement des lamelles

Anisotropie dutransport et du

piégeage des charges

52

V. RécapitulatifIV. Conclusions et Perspectives

Polymères chargés, exemple des composites NTC/ Elastomères*

Monomère M1 Monomère M2

Pré-composite NTC-PM1 Composite NTC-PM1-PM2

NTC

1ère étape

Radical Nitroxyde

2ième étape

Monomère M1 Monomère M2

Pré-composite NTC-PM1 Composite NTC-PM1-PM2

NTC

1ère étape

Radical Nitroxyde

2ième étape

Milieu organiqueMilieu aqueux

Dispersion dans divers milieuxCompatibilisation avec diverses matrices polymères, exemple mélange avec un PS industriel: PS 1160

Détermination du seuil de percolation électrique, comparaison avec la percolation mécanique

Compréhension du mécanisme de transport des charges dans ce type de composites


* ATIP, 1 brevet déposé, V. Datsyuk, C. Guerret-Piécourt, S. Dagréou, L. Billon, J.-C. Dupin, E. Flahaut, A. Peigney, C. Laurent Carbon (sous presse)

53


Polymères chargés, exemple des composites NTC/ Elastomères**IV.2. Perspectives: les isolants polymèresIV.2. Perspectives: les isolants polymères

0 1 2 3 4 5 61E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

10

Con

duct

ivité

(S/c

m)

Pourcentage de NTCm (%pds)

NTCm-PAA-PS6%pds NTCMélange avec PS 1160

50% composite50% PS1160




** V. Datsyuk, C. Guerret-Piécourt, L. Billon, S. Dagréou, O. Guerret, soumis à Adv. Funct. Mat.

propriétés des isolants: influence des charges électriques

Documents