Upload
jose-fidel-chavez-lara
View
248
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Tesis sostenida sobre el comportamiento del PEN a campos eléctricos altos
Citation preview
Soutenance de ThèseSoutenance de Thèse
Comportement électrique de films de poly (éthylène naphtalène Comportement électrique de films de poly (éthylène naphtalène
-2,6- dicarboxylate) (PEN) à forts champs électriques : -2,6- dicarboxylate) (PEN) à forts champs électriques :
contribution à l’étude des mécanismes de conduction électriquecontribution à l’étude des mécanismes de conduction électrique
Toulouse, 8 Février 2006 1
Par José Fidel Chávez Lara
Encadrement par J. J Martínez Vega
MexiqueFrance Mexique
LGET
Laboratoire de Génie Electrique
ITCH 1Chihuahua
Introduction- Les isolants organiques et les diélectriques 2
LES ISOLANTS ORGANIQUES dans LE GÉNIE ÉLECTRIQUE
Leur étude et leur caractérisationLeur étude et leur caractérisation Enjeu industriel importantEnjeu industriel important
En fonction des propriétés physiques:
Le PEN
Le PET, PE, PP, etc.
Une évolution des propriétés physiques et des phénomènes non linéaires de transport des charges.
Les forts champs
LA CONDUCTION A FORTS CHAMPS ELECTRIQUES
A partir d’un « champ seuil »
Introduction- Objectifs 3
LA COMPREHENSION DES PHENOMENES DE CONDUCTION DANS LE PEN
+
_ _ _ _ _ _ _ _ _
Injectionde charges
- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Réponse dipolaire+conduction
+
-+ + + + + + + +
Sous forts champs électriques
La fiabilité des isolants organiques
4Plan de l’exposé
Eléments de théorie du transport des charges dans les diélectriques
Méthodologie et Matériau d’étude
Comportement du PEN aux forts champs
Courants transitoires et permanents
Déformation mécanique
Charge d’espace
Electroluminescence
Influence de la morphologie sur la conduction
Conclusion et perspectives
Eléments de théorie 5
COURANTS D’ORIENTATION DIPOLAIRE
1 1010-13
10-12
10-11
10-10
10-9
Pol. 7 kV/mm Dépol. 7 kV/mm Pol. 28 kV/mm Dépol. 28 kV/mm Pol. 71 kV/mm Dépol. 71 kV/mm Pol. 107 kV/mm Dépol.107 kV/mm
5,5 mn14 mn
PEN 70µm Amorphe I(A
)
t(mn)
Orientation dipolaire
+
-
I absorption
I résorption
superposables
ItTAtI n
p )()(
LOI de CURIE - VON SCHWEIDLER:LOI de CURIE - VON SCHWEIDLER:
IIpp courant de polarisation courant de polarisation
A(T) paramètre dépendent de la températureA(T) paramètre dépendent de la température n constante souvent proche de 1n constante souvent proche de 1
II∞∞ composante permanente du courant composante permanente du courant
de polarisationde polarisation
6Eléments de théorie
COURANTS LIMITÉS PAR CHARGE D’ESPACE
E E locallocal dépend
Les porteurs injectés
+
+
-
+ + + + + + + +++ + + + ++ + +
-- - -- -- - - - -- - - -- - -
Les pièges
charges d’espacecharges d’espace
favorisent
Evaluer la valeur maximale de E local Une meilleure fiabilité des isolants
7Eléments de théorie
DÉPIÉGEAGE
Bande de conduction
Bande de valence
Bande Bande interditeinterditeDes pièges
à électrons
EFFET DE CONDUCTION PAR SAUT « HOPPING ».
Bande de conduction
Bande de valence
Bande interditeDes pièges
à électrons
8
Eléments de théorie du transport des charges dans les diélectriques
Méthodologie et Matériau d’étude
Comportement du PEN aux forts champs
Courants transitoires et permanents
Déformation mécanique
Charge d’espace
Electroluminescence
Influence de la morphologie sur la conduction
Conclusion et perspectives
Plan de l’exposé
Matériau d’étude 9
CO
CH2CH2
O
O
C
On
Poly (éthylène naphtalène-2,6-dicarboxylate) (PEN)
Teonex Q71 de 12µm d’épaisseur (température de cristallisation de 222 °C)
Teonex Q51 de 25 µm (température de cristallisation de 230°C)
PEN amorphe de 70 µm et 25 µm
Échantillons fournis par DuPont Teijin Films
Echantillons de PEN utilisés et leur taux de cristallinité.
42125
42254
2 (Amorphe)253
42702
2 (Amorphe)701
Taux de cristallinité (%)
Epaisseurd (m)
Type d’échantillon
PET
122
155
Température de transition vitreuse, (°C)
0,8
Température
d’opération, (°C)
Extraction d’ oligomere, (mg/m2)
200Résistance hydrolitique, (h)
100
Résistance à l’irradiation, (Mgy)
0,6
5200
Module de Young, (MPa)
0,6
Perméabilité à l’oxygène, (cm3.mm/[m2.jour.atm])
Rétrécissement thermique, (%)
PEN
2,4
Naphtalène et carboxylate Aliphatique
Ester
Ethylène
Enceinte à vide secondaire
10Méthodologie - dispositifs expérimentaux
MESURE DE LA CONDUCTION ÉLECTRIQUE
Méthodologie - dispositifs expérimentaux
MESURE CHARGES D’ESPACE
Schéma synoptique simplifié de la FLIMM (Focused Laser Intensity Modulation
Method )
MESURE DEFORMATION MECANIQUE
Schéma synoptique du dispositif expérimental.
11
20 m20 m20 m
12Méthodologie - dispositifs expérimentaux
Schéma du dispositif expérimental de mesure d’électroluminescence
MESURE ELECTROLUMINESCENCE
30 et 360 mn12 µm Semi-cristallin5
30 mn25 µm Semi-cristallin4
30 mn25 µm Amorphe3
30 et 120 mn70 µm Semi-cristallin« in situ »
2
30 et 120 mn70 µm Amorphe1
Temps de polarisation (t2)
Echantillon du PENType
Temps
Tension
t1= temps de dépolarisation
t2= temps de polarisation
t1
t2
Protocole expérimental et temps de polarisation de chaque échantillon
Méthodologie - dispositifs expérimentaux 13
14
Eléments de théorie du transport des charges dans les diélectriques
Méthodologie et Matériau d’étude
Comportement du PEN aux forts champs
Courants transitoires et permanents
Déformation mécanique
Charge d’espace
Electroluminescence
Influence de la morphologie sur la conduction
Conclusion et perspectives
Plan de l’exposé
0,01 0,1 1 101E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
kV/mm 12 32 52 76 104 120 132 144 156172184200212225,6250260270280290300
PEN 25µm Semi-Cristallin tpol
= 30 mn
I(A
mpè
res)
t(minutes)
n=1,06
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
PEN 25 µm Semi-cristallintpol
= 30 mn
n
E (kV/mm)
E=144 kV/mmn=0,94
15Comportement du PEN aux forts champs- Courants transitoires
n 1 champs faibles
n → 0 champ fort champ seuilChangement de n → morphologie et l’épaisseur
10 1001E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
25µmSC
=1,7033.1016 m
tpol
= 30 mn
PEN 25m Semi-Cristallin
I(Am
père
s)
E (kV/mm)
m=16,5
Eseuil
=144 kV/mm
2.10-8 Amp
10 1001E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
0,94.10-6 Amp
Eseuil
= 107 kV/mm
25µmAMO
=5,91.1015mI(Am
père
s)
E (kV/mm)
PEN 25µm Amorphetpol
= 30mn
m=12,5
16Comportement du PEN aux forts champs- Courants permanents
La pente m peut évoluer de 12,5 à 16,5
0,01 0,1 1 101E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
kV/mm 12 32 52 76 104 120 132 144 156172184200212225,6250260270280290300
PEN 25µm Semi-Cristallin tpol
= 30 mn
I(A
mpè
res)
t(minutes)
n=1,06Pour obtenir I(E)
10 1001E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
Comparaison de l'évolution à forts champs du PENà différentes épaisseurs et morphologies
m=16,5
m=12,9
m=12,5
I(Am
père
s)
E (kV/mm)
70µm Amorphe 25µm Amorphe
12µm Semi-Cristallin 25µm Semi-Cristallin
tpol
= 30 mn
17Comportement du PEN aux forts champs- Courants permanents
Amorphe
Epaisseur E seuil
Semi-cristallin
Epaisseur E seuil
E seuil Amo < E seuil SC
E E seuilseuil I (aux champs forts)
18Comportement du PEN aux forts champs- Courants permanents
10 1001E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
différence d'environ 2 décades
Influence de l'épaisseur sur le champ seuil
I (A
mpè
res)
E (kV/mm)
P E N 12 µm Semi-cristallin; tpol
= 30 mn
P E N 25 µm Semi-cristallin; tpol
= 30 mn
différence d'environ 1 décade
10 1001E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
I (Am
perè
s)
E (kV/mm)
P E T 25 µm semi-cristallin P E N 25 µm semi-cristallin
280
différence > 3 décades
Influence d'un anneau aromatique sur le courant: PET/PEN
tpol
=30 mn
Epaisseur Courant
Délocalisation d’électrons intra et inter chaînes.
Anneaux aromatiques
Probabilité de formation des agrégats
-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000-0,0010,0000,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,0100,0110,0120,0130,014
Défo
rmatio
n
PEN 25µm
temps (s)
Zero
Semi-cristallin Amorphe
0 50 100 150 200 250 300 350 4000,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
0,0014
0,0016
0,0018
0,0020
0,0022
0,0024
Défo
rmatio
n
Eseuil
= 144 kV/mm
PEN 25µm Semi-Cristallin
E (kV/mm)
1 mn 5 mn 10 mn 15 mn 20 mn 25 mn 30 mn
19Comportement du PEN aux forts champs- Déformation mécanique
10 100
1E-3
0,01
10 1001E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
I(A
mpère
s)
E ( kV/mm )
Courant tpol
=30 mn
PEN 25µm Amorphe
0,0086
Déformation tpol
=30 mn
Défo
rmation
260 kV/mm.
E seuil Déformation Méc E seuil I(E)
Taux Déformation Mécanique AMO
4 fois Taux Déformation Mécanique SC
260 kV/mm→ Taux Déformation Mécanique
10 100
5E-4
1E-3
0,0015
0,002
10 1001E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9 Courant
PEN 25m Semi-Cristallin
I(A
mpère
s)
E ( kV/mm )
144 kV / mm
Défo
rmatio
n
Déf mec
260 kV/mm.
290 kV/mm 187 Cm-3
0,0 5,0µ 10,0µ 15,0µ 20,0µ 25,0µ-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
PEN 25µm Semi-Cristallin kV/mm 92 104 120 156 200 250 280 290
Den
sité
de
char
ge d
'esp
ace
(C/m
3 )
Epaisseur(µm)
Comportement du PEN aux forts champs- Charges d’espace 20
10 100-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550 PEN 25 µm Semi-Cristallin
Densi
té d
e c
harg
e d
'esp
ace
(C
/m3 )
E (kV/mm)
3 µm 22 µm (-3 µm)
120 kV/mm (26 C/m3)
10 100-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550 PEN 25 µm Semi-Cristallin
8 µm 17 µm (-8 µm)
Densité d
e c
harg
e d
'espace (C
/m3 )
E (kV/mm)
156 kV/mm (10 C/m3)
290 kV/mm 487 Cm-3
Volume
Surface
268 kV/mm 360 Cm-3
0,0 5,0µ 10,0µ 15,0µ 20,0µ 25,0µ
-1500
-1000
-500
0
500
1000
Den
sité
de
char
ge d
'esp
ace
C/m
3
Epaisseur (m)
kV/mm 19 104 92 120 132 144 156 172 184 200 212 184 224 248 260
PEN 25µm Amorphe
10 100
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900PEN 25µm Amorphe
3 µm 22 µm (-3 µm)
Densi
té d
e c
harg
e d
'esp
ace
C/m
3
E (kV/mm)
104kV/mm (44 C/m3)
21Comportement du PEN aux forts champs- Charges d’espace
10 100
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Densité d
e c
harg
e d
'espace C
/m3 PEN 25µm Amorphe
E (kV/mm)
8 µm 17 µm (-8µm)
132 kV/mm (33,18 C/m3)
268 kV/mm 671 Cm-3
Surface
Volume
10 100
0
200
400
600
800
10 100
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4PEN 25µm Amorphe
3 µm 22 µm (-3 µm)
Den
sité
de
char
ge d
'esp
ace
C/m
3
E (kV/mm)
104 kV/mm
Courant tpol
=30mn
I(A
)
10 100-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
55010 100
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
PEN 25 µm Semi-Cristallin
Den
sité
de
char
ge d
'esp
ace
(C/m
3 )
E (kV/mm)
3 µm 22 µm (-3 µm)
120 kV/mm
Courant tpol
=30 mn
I(A
)
E seuil Charges d’espace
E seuil I(E)
Injection des charges → Zone du
coude
22Comportement du PEN aux forts champs- Charges d’espace
23Comportement du PEN aux forts champs- Electroluminescence
L’ELECTROLUMINESCENCE (hypothèse des agrégats)
STRUCTURE TRIMÈRE
STRUCTURE TÉTRAMÈRE (SANDWICH HERRINGBONE) → cristallites β.
AGRÉGATSdu NAPHTALENE
Etat fondamental
Electroluminescence
RADIATION
Etat excité
Chromophores
Energie cinétique
24Comportement du PEN aux forts champs- Electroluminescence
10 100
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
10 100
1
10
100
1000
10000
100000
Electroluminescence
PEN 25µm Semi-Cristallintpol
= 30 mn
EL(
c/2s
)
E (KV/mm)
144 kV/mm
156 kV/mm
Courant
I (A
mpè
res)
E seuil Electroluminescence 156 kV/mm
Travail électrocinétique
Injection des porteurs
Electroluminescence
25Plan de l’exposé
Eléments de théorie du transport des charges dans les diélectriques
Méthodologie et Matériau d’étude
Comportement du PEN aux forts champs
Courants transitoires et permanents
Déformation mécanique
Charge d’espace
Electroluminescence
Influence de la morphologie sur la conduction
Conclusion et perspectives
26Influence de la morphologie- Courbes I(E) et Cristallites
10 1001E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
0,94.10-6 Amp
L'influence de la morphologie
25µmAMO
=5,91E15m
25µmSC
=1,70E16m
I(Am
père
s)
E (kV/mm)
PEN 25µm Semi-Cristallin tpol
= 30 mn
PEN 25µm Amorphe tpol
= 30 mn
m=16,5
m=12,5 2.10-8 Amp
(%) σ
Aux champs forts et faibles
(%) E seuil
260 kV/mm
27Influence de la morphologie- Blocage interface-volume
Structure semi-cristalline
Faible densité de pièges
Faible degré d’imbrication
Pièges profonds
Blocage interface-volumeConcentration de piègesConcentration de pièges
Degré d’imbrication des pièges
Énergie des pièges
Bande de conduction
Bande de valence
Densité des pièges Degré d’imbrication Niveau d’énergie
Couche de cristallites β
Isolant à forts champs
Couche de cristallites β
Probabilité de l’effet Tunnel
Mailles β Volume libre
lamelles
lamelles
28Influence de la morphologie- Blocage interface-volume
29Plan de l’exposé
Eléments de théorie du transport des charges dans les diélectriques
Méthodologie et Matériau d’étude
Comportement du PEN aux forts champs
Courants transitoires et permanents
Déformation mécanique
Charge d’espace
Electroluminescence
Influence de la morphologie sur la conduction
Conclusion et perspectives
30Conclusion
E seuil Courant E seuil Déformation mécanique induite
E seuil Densité de charges d’espaceDensité de charges d’espace E seuil Electroluminescence
1.-
2.-
La structure amorphe → Courant Déformation mécanique
Charge d’espace
Sous forts champs électriques
3.-
L’épaisseur → effet important → différent selon la structure amorphe ou semi-cristalline
4.-
Diminution du volume → avant la rupture diélectrique
31Perspectives
Détermination des mécanismes sur l’effet de l’épaisseur.
Quantification → moyens? → densité de défauts et/ou niveaux d’énergie des pièges.
Détermination des mécanismes associés à une éventuelle diminution du volume avant la rupture diélectrique.
MERCI !!!MERCI !!!Oscar, mes deux anges, M Elena, Jorge, Flor, Gérard, Isa, Dragos, Mayoux, Stephan, Virginie, Latinos, Mexicanos, Labo, etc. et tous qui m’ont donné la force, m’ont encouragé et m’ont aidé pour accomplir cet important pas.