Soutenance VI

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






Charge d’espace

Electroluminescence



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






Charge d’espace

Electroluminescence



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


= 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


Amorphe

Epaisseur E seuil

Semi-cristallin

Epaisseur E seuil

E seuil Amo < E seuil SC

E E seuilseuil I (aux champs forts)


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







Charge d’espace

Electroluminescence



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)


= 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







Charge d’espace

Electroluminescence



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.

Documents

Soutenance VI