Анотація до роботи:

Бутенко А. Ф. Твердотільні сенсори на основі тонкоплівкових полімерних сегнетоелектриків з покращеними технічними характеристиками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – Твердотільна електроніка. – Одеський національний політехнічний університет. – Одеса, 2009.

В роботі проаналізовані особливості використання фізичного явища формування залишкової поляризації для покращення технічних характеристик п'єзо- і піроелектричних сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків типу ПВДФ, сополімеру П(ВДФ-ТФЕ) та композитів ПВДФ-ЦТС і ПВДФ-BaTiO₃. В якості метода електризації використано коронно-розрядний тріод з вібруючою керуючою сіткою.

Досліджені закономірності формування і релаксації поляризованого стану в різних умовах експлуатації. Виявлені трьохстадійний характер формування поляризації і аномальне зменшення провідності. Доведено, що сформовану в середніх полях неоднорідність поляризації не можна усунути, прикладаючи навіть дуже сильні поля. Показано, що очікуваний теоретично і фактичний час перемикання поляризації розрізняються в 10⁶ разів. Проведено моделювання процесів формування і релаксації поляризації в сенсорах, на підставі якого розроблена технологія електризації і зроблений вибір режимів зарядки сенсорів.

Внаслідок проведеної роботи покращені технічні характеристики сенсорів, а саме п'єзокоефіцієнт d₃₁ підвищено на 12%, піроелектричний коефіцієнт р на 14%, електромеханічний коефіцієнт зв'язку k₃₁ доведено до 13,5% і піродобротність до 3,1 мкКл/(м²К). Термічний відпал при температурі 70С перед початком експлуатації сенсорів істотно підвищив термостабільність технічних характеристик.

1. В дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове розв’язання наукової задачі, яка полягає в покращенні технічних характеристик п'єзо- і піроелектричних сенсорів на основі полімерних сегнетоелектриків за рахунок удосконалення режимів електризації на базі дослідження фізичних явищ формування і релаксації поляризованого стану в різних умовах.

2. Поставлена в дисертації мета була досягнута завдяки всебічному експериментальному вивченню фізичних явищ формування і релаксації залишкової поляризації із застосуванням як сучасних методів дослідження, так і розроблених нових методів, таких як зарядно-розрядне зондування релаксаційних параметрів шляхом фракційної електризації в коронному розряді і метод розділення гомо- і гетерозаряду по кривих струмів термостимульованої і ізотермічної деполяризації.

3. Дослідження формування і релаксації поляризованого стану показало, що поляризація і компенсуючий заряд утворюють квазістаціонарну самоузгоджену систему, що веде до зменшення провідності від 1,310^-12 до 0,1410^-12 Ом^-1м^-1, причому вольт-амперні характеристики і струми ТСП мають N-подібний вигляд з мінімумом при напруженості близько 50 МВ/м і температурі ~70 ^оС. Вперше встановлено, що сформовану при 40...50 МВ/м неоднорідність поляризації не можна усунути, прикладаючи навіть дуже сильні поля до 200 МВ/м. Показано, що при теоретичній тривалості перемикання поляризації в 5...10 мкс фактичне повне перемикання відбувається тільки за 100...200 с і контролюється повільним накопиченням зарядів на міжфазних границях. Виявлені закономірності використані при розробці рекомендацій по режимах і параметрах електризації плівок.

4. Проведено моделювання процесів формування і релаксації поляризації в сенсорах для покращення їх технічних характеристик. На основі модельних розрахунків доведена доцільність включення до технології електризації 4...6 повних циклів перемикання в полі напруженістю 160 МВ/м. Шляхом моделювання виявлені причини формування рівномірної поляризації в сильних полях, що дозволило науково обґрунтувати рекомендоване значення напруженості при розробці технологічного режиму електризації сенсорів.

5. Розроблені і науково обґрунтовані основні операції створення сенсорів з покращеними характеристиками для роботи в діапазоні від -20 до +80С. Застосування напруженості поляризуючого поля порядку Е_р=160 МВ/м, яке значно перевищує коерцитивне поле (Е_с=50 МВ/м) і забезпечує при первинній електризації плівок рівномірний розподіл залишкової поляризації; збільшення тривалості первинної зарядки до 200 сек і застосування 4...6 циклів перемикання поляризації перед початком зборки і експлуатації сенсорів дозволяє підвищити п'єзокоефіцієнт d₃₁ на 12%, піроелектричний коефіцієнт на 14%, електромеханічний коефіцієнт зв'язку до 13,5% (проти 12% у сенсорах, що серійно випускаються,) і піроелектричну добротність до 3,1 мкКл/(м²К) проти 2,7 мкКл/(м²К). Встановлено, що термічний відпал при температурі 70С перед початком експлуатації сенсорів підвищує термостабільність технічних характеристик.

При випробуванні в різних модельних умовах експлуатації виготовлених в лабораторії зразків п'єзо- і піроелектричних сенсорів їх покращені технічні характеристики знаходились в межах припустимих відхилень.

Публікації автора:

1. Butenko A. F. Components of depolarization currents in polyvinylidene fluoride caused by relaxation of homo- and heterocharge / A. F. Butenko, S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva // Fotoelectronics. – 2008. – № 17. – P. 108–112.

2 Бутенко А. Ф. Термостимульована деполяризація сегнетоелектричних плівок сополімеру П(ВДФ-ТФЕ), електризованих в коронному розряді / А. Ф. Бутенко, С. Н. Федосов, О. Є. Сергєєва // Фізика і хімія твердого тіла. – 2007. – Т.8, № 1. – С. 67–70.

3. Бутенко А. Ф. Поляризаційні і релаксаційні процеси в коронно заряджених сегнетоелектричних полімерах / А. Ф. Бутенко, С. Н. Федосов, О. Є. Сергєєва // Фізика конденсованих високомолекулярних систем : наукові записки Рівненського державного університету. – 2007. – № 12. – С. 27–31.

4. Butenko A. F. Fractional corona poling and electrical relaxation in electret films / A. F. Butenko, A. E. Sergeeva, S. N. Fedosov // Фізика і хімія твердого тіла. – 2007. – Т.8, № 3. – С. 634–637.

5. Butenko A. F. Trapping of Compensating Charges in Corona Poled PVDF Films [Електронний ресурс] / A. F. Butenko, S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva // Materials Science, arXiv:0704.3449v1. – 2007. – Режим доступу: . – Назва з екрану.

6. Fedosov S. N. Depolarization Currents in Fresh and Aged Corona Poled P(VDF-TFE) Films [Електронний ресурс] / S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva, A. F. Butenko // Materials Science, arXiv:0704.3993v1. – 2007. – Режим доступу: . – Назва з екрану.

7. Fedosov S. N. Application of Corona Discharge for Poling Ferroelectric and Nonlinear Optical Polymers [Електронний ресурс] / S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva, T. A. Revenyuk, A. F. Butenko // Materials Science, arXiv:0705.0177v1. – 2007. – Режим доступу: . – Назва з екрану.

8. Fedosov S. N. Two components of depolarization currents in PVDF caused by relaxation of homo- and heterocharge [Електронний ресурс] / S. N. Fedosov, A. F. Butenko, A. E. Sergeeva // Materials Science, arXiv:0705.0149v1. – 2007. – Режим доступу: . – Назва з екрану.

9. Butenko A. F. Processes of Electrical relaxation in PVDF-BaTiO3 Composites / A. F. Butenko, A. E. Sergeeva, V. I. Soloshenko, S. N. Fedosov // Fotoelectronics. – 2006. – № 15. – P. 77–80.

10. Сергеева А. Е. Формирование поляризации и релаксационные явления в сегнетоэлектрических полимерах, электризованных в коронном разряде / А. Е. Сергеева, С. Н. Федосов, В. И. Солошенко, А. Ф. Бутенко, В. В. Вальдман // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. – 2005. – № 3. – C. 4–11.

11. Fedosov S. N. Dielectric Relaxation of polystyrene doped with Polar DR1 molecules / S. N. Fedosov, A. E. Sergeeva, V. I. Soloshenko, A. F. Butenko // Fotoelectronics. – 2004. – № 13. – P. 35–41.

12. Федосов С.Н. Токи термостимулируемой деполяризации в пленках, электризованных в коронном разряде / С. Н. Федосов, А. Е. Сергеева, В. И. Солошенко, А. Ф. Бутенко // Вісник Одеського державного університету. – 2003. – Т.8, вип. 2. – С. 220–228. – (Фіз.- мат. науки).