8.7. Электреты

В отличие от обычных диэлектриков, где электрическая индукция и поляризация после снятия внешнего электрического поля быстро исчезают, имеются такие диэлектрики, в которых остаточная поляризация (или заряжение) может сохраняться длительное время (многие месяцы и даже годы) и формирует внешнее электрическое поле. Такие материалы называются электретами. Электреты являются электрическим аналогом постоянных магнитов, т. е. так же, как постоянные магниты, способны долгое время создавать магнитное поле, в частности электреты могут поддерживать в течение продолжительного времени сильные постоянные внешние электрические поля [50, 115].

В отличие от сегнетоэлектриков, поведение которых в электрическом поле по своему характеру практически совпадает с поведением ферромагнетиков в магнитном поле,  электрет с «замороженной» поляризацией является термодинамически неравновесным объектом. Его состояние неустойчиво, а нагревание ведет к быстрому необратимому разрушению поляризации диэлектрика. Неравновесность − основное свойство электретного состояния, каковы бы ни были конкретные механизмы его получения. Релаксация − переход в равновесное (не поляризованное, не заряженное) состояние − характерна для любого электрета. Она является не только отличительным признаком электретов, но и причиной технических трудностей, с которыми сталкиваются производители устройств, основанных на электретном эффекте. Именно наличие релаксации является стимулом настойчивых поисков материалов, из которых можно изготовить «долгоживущие», стабильные электреты, у которых этот процесс протекает гораздо медленнее [23].

Релаксация электретного состояния сопровождается уменьшением величины избыточного заряда, накопленного электретом, уменьшением поверхностного потенциала, протеканием тока в объеме образца и др. явлениями. Она может происходить  как  при  постоянной  температуре (изотермическая релаксация), так и при повыше­нии температуры со временем по определенному закону (термостимулированная релаксация).

Релаксация ускоряется под воздействием факторов окружающей среды − ионизирующих излучений, атмосферной влажности, пыли, механических напряжений и деформаций и др. Она может протекать самопроизвольно, бесконтрольно при хранении или эксплуатации изделий, содержащих электреты, и использоваться как инструмент научных исследований электретного эффекта. В последнем случае ведется регистрация временной или температурной зависимости заряда, потенциала или тока, протекающего в образце в процессе релаксации. Экспериментальные методики с применением термостимулированной релаксации позволяют получить важную информацию о природе электретного состояния в данном материале, кинетических и структурных переходах в диэлектриках и др.

Для создания электретов используются методы, основанные на изменении их внутреннего электрического поля под влиянием различных воздействий. Кроме сильного внешнего электрического поля, действие которого приводит к значительной остаточной поляризации, для получения электретов применяют дополнительно какое-либо активизирующее воздействие. В зависимости от способа такого воздействия различают термоэлектреты (нагревание), фото- и радиоэлектреты (освещение оптическим или g-излучением), магнито- и механоэлектреты (действие магнитного поля и механического растяжения или сжатия).

Рассмотрим механизм возникновения остаточной поляризации на примере термоэлектретов. При их создании диэлектрик нагревается в сильном электрическом поле и подвергается бомбардировке быстрыми электронами, в результате чего происходит их эмиссия вглубь диэлектрика (рис. 8.21).

Рис. 8.21. Схема механизма поляризации электретов: а − поляризация микродиполей; б − внедрение в диэлектрик электрического заряда [48]

 

Как следствие в диэлектрике возникает пространственно разделенное накопление зарядов разного знака (поляризация). Для сохранения поляризованного состояния диэлектрик охлаждается без выключения электрического поля, и его поляризованное состояние «замораживается». После цикла такой обработки время, в течение которого сохраняется поляризованное состояние диэлектрика, увеличивается в миллионы раз, что способствует сохранению свойств электрета в течение многих лет [52].

Чаще всего в технических целях используются электреты, изготовленные в виде тонких неполярных фторполимерных пленок толщиной 10−25 мкм, которые могут быть с одной стороны покрыты тонким слоем металла, чаще всего алюминия. Металлический слой наносят методом вакуумного распыления. Он служит одним из электродов устройства, в котором используется электрет. Электрет электризуется, как правило, в коронном разряде со стороны свободной поверхности полимера и имеет в диэлектрике избыточные заряды одного знака (моноэлектрет). В напыленном металлическом слое индуцируется и сохраняется заряд противоположного знака.

Другой вид электретов − фотоэлектреты − основаны на изменении электрического поля при освещении поверхности диэлектрика. На освещенных участках фоточувствительного диэлектрика носители заряда освобождаются вследствие фотоэффекта, на теневых участках они оседают, как на ловушках, и образуют локальные заряды. После выключения освещения на поверхности фотоэлектрета остается распределение заряда, которое представляет собой след воздействия света, т. е. изображение. Такое электростатическое изображение можно проявить осаждением на заряженной поверхности какого-либо красящего порошка, частицы которого притягиваются к заряженным участкам фотоэлектрета электростатическими силами. Материалами для фотоэлектретов служат соли, окись цинка, сульфиды и селениды цинка и другие вещества. В качестве этого класса диэлектриков могут также применяться мелкие поликристаллы серы, антрацена, нафталина и др. Электрофоточувствительная проводящая пластина покрывается тонким слоем фотоэлектрета, предварительно заряженного в темноте коронным разрядом. На пластину проецируется изображение. Из-за высокого электросопротивления заряд электрета сохраняется довольно долго. В освещенных местах заряды релаксируют, создавая скрытые электрические изображения, которые затем с помощью пигментных порошков переносятся на бумагу. Приведенный принцип получения изображения широко используется в копировальных устройствах и лазерных принтерах.

 

 

Электреты широко применяются для создания конденсаторов с управляемой емкостью, микрофонов, датчиков давления, сенсорных переключателей, для записи сигналов и изображений, ксероксов и лазерных принтеров. На рис. 8.23 приведен внешний вид компактных микрофонов, использующих электреты в качестве входного сенсора, а также копировального аппарата.