Investigation of physical process at polymer insulation-conductive filler interface
Etude des processus physiques à l'interface isolant-polymère semiconducteur
Résumé
One of the fundamental properties of dielectrics is to accumulate charges under an electric field. Even if this phenomena is exploited in some applications such as memories, it is the main cause of failure in a large amount of applications such as high voltage cables or microsystems. Numerous studies have demonstrated that dielectric/electrode interface has strong impact on complete system and particularly on charge injection phenomenon which induce failures. During the past decades, charge injection phenomena electrode / dielectric interface has been extensively studied. To explain the difference between experimental and modelling, the most plausible hypothesis is the presence of interface states between the electrode (metal or semiconductor) and the dielectric. This hypothesis explain the independence of injected charge density respect to the electrode meta (work function). However, interfaces properties remain poorly understood mainly because all nanometric phenomena accuring at its localization are characterized thanks to microscopic measurements. The aim of this PhD thesis is to characterize chemical and electrical properties of the interface through a rigorous control of its manufacturing process. The major contribution of this work is related to the use of Atomic Force Microscopy (AFM) to determine interface properties at nanoscale. In particular, interfaces are characterized morphologically (mechanical properties measurements by PFQNM - Peak Quantitative Quantum NanoMechanical) and electrically (surface potential measurements by KPFM - Kelvin Probe Force Microscopy). Thus, results demonstrate that the manufacturing process influenced the chemical properties (surface oxidation ...) of the interface without having any significant influence on the electrical properties. Indeed, the amount of injected charges remains quite the same regardless of the manufacturing process. AFM measurements showed that the morphological interface was abrupt whereas the electrical interface was progressive (several microns). A Matlab model permits us to extract interface charge density to KPFM surface potential measurements.
Une des propriétés fondamentales des diélectriques est d'accumuler des charges sous l'effet d'un champ électrique. Si cet effet est exploité dans certaines applications telles que les mémoires il est la plupart du temps la cause de défaillance dans de nombreux systèmes tels que les câbles haute tension ou les microsystèmes. De nombreuses études ont démontré que l'interface entre le diélectrique et l'électrode jouait un rôle prédominant dans le fonctionnement du système complet et en particulier influençait le phénomène d'injection de charge à l'origine des défaillances. Au cours des dernières années le phénomène d'injection de charges à l'interface électrode/diélectrique a largement été étudié. Pour expliquer la différence entre les résultats expérimentaux et les modèles, l'hypothèse la plus plausible est la présence d'états d'interfaces entre l'électrode (métal ou semiconducteur) et le diélectrique. Cette hypothèse permet en particulier d'expliquer l'indépendance de la quantité de charge injectée vis-à-vis du métal servant d'électrode. Toutefois, les propriétés des interfaces restent mal connues en particulier car ces phénomènes nanométriques sont caractérisés à partir de mesures microscopique. L'objectif de cette thèse est de caractériser les propriétés chimiques et électriques de l'interface grâce à un contrôle rigoureux de son procédé de fabrication. L'apport majeur de ces travaux est lié à l'utilisation de la microscopie à force atomique pour déterminer les propriétés de l'interface à l'échelle nanométrique. Nous avons en particulier caractérisé morphologiquement (mesure de propriétés mécaniques par PFQNM - Peak Force Quantitative NanoMechanical) et électriquement (mesure de potentiel de surface par KPFM - Kelvin Probe Force Microscopy). Nous avons ainsi pu montrer que le procédé de fabrication influençait les propriétés chimiques (oxydation de surface...) de l'interface sans que cela ait de conséquences notables sur les propriétés électriques. En effet, la quantité de charges injectées reste du même ordre de grandeur quel que soit le procédé de fabrication. Les mesures AFM ont montré que l'interface morphologique était abrupte alors que l'interface électrique était progressive (plusieurs microns). Grâce à un modèle nous avons pu extraire des mesures de potentiel de surface KPFM la densité de charge d'interface.
Domaines
Energie électrique
Origine : Version validée par le jury (STAR)