Implémentation de la polarisation dans un modèle de transport de charges appliqué au PEN sous contrainte électrique
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
A 1D bipolar model, able to describe transport, trapping and recombination of electronic carriers (electrons and holes) on the basis of experimental results, has been developed. This model already gives good results on low density polyethylene. However improvements are still possible, especially in order to predict any dielectric behavior under electrical stress, particularly polar ones. This work aims at implementing the polarization processes in the charge transport model for polyethylene naphtalene (PEN), a polar polymer, and to define an optimized set of parameters for the model in order to predict the material behavior under any thermo-electrical stress. Thermo-stimulated depolarization current (TSDC), space charge (PEA) measurements, and dielectric spectroscopy (DS) were used to characterize the electrical, dielectric and physic-chemical properties of the material under electric field and temperature, in order to have access to processes related to dipoles and conduction. Four relaxation peaks were observed in the increasing order of temperature. The first three peaks, beta, beta* and alpha, observed using DS and TSDC, are related to the orientation polarization process. The last peak rho, only observed by TSDC, has been attributed to negative charges trapped in the dielectric, and measured with space charge measurement. Polarization phenomena have then been implemented in the charge transport model based on dielectric spectroscopy measurements. The dielectric response has been treated using a Cole-Cole function for each relaxation process, function of the temperature. Then, with the help of an inverse transform Fourier, the time dependent permittivity has been obtained and is added to a charge transport model. Simulated currents are then compared to measured currents under low fields. Experimental and simulated currents are in good agreement when the material response is essentially from dipolar origin. Finally, the developed model was used for experimental protocols where polarization and conduction are present (high fields and/or high temperatures). The first simulations yield to encouraging results regarding the simulated and measured currents, which are comparable.
Abstract FR:
Un modèle, unidimensionnel et bipolaire, capable de décrire les phénomènes de transport, de piégeage et de recombinaison sur la base de résultats expérimentaux a été développé dans l'équipe DSF du laboratoire LAPLACE. Il donne déjà de bons résultats sur du polyéthylène basse densité. Cependant, des améliorations restent possibles, notamment afin de pouvoir prédire le comportement d'un matériau quelconque sous contrainte thermoélectrique, particulièrement lorsque celui-ci est polaire. L'objectif principal de ce travail de thèse est d'implémenter la polarisation dans ce modèle de transport de charges et de définir des paramètres optimisés afin de prédire le comportement du matériau sous une quelconque contrainte thermoélectrique. Dans ce contexte, le polyéthylène naphtalène (PEN) a été choisi comme polymère polaire à étudier. Dans un premier temps, des mesures de courants de dépolarisation thermostimulés -TSDC, de charges d'espace (PEA), et de spectroscopie diélectrique -SD ont été utilisées pour caractériser les propriétés électriques, diélectriques et physico-chimiques du matériau en champ et en température, afin d'appréhender les phénomènes liés aux dipôles et à la conduction. Quatre pics de relaxation ont été observés dans l'ordre croissant de la température. Les trois premiers pics, beta, beta* et alpha, observés par SD et TSDC, sont liés à des processus de polarisation d'orientation. Le dernier pic rho, observé par TSDC uniquement, a pu être attribué à la présence de charges négatives piégées dans le volume, et observées par mesures de charges d'espace. Les phénomènes de polarisation ont ensuite été pris en compte dans le modèle de transport sur la base des résultats de mesure de spectroscopie diélectrique. La réponse diélectrique est modélisée à l'aide d'une fonction de Cole-Cole appliquée à chaque relaxation. Ensuite, à l'aide d'une transformée de Fourier inverse du domaine fréquentiel au domaine temporel, elle est introduite dans le modèle de transport de charges. Les résultats du modèle développé sont validés par des mesures de courant à champ faible à différentes températures. La comparaison entre les courants simulés et mesurés donne une bonne cohérence pour des protocoles expérimentaux où la réponse est essentiellement polaire. Le modèle est ensuite utilisé pour des protocoles expérimentaux où la polarisation et la conduction sont présentes (champ et/ou température élevés). Les premières simulations réalisées ont donné des résultats encourageants concernant les densités totales de courant simulées et mesurées, qui sont comparables.