Modélisation numérique et caractérisation de l'injection et du transport de charges dans des isolants céramiques multicouches

par Nadège Cornet

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Dominique Goeuriot.


  • Résumé

    La surface joue un rôle de plus en plus important pour les matériaux que les industriels cherchent à miniaturiser et alléger. Afin de conserver une forte propriété de résistance aux claquages diélectriques des matériaux céramiques isolants, des structures bicouches formées d'un substrat isolant recouvert d'une couche de surface de nature différente sont de plus en plus envisagées. Le comportement sous injection de charges de ces matériaux multicouches est lié aux propriétés intrinsèques du matériau de surface : propriétés structurales, diélectriques et géométriques. La démarche de ce travail a été d’établir des relations entre la microstructure du matériau, son comportement face à l’injection et sa résistance au claquage diélectrique. Cette compréhension et l’interprétation des résultats expérimentaux ont été permis grâce à l’utilisation d’un modèle physique, proposé initialement par HJ Fitting et développé par X. Meyza et M. Touzin. Des améliorations ont été apportées au modèle initialement développé, comme la prise en compte de l’effet de la température à travers l’introduction d’un dépiégeage de type Poole-Frenkel sur le courant de diffusion, de la recombinaison des charges disponibles notamment par les effets de dépiégeage et de la présence d’un courant de diffusion. Le modèle, utilisé jusqu’à présent pour des matériaux massifs, a été généralisé à un système multicouches. Pour cela, l'influence du matériau de surface sur l'énergie des électrons le traversant a été prise en compte via la notion d'épaisseur efficace. Dans un deuxième temps, ce modèle a été validé en comparant les mesures de rendement d'émission secondaire intrinsèque et total, issues des données expérimentales, avec les résultats simulés. Enfin le modèle a été appliqué au cas des matériaux bicouches: alumine revêtue de silice, et alumine traitée en surface avec un faisceau laser. Les simulations ont démontré que même pour des épaisseurs de dépôts très faibles (comparable à la longueur d'échappement des électrons, soit quelques dizaines de nanomètres) le comportement du matériau alumineux revêtu était fortement modifié. On a noté en particulier une accumulation de charges à l'interface sous forme d'une distribution bi-polaire. La confrontation entre les résultats simulés et les mesures expérimentales d'injections d'électrons par la méthode ICM (Méthode du Courant d’Influence), a finalement permis de comprendre l'influence de la couche surfacique sur la propriété de tenue au claquage diélectrique de ces matériaux revêtus. Pour une alumine ayant subi un traitement laser, sa surface est fortement modifiée et son comportement face à l’injection de charges l’est également. Les charges s’écoulent ainsi au fur et à mesure qu’elles sont injectées. Ce caractère diffusif est confirmé par la simulation d’une couche d’épaisseur 100nm de propriétés physiques différentes du substrat (en lien avec les modifications structurales : ressuage des phases secondaires, fusion). Au contraire, le comportement du matériau initial face à l’injection de charges est différent : les charges sont fortement piégées ce qui provoque la création d’un potentiel de surface qui fait « barrière » à l’injection : ce caractère piégeur a été mis en évidence expérimentalement. Ces deux phénomènes, même si ils ont des comportements très différents, permettent d’augmenter la rigidité diélectrique du matériau

  • Titre traduit

    Numerical modeling and characterization of the injection and the transport of charges in multilayers ceramic insulators.


  • Résumé

    In industry, a constant aim is to reduce the size of the produced pieces for economic reasons. This can be possible by mastering some properties through a surface layer whose composition is different from that of the bulk material. For example, in order to retain a strong resistance to dielectric breakdowns of insulating ceramic materials, double-layered structures, formed by an insulating substrate covered by a surface layer of a chosen composition, are increasingly considered. Behaviour under injection of charges in these multi-layer materials is generally linked to the intrinsic properties of the surface material: structural, dielectric and geometrical properties. The aim of this work was to determine relationships between the microstructure of material, its behaviour during electron injection and its resistance to dielectric breakdown. This comprehension and the interpretation of the experimental results were possible through the simulation of the injection by the way of a physical model, suggested initially by HJ Fitting and developed by X. Meyza and M. Touzin. Improvements were performed on the initially developed model by taking into account : (i) the effect of the temperature through the introduction of a ‘Poole-Frenkel-like’ detrapping effect on the diffusion current, (ii) the effect of the recombination of the available charges, in particular the ones induced by the effects of detrapping and (iii) the presence of a diffusion current. The model, used until now for bulk materials, was generalized to a multi-layer system. Thus, the influence of the material surface on electron energy, was taken into account by the concept of effective thickness. Then, this model was validated by comparing measurements of output intrinsic and total emission of secondary electrons, resulting from the experimental data, with the simulated results. Finally, the model was applied to the case of double-layered materials: silica-covered alumina, and alumina whose surface was laser-treated. Simulations showed that, even for very thin deposits (comparable with the escape length of the electrons, i. E a few tens of nanometers), the behaviour of covered alumina was strongly modified. In particular, an accumulation of charges near the interface, following a bipolar distribution, was noticed. Confrontation between the simulated results and experimental measurements of electron injections by ICM method (Induced Current Method), eventually made it possible to understand the surface layer influence on the property of the dielectric breakdown behaviour of these covered materials. The surface of an alumina having undergone a laser treatment, is strongly modified and its behaviour under injection of charges as well. The charges are progressively diffusing as they are injected. This diffusive behaviour is confirmed by the simulation of injection in a 100nm-thick layer with physical properties different from that of the substrate (linked to the structural modifications: sweating of the secondary phases, fusion). On the opposite, the behaviour of initial material under charge injection is different: the charges are strongly trapped, generating a surface potential that creates a “barrier” to the injection: this trapping behaviour was highlighted in experiments. These two phenomena make it both possible to increase the dielectric rigidity of materials.

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  • Détails : 1 vol. (149 p.)
  • Annexes : Bibliogr.

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 620.192 COR
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