Phénomènes aux interfaces des isolants : mesure et simulation

Interfacial phenomena in insulators : mesurement and simulation

• Auteur / Autrice : Mandana Taleb
• Direction : Gilbert Teyssedre, Séverine Leroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

États électroniques de surface

Électroluminescence

Charge d'espace

Polymères

Isolants électriques

Interfaces (sciences physiques)

Mots clés libres

Polymère

Interface

Charge d'espace

Injection de charges

Courant de conduction

Electroluminescence

Etats de surface

Modélisation numérique

Résumé

Les matériaux polymères sont largement utilisés en tant qu'isolants dans les domaines du génie électrique, de l'électronique de puissance et de la microélectronique. Ces diélectriques sont principalement en contact avec d'autres composants: avec des semi-conducteurs et des métaux dans les câbles haute tension, avec des substrats et d'autres diélectriques dans les systèmes multicouches. Ces interfaces sont omniprésentes, et contribuent à l'injection et l'accumulation de charges d'espace dans les diélectriques solides. D'autre part, au cours de leur vie, ils sont soumis à de nombreuses contraintes, de température, de champ. . . Ces contraintes peuvent conduire à la dégradation prématurée et à la rupture diélectrique du matériau par une distorsion du champ électrique, et conduire au dysfonctionnement du système. Des études antérieures, expérimentales et de simulations, ont montré l'importance des interfaces sur la génération de charges à l'intérieur du diélectrique, mais les approches théoriques comme la loi d'injection Schottky ne fournissent pas une description adéquate pour des courants expérimentaux. Aucune loi d'injection de charge ne permet actuellement de traduire ce qui est observé expérimentalement au niveau de la simulation. Cependant les recherches récentes montrent que les états de surface qui se forment à l'interface métal/isolant jouent un rôle important sur le comportement des diélectriques. L'injection de charges est principalement affectée par la nature du contact et des états de surface. Les états de surface sont principalement dus à des défauts chimiques, à savoir, des impuretés, des additifs et des antioxydants, ou physique comme la rugosité de surface, etc. Écouter Lire phonétiquement Dictionnaire - Afficher le dictionnaire abréviation Virginie. L'enjeu de ce travail est de comprendre les phénomènes en jeu à une interface métal/isolant, afin de les modéliser correctement. Ce travail est basé sur une approche duale modélisation et expérience. L'isolant retenu est ici est le polyéthylène basse densité (LDPE). Dans un premier temps, nous avons caractérisé expérimentalement des interfaces métal/isolant, grâce notamment aux mesures disponibles (mesures de charge d'espace, de courant de conduction, de luminescence, de profilomètrie. . . ). Dans un seconde temps, nous avons développé un modèle numérique capable de prendre en compte les états de surface. L'approche est originale, puisque l'étude porte sur l'injection et le transport de charges en tenant compte d'une distribution exponentielle des états d'énergie à l'interface.

Due to their thermal, electrical or mechanical properties, solid organic dielectrics are more and more used in electronic, electrical and microelectronic domains. However, these dielectrics are mainly used in systems where they are in contact with other components: with semi-conducting screens in High Voltage cables, with substrates and other dielectrics in multi-layer systems, with micro or nano-particles of organic or inorganic materials. Interfaces exist in such systems and contribute to the space charge accumulation in solid dielectrics. This charge build-up can lead to dielectric breakdown, meaning the failure of the system. The major problem remains the physical description of these interfaces, as it is known that injection of charges from the interfaces is determinant in the charge generation and transport. Indeed, theoretical approaches like the Schottky injection law do not provide an adequate description of experimental currents in wide band gap insulations. Recently, surface states at the metal/organic interface were suggested as the source of additional energetic disorder, localized near the interface. Localized states at the interface are known to have a large impact on charge injection and extraction so a better understanding of the interface mechanisms is then necessary in order to develop an alternative model for charge injection. The aim of this work is to better understand the impact of the nature of the metal and of the surface topology on the charge generation at a metal/ dielectric interface. This work is based on a dual approach modeling and experience. The insulation used is here is the low density polyethylene (LDPE). First, we characterized experimentally metal / insulator interfaces thanks to the available measures (measures of space charge, current conduction, luminescence, profilometry. . . ). In a second step, we developed a numerical model capable of taking into account the surface states. The approach is original, because the study focuses on charge injection and transport with an exponential distribution of energy states at the interface.