Rôle des défauts ponctuels sur les propriétés des isolants : charge électrique, claquage, ténacité

CEA.IRDI/DESCIP, CEN Saclay, 91191 Gif s/Yvette, France.

Résumé

Les études de surface d'isolants étant en général perturbées par des effets de charge nous étudions l'origine et les conséquences de ces effets. Nous montrons que la charge est due à la présence de défauts et que sous vide, lorsqu'un champ critique caractéristique de l'isolant est atteint, il se produit une décharge. Nous rappelons les différentes étapes du claquage décrites par Larigaldie, à la surface d'un isolant, à la pression atmosphérique, et par Hayes et Stoneham dans les solides. Quel que soit le système étudié le claquage comporte une phase de décharge luminescente, une phase d'arc et une phase de thermalisation. Le claquage est le résultat d'une transformation de l'énergie électrostatique stockée dans l'isolant en énergie d'ionisation. Cette énergie emmagasinée traduit la polarisation, électrique et ionique, du diélectrique. L'application d'une contrainte mécanique ayant aussi pour effet de polariser un isolant, nous pensons alors que la fracture pourrait être le résultat d'une série de séquences similaires à celles du claquage. A partir de là on pourrait expliquer qu'une contrainte mécanique abaisse la tension de claquage et que réciproquement l'application d'un champ électrique modifie la tenacité. Pour progresser dans cette voie, nous étudions l'effet de la polarisation de Y₂O₃ sur la ténacité de ce matériau. Des expériences de diffraction X, EXAFS, ESCA et Microscopie à balayage, montrent qu'il y a un lieu entre présence de lacunes d'oxygène produites thermiquement, polarisation des liaisons Y-O, tenacité et type de fracture.

Abstract

The origin and consequences of charge effects which generally interfere with surface studies on insulators are investigated here. The charge is shown to be due to the presence of defects and under vacuum, when a critical field characteristic of the insulator is reached, a discharge occurs. The different stages of breakdown described by Larigaldie at an insulator surface at atmospheric pressure, and by Hayes and Stoneham in solids, are reviewed. Whatever the system studied the breadown consists of a luminescent discharge phase, an arc phase and a thermalization phase and results from a conversion of the electrostatic energy stored in the insulator into ionization energy. The stored energy expresses the electrical and ionic polarization of the dielectric. Since the application of a mechanical stress also polarizes an insulator we think that fracture could be the result of a set of sequences similar to those of breakdown. On this basis a mechanical stress could be thought to lower the breakdown voltage and conversely the application of an electric field to alter the toughness. To progress along these lines we are studying the effect of polarization on the toughness of Y₂O₃. X-ray diffraction, EXAFS, ESCA and scanning electron miscrocopy experiments show a relationship between thermally produced oxygen vacancies, polarization of Y-O bonds, thoughness and fracture mode.