Digital contact potential probe in studying the deformation of dielectric materials

• Autorzy: Pantsialeyeu Konstantsin , Zharin Anatoly , Gusev Oleg , Vorobey Roman , Tyavlovsky Andrey , Tyavlovsky Konstantin , Svistun Aliaksandr

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.2374

Warianty tytułu

PL

Miernik cyfrowy do pomiarów kontaktowej różnicy potencjałów przeznaczony do kontroli deformacji materiałów dielektrycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper reviews theresults of a study on the surface electrostatic chargesof dielectrics obtained using the contact potential difference (CPD) technique. Initially,the CPD technique was only applied to the study of metal and semiconductor surfaces. The conventional CPD measurement technique requires full compensation of the measured potential that, in thecase of dielectrics, could reach very high values. Such high potentials are hardto compensate. Therefore, the conventional CPD method is rarely applied inthe study of dielectric materials. Some important improvements recently made to the CPD measurementtechnique removedthe need for compensation.The new method, which does not require compensation, has been implementedin the form of a digital Kelvin probe.The paper describes the principlesof the non-compensation CPD measurement technique which was developedfor mapping the electrostatic surface charge space distribution acrossa wide range of potential values. The study was performed on polymers suchas low-density polyethylene (LDPE) and polytetrafluoroethylene (PTFE).

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań rozkładu wymuszonych ładunków na powierzchni dielektryków metodą kontaktowej różnicy potencjałów (angl. CPD). Wcześniej metoda CPD była stosowana jedynie do badań powierzchni metali lub półprzewodników. Trudności stosowania metody CPD w stosunku do dielektryków wynikają z konieczności całkowitej kompensacji potencjału powierzchniowego, wartość którego może być wysoka. W praktyce taka kompensacjamoże być utrudniona. W związku z tym metoda CPD nie jest stosowana do badań dielektryków. Ostatnio do technikipomiarów metodą CPD wprowadzono szereg udoskonaleń, które wyeliminowały konieczność całkowitej kompensacji mierzonych wartości. Nowa metoda, która nie wymaga kompensacji, została zrealizowana w postacicyfrowej sondy Kelvina. W artykule przeanalizowano zasady działania sondy nie wymagającej kompensacji oraz jej zastosowanie do określenia rozkładu ładunku na powierzchni dielektryków w szerokim zakresie wartości potencjału. Badania przeprowadzono na materiałach polimerowych, takich jak polietylen o małej gęstości (LDPE) i politetrafluoroetylen (PTFE).

Słowa kluczowe

EN

surface charge distribution; contact potential difference; Scanning Kelvin Probe; dielectric material

PL

rozkład ładunku powierzchniowego; kontaktowa różnica potencjałów; skanująca sonda Kelvina; materiał dielektryczny

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2020
• Tom: T. 10, nr 4
• Strony: 57--60
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Pantsialeyeu Konstantsin

• Belarusian National Technical University, Instrumentation Engineering Faculty, Minsk, Belarus

autor

Zharin Anatoly

• Belarusian National Technical University, Instrumentation Engineering Faculty, Minsk, Belarus

autor

Gusev Oleg

• Belarusian National Technical University, Instrumentation Engineering Faculty, Minsk, Belarus

autor

Vorobey Roman

• Belarusian National Technical University, Instrumentation Engineering Faculty, Minsk, Belarus

autor

Tyavlovsky Andrey

• Belarusian National Technical University, Instrumentation Engineering Faculty, Minsk, Belarus

autor

Tyavlovsky Konstantin

• Belarusian National Technical University, Instrumentation Engineering Faculty, Minsk, Belarus

autor

Svistun Aliaksandr

• Belarusian National Technical University, Instrumentation Engineering Faculty, Minsk, Belarus

Bibliografia

• [1] Baumgartner H.: New method for the distance control of a scanning Kelvin microscope. Measurement science & technology 2(3), 1992, 237–238.
• [2] Brain K. R.: Investigations of piezo-electric effects with dielectrics. Proceedings of the Physical Society of London 36(1), 1923.
• [3] Broadhurst M. G., Malmberg C. G., Mopsik F. I., Harris W. P.: Piezo- and pyro-electricity in polymer electrets. Conference on Electrical Insulation & Dielectric Phenomena. Annual Report, 1972 [http://doi.org/10.1109/ceidp.1972.7734193].
• [4] Davies D. K.: Charge generation on dielectric surfaces. Journal of Physics D: Applied Physics 2(11), 1969, 1533–1537 [http://doi.org/10.1088/0022-3727/2/11/307].
• [5] Dogadkin B. A., Gul V. E., Morozova N. A.: The Effect of Electric Charges Formed during Repeated Deformations on the Fatigue Resistance of Vulcanizates. Rubber Chemistry and Technology 33(4), 1960 [http://doi.org/10.5254/1.3542237].
• [6] Kelvin L.: Contact electricity of metals. Philosophical Magazine (series 5) 46(278), 1898, 82–120 [http://doi.org/10.1080/14786449808621172].
• [7] Lei Zhang, Zhiwei Chen, Jiale Mao, Shuang Wang, Yiting Zheng: Quantitative evaluation of inclusion homogeneity in composites and the applications (Review Article). Journal of Materials Research and Technology 9(3), 2020 [http://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.01.067].
• [8] Pantsialeyeu K. U., Krautsevich A. U., Rovba I. A., Lysenko V. I., Vorobey R. I., Gusev O. K., Zharin A. L.: Analysis of the electrophysical and photoelectric properties of nanocomposite polymers by the modified Kelvin probe. Devices and Methods of Measurements 8(4), 2017, 386–397 (in russian) [http://doi.org/10.21122/2220-9506-2017-8-4-55-62].
• [9] Pantsialeyeu K., Mikitsevich U., Zharin A.: Design of the contact potentials difference probes. Devices and Methods of Measurements 7(1), 2016, 7–15 (in russian) [http://doi.org/10.21122/2220-9506-2016-7-1-7-15].
• [10] Pantsialeyeu K., Svistun A., Tyavlovsky A., Zharin A.: Digital contact potential difference probe. Devices and Methods of Measurements 7(2), 2016, 136–144 (in russian) [http://doi.org/10.21122/2220-9506-2016-7-2-136-144].
• [11] Pantsialeyeu K., Svistun A., Zharin A.: Methods for local changes in the plastic deformation diagnostics on the work function. Devices and Methods of Measurements 10(1), 2015, 56–63.
• [12] Pilipenko V., Solodukha V., Zharin A., Gusev O., Vorobey R., Pantsialeyeu K., Tyavlovsky A., Tyavlovsky K., Bondariev V.: Influence of rapid thermal treatment of initial silicon wafers on the electrophysical properties of silicon dioxide obtained by pyrogenous oxidation. High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes 23(3), 2019, 283–290 [http://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2019031122].
• [13] Qin W. G., Shaw D. A.: Theoretical model on surface electronic behaviour: strain effect. Phys. B: Condensed Matter 6(16), 2009, 2247–2250.
• [14] Sviridenok A., Zharin A., Krautsevich A., Tyavlovsky A.: The effect of high-dispersion fillers on adhesive and frictional properties of ethylene-vinyl acetate copolymer. Journal of Friction and Wear 35, 2014, 255–262.
• [15] Sykes J. M., Doherty M.: Interpretation of Scanning Kelvin Probe potential maps for coated steel using semi-quantitative current density maps. Corrosion Science 50, 2008, 2773–2778 [http://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.07.023].
• [16] Tyavlovsky A. K., Zharin A. L., Gusev O. K., Kierczynski K.: Kelvin Probe error compensation based on harmonic analysis of measurement signal. Przeglad Elektrotechniczny 90, 2014, 251–254.
• [17] Vorobey R. I. Gusev O. K. Tyavlovsky A. K., Svistun A. I., Shadurskaja L., Yarzhembiyskaja N., Kerczynski K.: Controlling the characteristics of photovoltaic cell based on their own semiconductors. Przeglad Elektrotechniczny 91(8), 2015, 81–85 [http://doi.org/10.15199/48.2015.08.21].
• [18] Wicinski M., Burgstaller W., Hassel A. W.: Lateral resolution in scanning Kelvin probe microscopy. Corrosion Science 104, 2016, 1–8 [http://doi.org/10.1016/j.corsci.2015.09.008].
• [19] Zharin A., Pantsialeyeu K., Kierczyński K.: Charge sensitive techniques in control of the homogeneity of optical metallic surfaces. Przegląd Elektrotechniczny 92(8), 2016, 190–193
• [http://doi.org/10.15199/48.2016.08.52].
• [20] Zharin A., Pantsialeyeu K., Opielak M., Rogalski P.: Charge sensitive techniques in tribology studies. Przegląd Elektrotechniczny 92(11), 2016, 239–243 [http://doi.org/10.15199 / 48.2016.11.58].
• [21] Zisman W.: A new method of measuring contact potential differences in metals. Review of Scientific Instruments 3(7), 1932, 367–370 [http://doi.org/10.1063/1.1748947].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).