誘電体ポリマーにおけるフィールド誘導キャリア局在遷移

有機ポリマーは、柔軟性と費用対効果の高い処理のために、無機の対応物よりも誘電体材料として多くの利点を提供しますが、高電界の存在下での故障により、その用途は厳しく制限されています。誘電性の分解は、野外でアクセラレーションされたホットキャリア（電子または穴）によって引き起こされるキャリアの乗算や欠陥生成などの雪崩プロセスの結果として一般的に理解されています。しかし、無機誘電材料とはまったく対照的に、ポリマーの分解場の定量的予測を可能にするための機構的理解は残っていません。ここでは、非断熱量子分子動力学シミュレーションを使用して、典型的なポリマーであるポリエチレンのスラブで、高温キャリアのダイナミクスと結果として生じる化学的損傷に関するさまざまな電界の体系的な研究を実施します。高電界は、実験的に報告された内因性破壊場の近くで重要な遷移が発生し、スラブ表面に局所的な電子状態を誘導することがわかりました。この遷移は、電荷キャリアと原子の間の強力なポラロン結合を促進します。これは、局所的な状態の時間進化と熱いキャリアの動きにおけるC-H振動共鳴の存在によって明らかにされています。表面。このようなポラロン局在局在遷移は、高い故障フィールドを備えた誘電体ポリマーを計算するための非常に欠落している予測方法を提供する可能性があります。

Organic polymers offer many advantages as dielectric materials over their inorganic counterparts because of high flexibility and cost-effective processing, but their application is severely limited by breakdown in the presence of high electric fields. Dielectric breakdown is commonly understood as the result of avalanche processes such as carrier multiplication and defect generation that are triggered by field-accelerated hot carriers (electrons or holes). In stark contrast to inorganic dielectric materials, however, there remains no mechanistic understanding to enable quantitative prediction of the breakdown field in polymers. Here, we perform systematic study of different electric fields on hot carrier dynamics and resulting chemical damage in a slab of archetypal polymer, polyethylene, using nonadiabatic quantum molecular dynamics simulations. We found that high electric fields induce localized electronic states at the slab surface, with a critical transition occurring near the experimentally reported intrinsic breakdown field. This transition in turn facilitates strong polaronic coupling between charge carriers and atoms, which is manifested by severe damping of the time evolution of localized states and the presence of C-H vibrational resonance in the hot-carrier motion leading to rapid carbon-carbon bond breaking on the surface. Such polaronic localization transition may provide a critically missing prediction method for computationally screening dielectric polymers with high breakdown fields.