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Cargas positivas e negativas foram injetadas pelo MC em um filme de 230 nm de PMMA à umidade ambiente (60 %) e a 0 % de umidade relativa do ar. As cargas injetadas foram monitoradas por aproximadamente 40 min, possibilitando uma análise da descarga dos padrões. Na figura II-8, observa-se a evolução temporal do processo de descarga (fig. II-9(a)) e a variação do raio da região carregada (fig. II-9(b)) para ambas as polaridades (positiva – quadrados azuis; negativa – círculos vermelhos) e ambos ambientes (formas preenchidas – 60 % de umidade; formas vazias – 0 % de umidade). O raio da região em que se encontra a carga é medido diretamente na imagem de EFM. Mede-se o diâmetro a meia altura do perfil da imagem de EFM da região carregada.

Na figura II-9 tem-se ln(q) em função do tempo durante o qual a região carregada foi observada. q é a quantidade de carga elementar presente na amostra, que é quantificada a partir da variação da frequência de oscilação da sonda obtida pela imagem de EFM (para mais informações ver seção III.1 do capítulo III). Assumindo um processo de descarga exponencial, com uma constante de tempo característica, τ, e uma carga elementar inicial q0, (

τ

t e q t

q( )= ₀ − ) então ln(q(t)) pode ser linear com o tempo (

τ t q t q( ))=ln( )− ln( ₀ ).

Figura II-9: (a) Variação temporal da quantidade de cargas e (b) do raio de regiões do filme de

PMMA carregadas positiva (Vi = 22 V, MC) e negativamente (Vi = -22 V, MC) a 60 % (formas

preenchidas) e 0 % (formas vazias) de umidade relativa do ar (RH).

Como mostrado na figura II-9, a 60 % de RH a eficiência na injeção de carga é maior para cargas positivas que para cargas negativas. Ou seja, para uma tensão de mesmo módulo aplicada na sonda (|Vi| = 22 V), mas polaridade diferente, uma maior quantidade de carga

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positiva é injetada. O raio da região carregada é menor para cargas positivas. Portanto, sob umidade ambiente, com cargas positivas obtêm-se padrões menores e mais intensos. Normalmente, a penetração da carga no bulk de um isolante é dependente da polaridade da carga, da sua densidade e de outras características da superfície isolante, tal como densidade de traps de carga [18]. Para o PMMA, as cargas positivas devem penetrar mais profundamente em seu bulk, resultando em uma menor área na superfície (menor raio na imagem de EFM) e produzindo, portanto, um sinal de EFM mais forte [18].

O melhor ajuste encontrado para os processos de descarga para ambas as polaridades foi de dois decaimentos exponenciais com diferentes constates de tempo, τ1 (até ~ 15 min) e τ2 (acima de ~ 15 min) (fig. II-8(a)). Na tabela II-1 encontram-se os valores numéricos de τ1 e τ2 para todos os casos, onde τ1 é normalmente menor que τ2.

Tabela II-1: Constantes de tempo para o decaimento de cargas positivas e

negativas sobre a superfície de PMMA a 60 % e 0 % de umidade relativa do ar.

RH Carga Positiva Carga Negativa τ1 (103 s) τ2 (103 s) τ1 (103 s) τ2 (103 s) 60 % 3,3 ± 0,2 6,6 ± 0,2 2,9 ± 0,4 7,1 ± 0,3 0 % 4,3 ± 0,3 10,5 ± 0,6 10 ± 1 23 ± 3

Não se observam variação do raio das regiões carregadas com o tempo para ambas as polaridades. Isso significa que não há espalhamento lateral da carga na superfície.

A descarga nos materiais dielétricos pode ser devida a um decaimento externo ou interno. No decaimento externo, tem-se a possível neutralização das cargas da superfície com íons do meio vizinho ou a perda de carga devido à condutividade elétrica do meio. No caso do experimento realizado a condições ambientes, a quantidade de íons do meio e a condutividade elétrica serão influenciadas pela umidade relativa do ar. Já o decaimento interno será devido à pequena, mas não nula condutividade elétrica do material e por difusão dos portadores de carga. Excessos de carga, ou seja, uma alta densidade de carga, são sujeitos a pequeno espalhamento causado pelo seu próprio campo (repulsão entre as cargas) [8].

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As constantes de tempo são bem próximas para as cargas positivas e negativas, sendo ligeiramente menores para cargas negativas no primeiro intervalo de tempo a 60 % RH (fig. II-9(a) e tabela II-1). Se as cargas negativas realmente penetram menos na superfície do PMMA, elas estão mais sujeitas ao decaimento externo, cujo grande responsável é a umidade relativa do ar. Quando o experimento acima é realizado em ambiente seco (RH = 0 %), há um aumento de todas as constantes de tempo, evidenciando a influência da umidade relativa do ar na descarga (fig. II-9(a) e tabela II-1). O aumento das constantes de tempo relativo às cargas negativas é consideravelmente maior que o das cargas positivas, o que corrobora o argumento de que as cargas negativas estão localizadas mais próximas à superfície e, por isso, sofrem maior influência do meio.

Observa-se que à RH = 0 % injeta-se uma menor quantidade de carga de ambas as polaridades e que o raio da região carregada também diminui consideravelmente. A eficiência da injeção de carga diminui com a umidade, ou seja, quanto menor a umidade relativa do ar menor a quantidade de carga injetada. Mas, por outro lado, a eficiência para se ter um dispositivo de memória aumenta consideravelmente, pois as constantes de tempo aumentam com a diminuição da RH, ou seja, os padrões de carga permanecem por mais tempo na superfície.

Além disso, o raio das regiões carregadas também diminui quando a carga é injetada em ambiente seco, o que favorece a construção de padrões em uma escala de tamanho menor.

Com base nos resultados da tabela II-1 é possível concluir que processos de decaimento externo devido à umidade relativa do ar ocorrem durante todo o período de descarga observado, tanto para cargas positivas como para cargas negativas, pois todas as constantes de tempo aumentam quando o experimento é realizado a 0 % de umidade. Os processos de decaimento interno também ocorrem durante todo o período de descarga observado tanto para cargas positivas como para cargas negativas, pois a 0 % de umidade, as cargas continuam se dissipando.