DE2544672A1

DE2544672A1 - Dielektrisches material aus monomolekularen schichten und dieses material verwendende kondensatoren

Info

Publication number: DE2544672A1
Application number: DE19752544672
Authority: DE
Inventors: Andre Barraud; Jean Messier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-10-08
Filing date: 1975-10-06
Publication date: 1976-04-22
Also published as: NL7511753A; GB1514308A; FR2287754A1; US4017660A; FR2287754B1; JPS5163497A

Description

Dielektrisches Material aus monomolekularen Schichten und dieses Material verwendende Kondensatoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein dielektrisches Material aus monomolekularen organischen Schichten und dieses Material verwendende Erzeugnisse, insbesondere Kondensatoren.

Es ist bekannt, daß nach dem Verfahren von Langmuir-Blodgett abgeschiedene monomolekulare organische Schichten sowohl hinsichtlich der Regelmäßigkeit ihrer Dicke als auch unter dem Gesichtspunkt ihrer dielektrischen Durchschlagsfestigkeit ein ausgezeichnetes Dielektrikum darstellen. Die gewöhnlich zum Bilden dieser Filme verwendeten Moleküle sind entweder Stearinsäure (C₁₇B₅,-COOH) und die Metallsalze dieser Säure oder Behensäure (C₂₁H^COOH) und die Metallsalze dieser Säure.

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Solche Schichten leiden jedoch aufgrund der Schwäche der intermolekularen Bindungen an mangelhafter sei tlicher Kohäsion. Daraus ergibt sich für das Dielektrikum eine gewisse Anzahl von Nachteilen hinsichtlich:

a) seines Temperaturverhaltens: Die aus einem Salz der oben erwähnten Fettsäuren gebildeten Monoschichten schmelzen bei etwa 125 ⁰C und verschlechtern sich rasch bei 100 ⁰C (das gilt beispielsweise für Filme aus Calziumbehenat); und

b) seines Spannungsverhaltens: Damit ein solcher Film, industriell gesehen, von Interesse ist, muß er eine Betriebsspannung von 1 V je Schicht und dies bei Temperaturen von -50 ⁰C bis + 125 ⁰C aushal· men sehr schwierig zu erreichen ist.

türen von -50 ⁰C bis + 125 ⁰C aushalten, was mit solchen FiI-

Der Erfindung liegt daher gerade die Aufgabe zugrunde, ein dielektrisches Material dieser Art zu entwickeln, das dahingehend verbessert ist, daß zu den Kohäsionskräften von Van-der-Waals-Typ intermolekulare Wasserstoffbindungen hinzukommen, die die Kohäsion des Films verstärken. Zu diesem Zweck verwendet man erfindungsgemäß Stoffe, deren Moleküle eine lange aliphatische Kette mit einer hydrophilen Endgruppe aufweisen, was insbesondere bei Stearinsäure und Behensäure, die für diese Anwendung bekannt sind, der Fall ist, die jedoch darüber hinaus eine Seitengruppe enthalten, die sich zum Austausch einer Wasserstoffbindung mit der Seitengruppe eines NachbarmoleküTs eignet. Daraus ergeben sich im Verhältnis zu den bekannten Stoffen dieser Art eine Erhöhung des Schmelzpunkts und eine Verbesserung des Widerdands gegenüber Belastungen, insbesondere Wärmebeanspruchungen und Kriechen.

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Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe gelöst wird, ist daher ein dielektrisches Material aus monomolekularen Schichten eines organischen Stoffes, dessen Moleküle eine lange aliphatisch« Kette mit einer hydrophilen Endgruppe aufweisen, mit dem Kennzeichen, daß dieser Stoff aus der Gruppe solcher gewählt ist, deren Molekül außerdem eine an der aliphatischen Kette angepfropfte Seitengruppe aufweist, die sich zum Austausch einer Wasserstoffbindung mit einem identischen Naehbarmolekül eignet.

Da die aliphatische Kette allgemein ein hydrophobes Verhalten aufweist, sind die erfindungsgemäß verwendeten Moleküle also amphlphil.

Vorzugsweise ist die hydrophile Gruppe entweder COOH oder

Vorzugsweise hat die aliphatische Kette, an der die Seitengruppe angepfropft ist, die Formel:

Vorzugsweise liegt dabei die Zahl η im Bereich von 18 bis 30 mit einem besonders bevorzugtem Wert von etwa η - 22.

Vorzugsweise ist die zum Austausch einer Wasserstoffbindung geeignete Seitengruppe in der .-< -Stellung der hydrophilen Punktionsgruppe gebunden. Sie könnte jedoch auch in der ^-Stellung gebunden sein.

Vorzugsweise ist die Seitengruppe die Gruppe OH tder die Gruppe SH.

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Zur Beschreibung der besonderen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Materials wird lediglich zwecks Erläuterung, d. h. ohne die Erfindung hierauf zu beschränken, im folgenden auf das spezielle Material bezug genommen, das man unter Verwendung der -^-Hydroxy-Behensäure (n= 20) erhält, die durch Anpfropfen der Alkoholgruppe in der "^-Stellung der Säuregruppe erzeugt wird. Äquivalente Ergebnisse erzielt man jedoch auch für die anderen Stoffe der oben definierten Stoffgruppe, z. B. -Hydroxy-Lignocerinsäure (n · 22).

Die aus den Molekülen von jt-Hydroxy-Behensäure gebildeten, auf einer Isolierenden oder leitenden Unterlage abgeschiedenen Filme sind gut regelmäßig und kompakt. Hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens stellt man eine erhebliche Verbesserung gegenüber den bekannten Filmen fest: Während das mit Behensäure erhaltene Material normalerweise bei 90 ⁰C schmilzt, sind die an einer Aluminiumunterlage haftenden <4>-Hydroxy-Behensäureschichten bis l40 ⁰C stabil. Diese Eigenschaft ist für äußerst dünne Filme mit starken Seitenbindungen typisch. Tatsächlich zersetzt sich ein gewöhnlicher Behensäurefilm, der eine Schmelztemperatur von 90 ⁰C aufweist und bei dem die seitlichen Bindungskräfte allein schwache Van-der-Waals-Kräfte sind, bei einer Temperatur unter 80 ⁰C. Die Salze dieser Säure, die bei höherer Temperatur (in der Größenordnung von 127 ⁰C) schmelzen, funktionieren nur noch schwierig bei 100 ⁰C.

Was das mechanische Verhalten und insbesondere das Kriechen betrifft, da* unter der Einwirkung des elektrostatischen Drucks erfolgt und für den vorzeitigen Durchschlag der Kondensatoren verantwortlich ist, so tritt

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dieses Kriechen bei diesem neuen erfindungsgemäßen Material nicht auf, und man beobachtet den Eigendurchsehlag der mit diesem Material hergestellten Kondensatoren ohne vorherigen Anstieg des Leekstroms.

Die an der Oberfläche von Wasser hergestellten monomolekularen Filme gemäß der Erfindung sind sehr kompakt, wie von der Anmelderin durchgeführte Analyseversuche zeigen. Es ist möglich, auf Moleküle mit Cp₂ mehr als 50 Dyn/cm und auf Moleküle mit CLg mehr als 40 Dyn/cm einwirken zu lassen.

Das dielektrische Material gemäß der Erfindung ist besonders gut zur Herstellung von elektrischen Bauteilen geeignet, die das Vorhandensein einer dielektrischen Schicht erfordern, insbesondere Kondensatoren. Solche Kondensatoren wurden von der Anmelderin insbesondere mit Aluminiumunterlagen oder -belägen hergestellt. Die beobachteten Durchschlagsspannungen sind höher als die, die man mit den üblichen Schichten erhält: Man erreicht z. B. eine Durchsehlagsspennung oberhalb 9 V für 5 monomolekulare Schichten und dies zwischen -50 ⁰C und +l40 ⁰C, was Betriebsspannungen von beispielsweise 5 V zuläßt.

Solche Bauelemente halten Wärmebehandlungen von 500 h bei l40 ⁰C im Vakuum aus. Die dielektrischen Verluste liegen in der Größenordnung von tg4k<3 * 10"^ .

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Claims

25M672

Patentansprüche

^5 JLiXvO

Dielektrisches Material aus monomolekularen Schichten

organischen Stoffes, dessen Moleküle eine lange aliphatische Kette mit einer hydrophilen Endgruppe aufweisen,

dadurch gekennzeichnet,
daß an der Kette eine Seitengruppe angepfropft ist, die sich zum Austausch einer Wasserstoffbindung mit einem identischen Nachbarmolekül eignet.
2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophile Gruppe die Gruppe COOH ist.
3· Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophile Gruppe die Gruppe CONH₂ ist.
4. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Skelett des Moleküls, an dem die Seitengruppe angepfropft ist, die Pormöl

CH₃ - (CH₂) _n-COOH
5. Material nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß η im Bereich von 18 bis j50 liegt.
6. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitengruppe in der ^-Stellung der hydrophilen Gruppe gebunden ist.

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7. Material nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitengruppe in der β-Stellung der hydrophilen Gruppe gebunden ist.
8. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadu? ch gekennzeichnet, daß die zum Austausch einer Wasserstoffbindung mit einem Nachbarmolekül geeignete Seitengruppe die Gruppe OH ist.
9· Material nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Austausch einer Wasserstoffbindung mit einem Nachbarmolekül gee ignete Seitengruppe die Gruppe SH ist.
10. Material nach den Ansprüchen 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Stoff ^-Hydroxy-Behensäure ist.
11. Material nach den Ansprüchen 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der organische Stoff <*--Hydroxy -Lignoc er insäur e ist.
12. Verwendung des dielektrischen Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von Kondensatoren.

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