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Hot-Carrier Dynamics and Chemistry in Dielectric Polymers

电介质 聚合物 动力学(音乐) 化学物理 材料科学 化学 工程物理 纳米技术 光电子学 物理 有机化学 声学
作者
Hiroyuki Kumazoe,Shogo Fukushima,Subodh Tiwari,Chiho Kim,Tran Doan Huan,Rajiv K. Kalia,Aiichiro Nakano,Rampi Ramprasad,Fuyuki Shimojo,Priya Vashishta
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:10 (14): 3937-3943 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.9b01344
摘要

Dielectric polymers are widely used in electronics and energy technologies, but their performance is severely limited by the electrical breakdown under a high electric field. Dielectric breakdown is commonly understood as an avalanche of processes such as carrier multiplication and defect generation that are triggered by field-accelerated hot electrons and holes. However, how these processes are initiated remains elusive. Here, nonadiabatic quantum molecular dynamics simulations reveal microscopic processes induced by hot electrons and holes in a slab of an archetypal dielectric polymer, polyethylene, under an electric field of 600 MV/m. We found that electronic-excitation energy is rapidly dissipated within tens of femtoseconds because of strong electron–phonon scattering, which is consistent with quantum-mechanical perturbation calculations. This in turn excites other electron–hole pairs to cause carrier multiplication. We also found that the key to chemical damage is localization of holes that travel to a slab surface and weaken carbon–carbon bonds on the surface. Such quantitative information can be incorporated into first-principles-informed, predictive modeling of dielectric breakdown.

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