Das Absorptionsverhalten von Polyäthylen und anderen teilkristallinen und amorphen Polymeren zwischen 20 cm⁻¹ und 600 cm⁻¹

Zusammenfassung

Das dielektrische Absorptionsverhalten von Polymeren wird im Bereich von 20 cm⁻¹ (6×10¹¹ Hz) bis 600 cm⁻¹ (1.8×10¹³ Hz) untersucht. Bei Polyäthylen wird neben den beiden optisch aktiven Gitterschwingungen ein beträchtlicher „Untergrund“ mit definierten Banden gefunden. An diesem Beispiel werden die Absorptionsmechanismen teilkristalliner und amorpher Festkörper ausführlich untersucht. Messungen an anderen Substanzen, wie Polyoxymethylen mit verschiedenem Kristallanteil, Polystyrol, Polyvinylchlorid und den amorphen und kristallinen Modifikationen von Quarz, Lithiumsilikat und Selen erlauben, die Schlüsse zu verallgemeinern.

Folgende Aussagen werden abgeleitet:

• a) Die Zusatzabsorption geht auf Einphononenabsorption zurück. Tieftemperaturmessungen zeigen, daß der Beitrag von Mehrphononenprozessen zum Absolutbetrag des dielektrischen Verlustes ebenso wie zur Frequenzabhängigkeit gering ist.

• b) Die Abschwächung der Auswahlregeln für die Absorption bei Kristallen mit Fehlordnung und bei fehlgeordneten Gittern bewirkt, daß die Absorptionsspektren die Zustandsdichte widerspiegeln.

• c) Die Spektren der amorphen Phase stellen sich dar als „verwackelte“ Kristallspektren und legen den Schluß nahe, daß auch in der amorphen Phase in Bereichen von der Größe der mittleren freien Weglänge der Phononen eine ausgeprägte Nahordnung besteht.

Summary

The dielectric absorption of polymers in the wave number range between 20 cm⁻¹ (6×10¹¹Hz) and 600 cm⁻¹ (1.8×10¹³ Hz) is investigated. The polyethelene spectra are used to discuss in detail the absorption mechanisms of partially crystalline and amorphous solids. They show, besides the two active lattice vibrations, a considerable “background loss” with well defined bands. The findings are generalized and confirmed by measurements on polyoxymethylene of different crystallinity, polystyrene, Polyvinylchloride and on the vitrious and crystalline modifications of quartz, lithiumsilicat and selenium.

The following theses are derived:

• a) The additional absorption is due to one-phononprocesses. Measurements at low temperatures confirm that multi-phonon-processes give a negligible contribution to the dielectric loss and its frequency dependence.

• b) The weakening of the selection rules in crystals with dislocations and for disordered lattices causes the absorption spectra to reflect the density of states.

• c) The spectrum of the amorphous phase appears as a “smeared-out” crystal-spectrum and leads to the conclusion that there is good short-range order in the amorphous phase within regions of a size given by the mean free path of the phonons.