聚合物介質(zhì)材料電荷捕獲輸運(yùn)特性和機(jī)理的研究.pdf

1、?聚合物介質(zhì)材料的電荷輸運(yùn)特性決定介質(zhì)的空間電荷積聚特性?？臻g電荷積聚會(huì)造成介質(zhì)中電場(chǎng)畸變，當(dāng)介質(zhì)中的局部電場(chǎng)達(dá)到一定閾值，電-機(jī)械應(yīng)力、或電荷脫陷過程中釋放的能量會(huì)造成材料的老化或劣化、甚至擊穿，影響電力設(shè)備、航天器的安全運(yùn)行和壽命。介質(zhì)的電荷輸運(yùn)特性決定著材料的空間電荷積聚水平，然而一些高阻聚合物介質(zhì)材料的電導(dǎo)機(jī)制、空間電荷形成與傳導(dǎo)等電荷輸運(yùn)特性和機(jī)理尚不完全清楚。因此，有必要深入系統(tǒng)地研究聚合物介質(zhì)材料電荷輸運(yùn)特性和機(jī)理。

2、>　　本文研究了聚合物介質(zhì)材料中存在單一分立能級(jí)陷阱、多重分立能級(jí)陷阱和指數(shù)能級(jí)分布陷阱時(shí)，介質(zhì)中的電荷入陷/脫陷動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，穩(wěn)態(tài)載流子有效遷移率及其隨陷阱分布、電荷密度、溫度和電場(chǎng)的變化關(guān)系，及空間電荷限制電流（SCLC）特性。測(cè)試了電子束輻射后聚酰亞胺（PI）材料的二維表面電位衰減（SPD）特性，建立了SPD模型，計(jì)算了材料的表面和體電荷輸運(yùn)參數(shù)。采用雙極性電荷輸運(yùn)模型（BCT）仿真計(jì)算了SPD過程中的表面電荷衰減、體內(nèi)電荷和電

3、場(chǎng)分布時(shí)空演變特性。研究了高溫強(qiáng)場(chǎng)下PI薄膜的SCLC電流特性、及不同SCLC電流區(qū)的電荷輸運(yùn)特性和機(jī)理。
　　首先，研究了陷阱捕獲效應(yīng)對(duì)介質(zhì)電荷入陷/脫陷動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性、電荷輸運(yùn)特性和 SCLC電流的影響規(guī)律。提出了庫(kù)侖勢(shì)壘電荷捕獲修正模型，得到了陷阱捕獲截面和捕獲概率解析表達(dá)式。推導(dǎo)了載流子有效遷移率和 SCLC電流隨陷阱能級(jí)、載流子遷移率邊緣、溫度、電荷密度和電場(chǎng)變化的解析表達(dá)式。
　　其次，研究了溫度在298-338

4、K、電場(chǎng)強(qiáng)度小于5.4×107Vm-1時(shí)，厚度為27μmPI材料的SPD特性和電荷輸運(yùn)特性?？紤]材料的表面?zhèn)鲗?dǎo)和體傳導(dǎo)過程，建立了結(jié)合遺傳算法的二維SPD模型，計(jì)算得到了不同溫度下PI材料的視在表面電阻率、體歐姆電阻率和載流子有效遷移率，及視在表面電阻率和體歐姆電阻率的活化能和材料的深陷阱能級(jí)。
　　再次，采用BCT模型仿真研究了PI材料在室溫不同初始表面電位時(shí)的SPD特性和空間電荷時(shí)空演變特性，提取了材料的電荷輸運(yùn)參數(shù)。BCT模

5、型結(jié)合遺傳算法計(jì)算得到了不同初始表面電位時(shí)材料的SPD曲線，得到了經(jīng)過優(yōu)化的松弛極化和電荷輸運(yùn)參數(shù)。將優(yōu)化過的參數(shù)帶入BCT模型中，計(jì)算得到了SPD過程中材料的表面沉積電荷、體內(nèi)自由電荷分布、陷阱電荷分布和電場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化特性。
　　接著，研究了多重分立能級(jí)陷阱和指數(shù)能級(jí)分布陷阱中電荷動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，及穩(wěn)態(tài)載流子有效遷移率隨陷阱分布、電荷密度和溫度等的變化特性。通過理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真研究了電荷入陷/脫陷動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，得到了等

6、效電路模型。推導(dǎo)得出了穩(wěn)態(tài)時(shí)陷阱電荷密度與自由電荷密度的關(guān)系式，得到了指數(shù)能級(jí)分布陷阱中載流子有效遷移率的解析表達(dá)式。
　　最后，研究了在高溫（593-673K）、強(qiáng)場(chǎng)（107-3×108Vm-1）條件下，厚度為1.4μmPI薄膜的電荷輸運(yùn)特性和空間電荷分布特性。研究PI薄膜的單一分立能級(jí)陷阱和指數(shù)能級(jí)分布陷阱SCLC電流特性，計(jì)算得到了PI材料的陷阱分布參數(shù)。然后，計(jì)算得到了介質(zhì)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和載流子有效遷移率隨電荷密度和溫度的變