本發(fā)明涉及聚合物絕緣陷阱能級分布測量領域，具體的說，是涉及一種基于等溫放電電流的絕緣陷阱能級分布測量裝置及方法。

背景技術：

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展以及科學技術的不斷進步，聚合物基固體介質(zhì)材料在高電壓工程、電力電子、微電子絕緣以及各類依賴電荷駐留和極化等行為的特種傳感器中的應用越來越廣泛。特別是近年來以聚合物為基礎材料的聚合物納米復合材料異軍突起，成為電氣絕緣以及相關專業(yè)領域的研究熱點。

在聚合物介質(zhì)內(nèi)部，陷阱是能夠?qū)﹄姾僧a(chǎn)生束縛作用的定域態(tài)或局域態(tài)。由于陷阱與聚合物及其納米復合物微觀結構和宏觀性能均有密切關聯(lián)，因而對納米電介質(zhì)陷阱特性的研究具有重要的意義。然而，聚合物結構的復雜性導致了其陷阱能級的準連續(xù)分布，其很難直接測量得到。已有的對于電介質(zhì)陷阱特性的研究均基于熱刺激方法，目前研究固體電介質(zhì)中陷阱特性的方法主要有：熱刺激電導、熱刺激電流、熱刺激表面電位、熱發(fā)光等。上述方法以不同物理量作為測量對象而產(chǎn)生了不同的熱刺激方法，但其本質(zhì)都是一樣的，即先通過某種途徑在電介質(zhì)中產(chǎn)生偶極極化或形成電荷存貯，然后再對電介質(zhì)施加某種刺激(電、熱、光、機械力等)，使偶極子去極化或使電荷發(fā)生入陷、脫陷、復合等過程，通過測量試樣表面電位、外電路感應的電流、電子發(fā)射、光發(fā)射等相關物理量的變化來分析電介質(zhì)中的偶極子活化能等松弛參數(shù)或空間電荷及其陷阱參數(shù)。

目前，世界上應用較為廣泛的方法為熱刺激電流(TSC)法。1964年，C.Bucci和R.Fieshci首先提出了用于分析偶極極化過程的完成TSC理論，并研究了粒子晶體結構缺陷(空位、填隙等)引起的TSC。到了19世紀70年代，TSC基本理論趨于成熟，出現(xiàn)了從TSC譜圖中獲取活化能和陷阱參數(shù)的各種實驗方法。但該方法發(fā)展至目前，依然僅適用于單一或有限個分立活化能的熱刺激過程，而不能直接表征聚合物絕緣的陷阱能級連續(xù)分布特性。

因此，用于研究聚合物陷阱特性的傳統(tǒng)的熱刺激電流等分析方法不能直接用于聚合物陷阱特性的定量分析。目前，陷阱能級測量方法的缺陷和對陷阱本質(zhì)認識的不足，使得對聚合物及其納米復合物陷阱能級特性的研究主要依賴于定性分析和模擬計算。如何找到一種定量分析聚合物絕緣陷阱能級連續(xù)分布的測量方法仍是一個難題。

基于等溫放電電流的聚合物絕緣陷阱能級分布測量方法，其本質(zhì)也是對電介質(zhì)施加熱刺激，使偶極子去極化或使電荷發(fā)生入陷、脫陷、復合等過程，通過測量外電路中放電電流變化情況即可計算得到陷阱能級分布特性。外電路中放電電流的連續(xù)性決定了該方法可以直接得到陷阱能級的準連續(xù)性分布，是對聚合物絕緣的陷阱能級分布測量與表征方面的重大突破。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于等溫放電電流的絕緣陷阱能級分布測量裝置及方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

基于等溫放電電流的聚合物絕緣陷阱能級分布測量裝置，包括用于放置試樣的恒溫箱，試樣的兩端分別設有高壓電極和地電極，所述高壓電極連接有由K₁和K₂端子組成的兩路選擇開關，K₁端子依次與保護電阻、高壓直流電源和地相連，K₂端子連接有皮安表，所述安培表與所述地電極一同接地。

基于等溫放電電流的聚合物絕緣陷阱能級分布測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

(1)調(diào)節(jié)恒溫箱溫度至25℃，待溫度穩(wěn)定后，閉合K₁，打開高壓直流電源并調(diào)節(jié)極化電場至25kV/mm，加壓時間設定為40min；

(2)關閉高壓直流電源并打開K₁、閉合K₂，通過皮安表測量并記錄等溫放電電流曲線(I‐t曲線)，記錄時間為2h；重復以上步驟，記錄各個試樣等溫放電電流，每組試樣重復測量三次并取平均值以減小誤差；

(3)利用測量得到的等溫放電電流曲線推算該聚合物絕緣陷阱能級分布情況。

步驟(3)中，陷阱能級密度分布函數(shù)N_t(E)與能級E_t的關系為：

其中，S—電極面積/m；L—試樣厚度/m；e—電子電荷量/C；N_t(E)—陷阱能級密度分布函數(shù)/(1/eV·m³)；ν—陷阱電子的逃逸頻率因子/s^‐1；k—玻爾茲曼常數(shù)，k＝1.38×10^‐23J/K；T—實驗溫度/K；t—時間/s；I—等溫放電電流。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案所帶來的有益效果是：

1.直接獲得聚合物陷阱能級的準連續(xù)性分布特性。

2.可以得到陷阱能級密度分布函數(shù)N_t(E)與能級E_t的定量關系。

3.相對于熱刺激電流法，此實驗環(huán)境為恒溫條件，無溫度變化等干擾因素。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測量裝置的結構原理圖。

圖2是本發(fā)明中不同納米復合聚合物試樣等溫放電電流圖(I-t圖)。

圖3是本發(fā)明中不同納米復合聚合物試樣陷阱能級分布圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述：

聚合物絕緣陷阱能級分布測量方法所需實驗裝置原理圖如圖1所示，首先調(diào)節(jié)恒溫箱溫度至25℃。待溫度穩(wěn)定后，閉合K₁，打開高壓直流電源并調(diào)節(jié)極化電場至25kV/mm，加壓時間設定為40min，對聚合物試樣施加等溫熱刺激，使試樣內(nèi)部產(chǎn)生偶極極化或形成電荷儲存；

極化過程結束后，立即關閉直流電源并打開K₁、閉合K₂，利用皮安表測量并記錄試樣在去極化過程中外電路放電電流變化趨勢，得到等溫放電電流曲線(I‐t曲線)，記錄時間為2h。重復以上步驟，可記錄各個試樣等溫放電電流。為了減小誤差，按照以上步驟，每組試樣重復測量三次并取平均值，各組試樣放電電流曲線如圖2所示。

利用測量得到的等溫放電電流曲線(I‐t曲線)推算該聚合物絕緣陷阱能級分布情況。假設去極化初始階段材料內(nèi)部空間電荷產(chǎn)生的內(nèi)電場足夠高，等溫放電過程中注入電子和空穴最后都脫陷后回到陰極，并且在去極化過程中不存在電子和空穴的復合。在某個時刻t，脫陷電子在外電路感應產(chǎn)生的電流為

由空穴脫陷所產(chǎn)生的外電路感應電流為

其中，S—電極面積/m，L—試樣厚度/m，e—電子電荷量/C。N_t(E)—陷阱能級密度分布函數(shù)/(1/eV·m³)。f₀(E)—能級E被電子占有的概率，它對一定的電子注入條件來說是一個定值。ν—陷阱電子的逃逸頻率因子/s^‐1，其值應該在10¹²～10¹⁴s^-1的范圍內(nèi)。e_n—電子從深度為E_t＝E_c-E(E_c是導帶能級)的陷阱激發(fā)到導帶的概率，其可以表示為

其中τ——松弛時間。

利用公式(1)，陷阱能級密度分布函數(shù)N_t(E)很難直接獲得?，F(xiàn)引入了一個函數(shù)G(E,t)，

構造函數(shù)G(E,t)＝Bδ(E-E_m)，其中δ(E-E_m)為沖激函數(shù)，B表示一個歸一化的常數(shù)。代入公式(4)則可得到

求得B＝kT/t。代入公式(4)中即可得到

將上式代入到公式(1)中即可得到

對上式進行積分，利用沖擊函數(shù)的定義即可得到

同理可以得到

假設極化過程中，所有陷阱能級被電子和空穴填滿，且各占一半，則f₀(E)可取0.5。結合公式(8)和(9)得到等溫放電電流值為

另外，陷阱能級深度E_t和時間t的關系為

E_t＝E_c-E_m＝kTln(νt) (11)

其中，k——玻爾茲曼常數(shù)，k＝1.38×10^‐23J/K。T——實驗溫度/K。

將公式(10)和(11)聯(lián)立即得到陷阱能級密度分布函數(shù)N_t(E)與能級E_t的關系為

基于等溫放電電流得到陷阱能級密度分布函數(shù)N_t(E)與能級E_t的關系為

其中，I—等溫放電電流/A，t—放電時間/s，S—電極面積/m，L—試樣厚度/m，e—電子電荷量/C。N_t(E)—陷阱能級密度分布函數(shù)/(1/eV·m³)。f₀(E)—能級E被電子占有的概率，為1/2。ν—陷阱電子的逃逸頻率因子/s^‐1，其值約為10¹²～10¹⁴s^-1。

利用上式即可計算得到圖2中各組試樣所對應的陷阱能級準連續(xù)性分布，如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，五組聚合物試樣呈現(xiàn)類似于正態(tài)分布的陷阱能級分布特性，其深陷阱密度最大處陷阱深度均為0.87～0.88eV，深陷阱能級密度從大到小依次對應試樣5、試樣4、試樣1、試樣2、試樣3。

本發(fā)明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。