基于等温放电电流的绝缘陷阱能级分布测量装置及方法与流程

本发明涉及聚合物绝缘陷阱能级分布测量领域，具体的说，是涉及一种基于等温放电电流的绝缘陷阱能级分布测量装置及方法。

背景技术：

随着工业化的不断发展以及科学技术的不断进步，聚合物基固体介质材料在高电压工程、电力电子、微电子绝缘以及各类依赖电荷驻留和极化等行为的特种传感器中的应用越来越广泛。特别是近年来以聚合物为基础材料的聚合物纳米复合材料异军突起，成为电气绝缘以及相关专业领域的研究热点。

在聚合物介质内部，陷阱是能够对电荷产生束缚作用的定域态或局域态。由于陷阱与聚合物及其纳米复合物微观结构和宏观性能均有密切关联，因而对纳米电介质陷阱特性的研究具有重要的意义。然而，聚合物结构的复杂性导致了其陷阱能级的准连续分布，其很难直接测量得到。已有的对于电介质陷阱特性的研究均基于热刺激方法，目前研究固体电介质中陷阱特性的方法主要有：热刺激电导、热刺激电流、热刺激表面电位、热发光等。上述方法以不同物理量作为测量对象而产生了不同的热刺激方法，但其本质都是一样的，即先通过某种途径在电介质中产生偶极极化或形成电荷存贮，然后再对电介质施加某种刺激(电、热、光、机械力等)，使偶极子去极化或使电荷发生入陷、脱陷、复合等过程，通过测量试样表面电位、外电路感应的电流、电子发射、光发射等相关物理量的变化来分析电介质中的偶极子活化能等松弛参数或空间电荷及其陷阱参数。

目前，世界上应用较为广泛的方法为热刺激电流(TSC)法。1964年，C.Bucci和R.Fieshci首先提出了用于分析偶极极化过程的完成TSC理论，并研究了粒子晶体结构缺陷(空位、填隙等)引起的TSC。到了19世纪70年代，TSC基本理论趋于成熟，出现了从TSC谱图中获取活化能和陷阱参数的各种实验方法。但该方法发展至目前，依然仅适用于单一或有限个分立活化能的热刺激过程，而不能直接表征聚合物绝缘的陷阱能级连续分布特性。

因此，用于研究聚合物陷阱特性的传统的热刺激电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，陷阱能级测量方法的缺陷和对陷阱本质认识的不足，使得对聚合物及其纳米复合物陷阱能级特性的研究主要依赖于定性分析和模拟计算。如何找到一种定量分析聚合物绝缘陷阱能级连续分布的测量方法仍是一个难题。

基于等温放电电流的聚合物绝缘陷阱能级分布测量方法，其本质也是对电介质施加热刺激，使偶极子去极化或使电荷发生入陷、脱陷、复合等过程，通过测量外电路中放电电流变化情况即可计算得到陷阱能级分布特性。外电路中放电电流的连续性决定了该方法可以直接得到陷阱能级的准连续性分布，是对聚合物绝缘的陷阱能级分布测量与表征方面的重大突破。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于等温放电电流的绝缘陷阱能级分布测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于等温放电电流的聚合物绝缘陷阱能级分布测量装置，包括用于放置试样的恒温箱，试样的两端分别设有高压电极和地电极，所述高压电极连接有由K₁和K₂端子组成的两路选择开关，K₁端子依次与保护电阻、高压直流电源和地相连，K₂端子连接有皮安表，所述安培表与所述地电极一同接地。

基于等温放电电流的聚合物绝缘陷阱能级分布测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(1)调节恒温箱温度至25℃，待温度稳定后，闭合K₁，打开高压直流电源并调节极化电场至25kV/mm，加压时间设定为40min；

(2)关闭高压直流电源并打开K₁、闭合K₂，通过皮安表测量并记录等温放电电流曲线(I‐t曲线)，记录时间为2h；重复以上步骤，记录各个试样等温放电电流，每组试样重复测量三次并取平均值以减小误差；

(3)利用测量得到的等温放电电流曲线推算该聚合物绝缘陷阱能级分布情况。

步骤(3)中，陷阱能级密度分布函数N_t(E)与能级E_t的关系为：

其中，S—电极面积/m；L—试样厚度/m；e—电子电荷量/C；N_t(E)—陷阱能级密度分布函数/(1/eV·m³)；ν—陷阱电子的逃逸频率因子/s^‐1；k—玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^‐23J/K；T—实验温度/K；t—时间/s；I—等温放电电流。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.直接获得聚合物陷阱能级的准连续性分布特性。

2.可以得到陷阱能级密度分布函数N_t(E)与能级E_t的定量关系。

3.相对于热刺激电流法，此实验环境为恒温条件，无温度变化等干扰因素。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构原理图。

图2是本发明中不同纳米复合聚合物试样等温放电电流图(I-t图)。

图3是本发明中不同纳米复合聚合物试样陷阱能级分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

聚合物绝缘陷阱能级分布测量方法所需实验装置原理图如图1所示，首先调节恒温箱温度至25℃。待温度稳定后，闭合K₁，打开高压直流电源并调节极化电场至25kV/mm，加压时间设定为40min，对聚合物试样施加等温热刺激，使试样内部产生偶极极化或形成电荷储存；

极化过程结束后，立即关闭直流电源并打开K₁、闭合K₂，利用皮安表测量并记录试样在去极化过程中外电路放电电流变化趋势，得到等温放电电流曲线(I‐t曲线)，记录时间为2h。重复以上步骤，可记录各个试样等温放电电流。为了减小误差，按照以上步骤，每组试样重复测量三次并取平均值，各组试样放电电流曲线如图2所示。

利用测量得到的等温放电电流曲线(I‐t曲线)推算该聚合物绝缘陷阱能级分布情况。假设去极化初始阶段材料内部空间电荷产生的内电场足够高，等温放电过程中注入电子和空穴最后都脱陷后回到阴极，并且在去极化过程中不存在电子和空穴的复合。在某个时刻t，脱陷电子在外电路感应产生的电流为

由空穴脱陷所产生的外电路感应电流为

其中，S—电极面积/m，L—试样厚度/m，e—电子电荷量/C。N_t(E)—陷阱能级密度分布函数/(1/eV·m³)。f₀(E)—能级E被电子占有的概率，它对一定的电子注入条件来说是一个定值。ν—陷阱电子的逃逸频率因子/s^‐1，其值应该在10¹²～10¹⁴s^-1的范围内。e_n—电子从深度为E_t＝E_c-E(E_c是导带能级)的陷阱激发到导带的概率，其可以表示为

其中τ——松弛时间。

利用公式(1)，陷阱能级密度分布函数N_t(E)很难直接获得。现引入了一个函数G(E,t)，

构造函数G(E,t)＝Bδ(E-E_m)，其中δ(E-E_m)为冲激函数，B表示一个归一化的常数。代入公式(4)则可得到

求得B＝kT/t。代入公式(4)中即可得到

将上式代入到公式(1)中即可得到

对上式进行积分，利用冲击函数的定义即可得到

同理可以得到

假设极化过程中，所有陷阱能级被电子和空穴填满，且各占一半，则f₀(E)可取0.5。结合公式(8)和(9)得到等温放电电流值为

另外，陷阱能级深度E_t和时间t的关系为

E_t＝E_c-E_m＝kTln(νt) (11)

其中，k——玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^‐23J/K。T——实验温度/K。

将公式(10)和(11)联立即得到陷阱能级密度分布函数N_t(E)与能级E_t的关系为

基于等温放电电流得到陷阱能级密度分布函数N_t(E)与能级E_t的关系为

其中，I—等温放电电流/A，t—放电时间/s，S—电极面积/m，L—试样厚度/m，e—电子电荷量/C。N_t(E)—陷阱能级密度分布函数/(1/eV·m³)。f₀(E)—能级E被电子占有的概率，为1/2。ν—陷阱电子的逃逸频率因子/s^‐1，其值约为10¹²～10¹⁴s^-1。

利用上式即可计算得到图2中各组试样所对应的陷阱能级准连续性分布，如图3所示。可以发现，五组聚合物试样呈现类似于正态分布的陷阱能级分布特性，其深陷阱密度最大处陷阱深度均为0.87～0.88eV，深陷阱能级密度从大到小依次对应试样5、试样4、试样1、试样2、试样3。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。