电介质异质界面积聚电荷特性研究

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由两种或多种不同电介质复合所组成的结构称为电介质异质结构,而相互接触的界面则称为电介质异质界面。电介质异质结构在极化时,其界面处会积聚电荷。电介质异质界面结构积聚的电荷对器件的性能影响巨大。然而,目前关于异质界面电荷积聚研究报道很少,对于异质结构界面处电荷积聚的方式和原因至今没有完备解释。现有异质界面的研究主要集中在金属、半导体、绝缘体等材料相互组成的界面,而关于绝缘体-绝缘体之间的异质界面结构研究甚少,其异质界面电荷积聚的机理尚不清楚,缺乏理论指导。本文研究了两种不同聚合物电介质组成的异质结构界面处积聚电荷的特性。以非极性电介质“氟化乙烯丙烯共聚物(Fluorinated ethylene propylene,FEP)、聚丙烯(Polypropylene,PP)”以及极性电介质“四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)与偏氟乙烯(VDF)的共聚物THV和聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride),PVDF)”薄膜为研究对象,构成电介质异质结构复合膜。提出了一种将异质结构复合膜剥离成单层膜,测试其表面电位的驻极体研究方法。分别研究了无外部电场作用时,温度对异质界面结构电荷积聚的影响;有外部电场作用时,温度和电压分别对异质结构界面处积聚电荷的影响。通过表面电位的测量、晶相结构的测量,电导率的测量等手段,表征了异质界面处积聚电荷特性与材料性能间的关系。主要结论如下:(1)在无外加电场的作用下,仅改变温度时,异质结构界面处积聚双极性电荷。电荷密度随着温度的升高而增加。异质界面处积聚的双极性电荷符合接触电效应。其电荷性质由界面介质表面原子的电负性决定。表面原子电负性较高的介电介质带负电荷。电荷密度由表面原子之间的电负性差决定。电负性差越大,电荷密度越高。(2)在有外加电场存在的情况下,依据极化条件的不同,异质界面处会积聚双极性和单极性两种电荷。随外加电场强度的增加,会发生双极性电荷向单极性电荷的转变。转变条件可以用临界电压表征。临界电压随温度的升高而降低。当电负性较高的电介质与负极连接时,转变后异质界面上积累正电荷,且临界电压较高。相反连接情况时,转变后异质界面处积累负电荷,其临界电压相对较低。(3)当界面积聚双极性电荷时,电荷的产生可用电子位移极化解释。电荷的性质与没有外部电场的情况相同。(4)当界面积累单极性电荷时,电荷的性质符合Maxwell-Wagner效应。积聚的电荷密度受介电常数和电导率的调节。界面电荷的极性随异质结构连接模式的不同而变化。(5)通过表面电位扫描,对电介质异质界面电荷分布均匀性分析结果表明,电介质异质结构界面电荷分布较为均匀,非极性电介质FEP的表面电位更高一些,实验结果同时也验证了界面电荷存在双极性和单极性两种特性。(6)利用X射线衍射实验,研究了电介质异质结构界面在极化前和极化后晶相结构变化。结果表明,极化后的衍射峰首峰角度比极化前的衍射峰向前偏移。且样品极化后,衍射峰出现了增加的情况。本文的研究,揭示了电介质异质界面处所积聚电荷的特性,分析了电介质异质界面处多种电荷存在的情况及界面处积聚电荷特性的演变趋势,得到了电介质异质界面电荷积聚的原因和形成的方式。研究结果加深了对电介质、绝缘体聚合物材料中电荷特性的理解。对研究和开发新型驻极体、电介质材料薄膜器件等具有非常重要的指导意义。
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