聚合物材料空间电荷陷阱模型及参数

廖瑞金; 周天春; George Chen; 杨丽君

doi:10.7498/aps.61.017201

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摘要

采用电声脉冲测量技术研究了直流电场下低密度聚乙烯材料的电荷入陷和脱陷特征. 发现在不同电场周期下样品的电荷衰减呈现不同的特征, 为此提出了一个简单的基于两陷阱水平的入陷和脱陷模型, 并计算了相应的参数, 如陷阱能级和密度. 确定了不含任何添加剂的低密度聚乙烯样品中存在的两种水平的陷阱能级分别为: 较浅陷阱能级0.770.81 eV 对应的浅陷阱电荷密度为(1.1681.553) 1019 m-3; 较深陷阱能级0.961.01 eV 对应的深陷阱电荷密度为(1.1944.615) 1018 m-3. 最后初步验证了材料的深陷阱能级和对应的深陷阱电荷密度随老化而增加, 可考虑将模型中的两能级陷阱参数作为老化诊断特征参量.

关键词:

聚合物 /
空间电荷 /
陷阱 /
老化

作者及机构信息

1.
重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044;

2.
南安普顿大学电气与计算机学院, 英国南安普顿 SO17 1BJ

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号: 2011CB209401)、国家创新研究群体基金(批准号: 51021005)和输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目(批准号: 2007DA10512710401)资助的课题.

参考文献

[1]	Ahmed N H, Srinivas N N 1997 IEEE Trans. Dielect. Electr. Insul. 4 644
[2]	Tzimas A, Rowland S M, Dissado L A 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 1
[3]	Tzimas A 2008 Ph. D. Dissertation (Leicester: University of Leicester) p196
[4]	Chen G, Nguyen T V 2008 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis 2008 Beijing, April 21–24, 2008 p633
[5]	Mazzanti G, Montanari G C, Alison J M 2003 IEEE Trans. Dielect. Electr. Insul. 10 187
[6]	Teruyoshi M, Yasuo S, Masahiro H, Masayuki I 1982 Jpn. J. Appl. Phys. 21 p1639
[7]	Chen G, Chong Y L, Fu M 2006 Measur. Sci. Technol. 17 1974
[8]	Chen G, Takada Y, Takada T, Zhong L 2005 IEEE Trans. Dielect. Electr. Insul. 11 113
[9]	Kao K C, Hwang W 1981 Electrical Transport in Solids 1st Ed. (Oxford: Pergamnon Press)
[10]	Sze S M, Ng K K 2006 Physics of Semiconductor Devices (John Wiley & Sons)
[11]	Williams C K 1992 J. Electron. Mater. 21 711
[12]	Mizutani T, Suzuoki Y, Hanai M, Ieda M 1982 Jpn. J. Appl. Phys. 21 1639
[13]	Montanari G C, Mazzanti G 2001 J. Phys. D: Appl. Phys. 34 2902
[14]	Zhang G J, Yang K 2007 Appl. Surf. Sci. 254 1450
[15]	Chen G, Fu M, Liu X Z, Zhong L S 2005 J. Appl. Phys. 97 083713

施引文献

[1]	Ahmed N H, Srinivas N N 1997 IEEE Trans. Dielect. Electr. Insul. 4 644
[2]	Tzimas A, Rowland S M, Dissado L A 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 1
[3]	Tzimas A 2008 Ph. D. Dissertation (Leicester: University of Leicester) p196
[4]	Chen G, Nguyen T V 2008 International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis 2008 Beijing, April 21–24, 2008 p633
[5]	Mazzanti G, Montanari G C, Alison J M 2003 IEEE Trans. Dielect. Electr. Insul. 10 187
[6]	Teruyoshi M, Yasuo S, Masahiro H, Masayuki I 1982 Jpn. J. Appl. Phys. 21 p1639
[7]	Chen G, Chong Y L, Fu M 2006 Measur. Sci. Technol. 17 1974
[8]	Chen G, Takada Y, Takada T, Zhong L 2005 IEEE Trans. Dielect. Electr. Insul. 11 113
[9]	Kao K C, Hwang W 1981 Electrical Transport in Solids 1st Ed. (Oxford: Pergamnon Press)
[10]	Sze S M, Ng K K 2006 Physics of Semiconductor Devices (John Wiley & Sons)
[11]	Williams C K 1992 J. Electron. Mater. 21 711
[12]	Mizutani T, Suzuoki Y, Hanai M, Ieda M 1982 Jpn. J. Appl. Phys. 21 1639
[13]	Montanari G C, Mazzanti G 2001 J. Phys. D: Appl. Phys. 34 2902
[14]	Zhang G J, Yang K 2007 Appl. Surf. Sci. 254 1450
[15]	Chen G, Fu M, Liu X Z, Zhong L S 2005 J. Appl. Phys. 97 083713

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[3]	马超, 闵道敏, 李盛涛, 郑旭, 李西育, 闵超, 湛海涯. 聚丙烯/氧化铝纳米电介质的陷阱与直流击穿特性. 物理学报, 2017, 66(6): 067701. doi: 10.7498/aps.66.067701
[4]	袁端磊, 闵道敏, 黄印, 谢东日, 王海燕, 杨芳, 朱志豪, 费翔, 李盛涛. 掺杂含量对环氧纳米复合电介质陷阱与空间电荷的影响. 物理学报, 2017, 66(9): 097701. doi: 10.7498/aps.66.097701
[5]	严大东, 张兴华. 聚合物结晶理论进展. 物理学报, 2016, 65(18): 188201. doi: 10.7498/aps.65.188201
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聚合物材料空间电荷陷阱模型及参数

1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044;

2. 南安普顿大学电气与计算机学院, 英国南安普顿 SO17 1BJ

基金项目:

国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号: 2011CB209401)、国家创新研究群体基金(批准号: 51021005)和输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目(批准号: 2007DA10512710401)资助的课题.

收稿日期: 2010-08-18

修回日期: 2011-03-23

刊出日期: 2012-01-05

摘要: 采用电声脉冲测量技术研究了直流电场下低密度聚乙烯材料的电荷入陷和脱陷特征. 发现在不同电场周期下样品的电荷衰减呈现不同的特征, 为此提出了一个简单的基于两陷阱水平的入陷和脱陷模型, 并计算了相应的参数, 如陷阱能级和密度. 确定了不含任何添加剂的低密度聚乙烯样品中存在的两种水平的陷阱能级分别为: 较浅陷阱能级0.770.81 eV 对应的浅陷阱电荷密度为(1.1681.553) 1019 m-3; 较深陷阱能级0.961.01 eV 对应的深陷阱电荷密度为(1.1944.615) 1018 m-3. 最后初步验证了材料的深陷阱能级和对应的深陷阱电荷密度随老化而增加, 可考虑将模型中的两能级陷阱参数作为老化诊断特征参量.

关键词:

聚合物 /
空间电荷 /
陷阱 /
老化

A space charge trapping model and its parameters in polymeric material

1.
State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China;

2.
School of Electronics and Computer Science, University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, United Kingdom

Fund Project:

Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2011CB209401), the Funds for Innovative Research Groups of China (Grant No. 51021005), and the Scientific Research Foundation of State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security of China (Grant No. 2007DA10512710401).

Received Date: 18 August 2010

Accepted Date: 23 March 2011

Published Online: 05 January 2012

Abstract: In this paper, characteristics of charge trapping and detrapping in low density polyethylene under dc electric field are investigated using the pulsed electroacoustic technique. It is found that the charge decay shows very different features for the samples with different periods of applied electric field. A simple trapping and detrapping model based on two trapping levels is proposed to qualitatively explain the observation. At the same time, numerical simulation based on the above model is carried out to extract parameters (trap depths and concentration) related to the material. It is found that the space charge decaying in the first few hundred seconds, corresponding to the fast changing part of the slope, is trapped in a shallow trap with a depth in a range between 0.77 and 0.81 eV, and the trapped charge density reaches (1.1681.553) 1019 m-3 in the sample volume measured. At the same time, the space charge that decays at longer time, corresponding to the slower part of the slope, is trapped in a deep trap with a depth in a range of 0.96 and 1.01 eV, and the trapped charge density is (1.1944.615) 1018 m-3. The trap depths and charge densities of both shallow and deep traps may increase with ageing, and the parameters of two energy wells can be used as an indication of the material aging.

Keywords:

polymers /
space charge /
trap /
ageing

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