用于聚合物纳米复合材料中电荷陷阱分析的X射线光谱陷阱深度剖面测量技术（X-TDP）

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：X-Ray Spectroscopic Trap Depth Profiling (X-TDP) for Charge Trap Analysis in Polymer Nanocomposites

聚合物纳米复合物（PNCs）中填料对电荷捕获机制及陷阱深度测量方法的研究。传统TSC和PSD方法存在模型假设局限性和数据关联困难的问题。本研究提出X-TDP方法，利用XPS和XAS直接测量陷阱深度，证实TiO2可同时捕获电子和空穴，其深度与第一性原理计算结果一致，为介电性能优化提供新手段。

　　

摘要：

尽管聚合物纳米复合材料（PNCs）因其在多种电气应用中的潜力而受到研究关注，但提高其介电性能的机制仍存在争议。填料对电荷的捕获被认为是抑制电荷积累和增强击穿强度的可能因素之一，但填料在捕获现象中的作用尚未完全明了。热刺激电流（TSC）法和光刺激放电（PSD）法是常用的测量陷阱深度的方法。然而，在TSC方法中，热量会导致聚合物结构变化，从而影响陷阱深度的测量结果。PSD法在将测量到的峰值与特定的载流子跃迁相对应时面临挑战，这阻碍了陷阱深度的准确确定。在这项研究中，我们引入了一种新的方法——X射线光谱陷阱深度分析（X-TDP），该方法利用X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）直接测量电荷陷阱深度。对LDPE/TiO2纳米复合材料的X-TDP分析表明，TiO2既能捕获空穴也能捕获电子。这一发现有效解释了先前研究中报道的聚合物/TiO2纳米复合材料中的空间电荷行为。此外，测量得到的陷阱深度与第一性原理计算的结果一致。

引言

聚合物纳米复合材料（PNCs）通过将二氧化钛等纳米填料掺入介电聚合物中，其介电和绝缘性能得到了显著提升。例如，它们表现出更高的介电击穿强度和更低的空间电荷积累[1]、[2]。这使得PNCs在各种电气设备中得到广泛应用，包括电力电缆[3]、[4]。此外，研究表明对填料进行表面处理可以进一步改善其介电性能。凭借其延长的使用寿命和在极端温度条件下的更高可靠性，PNCs有望应用于可再生能源系统的电气设备、超高压传输系统以及航空航天技术[5]、[6]。由于纳米填料的引入，材料的电导率和空间电荷积累特性发生了变化，这些变化可以归因于填料对电荷的捕获、载流子路径的延长以及聚合物形态的改变。其中，介电性能的改善通常被认为是由填料引起的电荷捕获所导致的[7]、[8]。已经提出了多种模型来阐明电荷陷阱形成的机制及其对宏观电气性能的影响[9]、[10]。如图1所示，填料在PNCs中的引入会形成捕获载流子的陷阱能级。这种捕获机制降低了材料的整体电导率，减轻了局部电场强度，增强了击穿强度，并抑制了空间电荷的积累。目前，电荷陷阱的深度主要通过热刺激电流（TSC）测量和光刺激放电（PSD）测量等技术来估算[9]、[10]、[11]。然而，TSC测量需要做出一些假设才能从数据中推断出陷阱深度。例如，最常用的模型忽略了电荷复合、再捕获过程以及残余电荷的影响[12]。此外，测量过程中的温度波动可能会改变聚合物的分子结构，从而影响其电气性能，包括陷阱深度。在PSD测量中，载流子不仅可能从陷阱能级跃迁到导带，还可能从价带跃迁到陷阱能级，同时可能涉及杂质能级或缺陷能级的相互作用[12]。这种复杂性使得难以将测量结果与具体的物理机制联系起来。迄今为止，尚未有研究通过PSD测量成功确定PNCs中纳米填料的陷阱深度。图1.

PNCs的结构以及PNCs中能级的示意图。其中，分别是空穴和电子的陷阱深度。