基于陷阱分布的PI/ZnO復(fù)合薄膜介電特性

李天嬌 張 博 烏 江,

基于陷阱分布的PI/ZnO復(fù)合薄膜介電特性

李天嬌1張 博2烏 江1,2

（1. 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學(xué)） 西安 710049 2. 西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710048）

航天器在空間環(huán)境中的運行穩(wěn)定性與聚酰亞胺（PI）等航天介質(zhì)材料絕緣性能息息相關(guān)，而其介質(zhì)內(nèi)部載流子陷阱是影響絕緣性能的重要因素之一，因此，探究陷阱分布對介質(zhì)電氣性能的影響對保障航天器介質(zhì)安全使用具有重要意義。該文制備不同摻雜量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%、1%、3%）的納米PI/ZnO復(fù)合薄膜并進(jìn)行介電性能測試，通過熱刺激電流法和表面電位衰減法分別測量薄膜體陷阱和表面陷阱能級分布并計算其載流子遷移率，測量體積電阻率和擊穿場強。該文基于多核模型對納米ZnO的引入使聚合物的介電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象進(jìn)行解釋；從陷阱能級的角度分析深、淺陷阱對極化離子的影響機制，討論陷阱整體的分布對介電常數(shù)變化的影響。這些分析和研究為調(diào)控材料的絕緣性能、提高航天器的安全性提供了新的思路和方法。

介電性能 聚酰亞胺 納米ZnO 陷阱能級分布

0 引言

航天器在近地軌道高度的空間環(huán)境中運行時，各種帶電粒子會入射到航天器表面，造成航天器介質(zhì)材料、電子器件甚至對航天器上的生物產(chǎn)生輻射損傷[1]。由于介質(zhì)材料的電阻率大，泄放電荷的能力較弱，載流子易被介質(zhì)內(nèi)部陷阱捕獲并積累，最終使航天器表面發(fā)生放電現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅航天器的運行穩(wěn)定性，制約了高壓大功率航天器的發(fā)展[2-3]。因此，研究絕緣材料的介電性能和電荷分布特性尤為重要。

聚酰亞胺（Polyimide, PI）是一種性能優(yōu)異的電氣絕緣材料，因其良好的高低溫耐受、耐輻照、抗老化等特性而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[4-5]。有學(xué)者提出納米電介質(zhì)的絕緣性能與界面性質(zhì)有關(guān)，將一定量的納米粒子摻雜進(jìn)聚合物基體中會引入大量陷阱，進(jìn)而影響介質(zhì)材料的電、熱、力學(xué)等性能。Yang Yang[6]、何麗娟[7]等用陷阱分布解釋不同摻雜濃度PI/Al2O3電暈老化特性，證明納米摻雜濃度和溫度對介質(zhì)內(nèi)部電子輸運的協(xié)同效應(yīng)，實驗證明摻雜一定濃度的納米顆?？裳娱L試樣的耐電暈壽命。鄭曉泉等[8]用粒徑不同的納米氧化鋅改性PI，研究陷阱對電子輻照環(huán)境中聚酰亞胺沿面閃絡(luò)特性的影響。Zhou Guiyue[9]、Han Yongsen[10]等使用多種方法測量納米復(fù)合材料陷阱密度分布以驗證聚合物中空間電荷分布。S. Diaham[11]根據(jù)空間電荷限制電流特性，評估了聚酰亞胺/氮化硼（PI/BN）納米復(fù)合材料在不同納米顆粒尺寸和填料含量下的陷阱參數(shù)對其直流電性能的影響。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)納米填充可以有效提高絕緣材料的介電性能，但對聚合物介電常數(shù)變化的機理解釋較少，特別是陷阱特性對復(fù)合薄膜介電性能影響的試驗和理論分析不足，因此研究陷阱變化和介電性能變化的相互作用具有重要意義。

本文采用原位聚合法制備聚酰亞胺納米氧化鋅復(fù)合薄膜，搭建了等溫表面電位衰減（Isothermal Surface Potential Decay, ISPD）測試平臺，隨后對聚酰亞胺及改性試樣進(jìn)行表面陷阱能級分布測試，并利用熱刺激電流（Thermally Stimulated Depolari- zation Currents, TSDC）法得到薄膜體陷阱能級分布情況，最后基于多核模型[12]，從載流子遷移率、電阻率、擊穿特性等方面討論界面區(qū)域?qū)殡姵?shù)的作用。

1 試驗方案

1.1 聚酰亞胺納米復(fù)合薄膜的制備

本實驗采用原位聚合法制備PI/ZnO納米復(fù)合材料，試驗中使用的原料見表1。

表1 聚酰亞胺制備原料

Tab.1 Materials for PI film

試樣制備過程：首先，對原料進(jìn)行預(yù)處理，將均苯四甲酸二酐（Pyromellitic Dianhydride, PMDA）、二氨基二苯醚（Oxydianiline, ODA）分別在170℃和120℃下真空烘干6h。其次，將改性過的納米氧化鋅粉末以不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入二甲基乙酰胺（Dimethylacetamide, DMAC）溶液中機械攪拌并超聲振蕩1h，再將ODA加入到混合溶液中，最后將PMDA以等物質(zhì)的量分多次加至溶液中，制備得到淡黃色粘稠態(tài)聚酰胺酸（Polyamic Acid, PAA）/納米粒子漿液，抽真空后平鋪于潔凈的玻璃板上，最后將玻璃板置于真空烘箱中，基于經(jīng)典梯度升溫法改進(jìn)熱亞胺化工藝[13]，采用80℃-0.5h，120℃-0.5h，150℃-1h，250℃-1h，300℃-1h梯度升溫制得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米復(fù)合試樣（0% PI, 0.5% PI/ZnO, 1% PI/ZnO, 3% PI/ZnO）。

1.2 表面陷阱分布的測量裝置

在聚合物絕緣材料中由于化學(xué)、物理缺陷等原因會存在大量的陷阱。ISPD法能夠通過測量表面沉積電荷在等溫條件下的衰減行為來獲取該溫度條件下視在陷阱能級的分布特性[10]。基于電暈充電法的表面電位測試系統(tǒng)如圖1所示。

電暈充電電極采用帶柵極的針-板電極，柵電極與針尖和試樣表面的距離均為5mm，針電極和柵電極均連接高壓直流電源，電壓幅值為±15.5kV，同時板電極接地。實驗中靜電電位計的型號為TREK 347B，靜電探頭的型號為TREK-6000B-14。實驗測試時保證測試箱內(nèi)溫、濕度相對穩(wěn)定，將試樣放置于針電極下方，加壓15s后迅速移動金屬板于靜電探頭下方進(jìn)行測量，并用計算機記錄實驗數(shù)據(jù)。

圖1 表面電位衰減特性測試系統(tǒng)

1.3 載流子陷阱能級測量

熱刺激電流法是一種被廣泛應(yīng)用的表征聚合物中陷阱參數(shù)的方法，對于評估聚合物中的陷阱能級和陷阱密度，準(zhǔn)確表達(dá)聚合物內(nèi)部連續(xù)的陷阱結(jié)構(gòu)具有重要作用[14]。基于準(zhǔn)連續(xù)能級分布改進(jìn)的TSDC法，能夠由熱刺激去極化電流計算得到樣品的體陷阱能級密度分布。在實驗前用酒精擦拭試樣表面并烘干，在試樣兩面噴射金電極。實驗時，首先在120℃時對被測樣品在電場強度3.06kV/mm的條件下極化處理30min，然后以-30℃/min的速度冷卻至-20℃，設(shè)置樣品去極化時間為5min，最后以3℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱，同時記錄退極化電流。

1.4 體積電阻率

采用Keithly6517皮安表和三電極系統(tǒng)測量試樣的體積電阻率，最大測量電壓為直流1 000V。本實驗中，測試溫度為300K，施加電壓50V，測試時間為15s，為保證實驗準(zhǔn)確性，測量多個數(shù)據(jù)點并將前5個不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)點刪除，每片試樣采集8個數(shù)據(jù)點，計算電阻率值和實驗誤差，本文中每片試樣的體積電阻率誤差值均小于7.08%。

1.5 介電常數(shù)的測量

采用Novocontrol Concept 80寬頻譜分析儀測量試樣的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)。為保證測試的準(zhǔn)確性，實驗前用酒精擦拭試樣表面，放真空烘箱烘干處理，在試樣兩面噴射金電極，實驗測試溫度為213～393K，測量頻率范圍是10-1～106Hz。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料介電性能的影響

相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)是絕緣材料的兩個重要特征參數(shù)，是描述電介質(zhì)極化的宏觀參 數(shù)[15]。PI薄膜和不同摻雜量PI/ZnO納米復(fù)合薄膜的介電性能隨頻率的變化如圖2所示。純PI薄膜的相對介電常數(shù)約為3.96，隨著頻率的升高相對介電常數(shù)僅下降0.13，說明PI薄膜的介電性能相對穩(wěn)定。隨著摻雜量的增加，相對介電常數(shù)呈先下降后上升的趨勢，具體在3.2節(jié)進(jìn)行分析。在低頻區(qū)，界面處偶極子的電子位移極化與轉(zhuǎn)向極化對相對介電常數(shù)共同作用，在高頻區(qū)，界面極化滯后于頻率的變化，因此隨著頻率的增加，相對介電常數(shù)均呈下降的趨勢。

圖2 不同摻雜量PI/ZnO納米復(fù)合薄膜的介電特性

純PI薄膜整體的介電損耗最低，隨著納米粒子摻雜量的增加，損耗因數(shù)整體呈上升趨勢。摻雜量較低時損耗因數(shù)的變化不明顯，當(dāng)摻雜量較高時，在低頻區(qū)和高頻區(qū)變化明顯，尤其是3% PI/ZnO損耗因數(shù)在低頻區(qū)明顯下降，而在高頻區(qū)明顯上升。

2.2 體積電阻率

納米復(fù)合薄膜的體積電阻率如圖3所示。可知，純PI薄膜的體積電阻率最高，為1.43×1016W·cm。隨著摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，體積電阻率整體呈先下降后上升的趨勢，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時出現(xiàn)最低點，此時復(fù)合薄膜的體積電阻率為4.41×1015W·cm。

圖3 納米復(fù)合薄膜的體積電阻率

2.3 復(fù)合薄膜的擊穿場強

擊穿測試以10個試樣為一組，升壓速度為2kV/s，利用Weibull統(tǒng)計[16-17]分析聚酰亞胺納米復(fù)合薄膜的耐擊穿強度，Weibull統(tǒng)計公式為

式中，為擊穿電壓（kV）；為威布爾分布尺寸參數(shù)，表示薄膜失效概率為63.2%時的擊穿場強；為形狀參數(shù)，表示實驗數(shù)據(jù)的分散性，是實驗數(shù)據(jù)的范圍度量。

由于取值對實驗數(shù)據(jù)影響較大，在此引入與概率相關(guān)的Ross分布函數(shù)，將實驗數(shù)據(jù)按從小到大排列，得到對應(yīng)失效概率為

式中，為測試試樣序號；為測試試樣總數(shù)。

圖4為PI/ZnO復(fù)合薄膜直流擊穿場強的Weibull分布，擊穿場強與形狀參數(shù)見表2。純PI薄膜與PI/ ZnO復(fù)合薄膜的測量數(shù)據(jù)均具有良好的線性，純PI薄膜的形狀參數(shù)值最大，隨著填料含量的增加，復(fù)合薄膜的形狀參數(shù)值變小，說明薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)因納米粒子的加入而發(fā)生變化，所測量的數(shù)據(jù)分散性增加。同時，隨著納米粒子含量的增加，復(fù)合薄膜的擊穿場強逐漸降低，納米氧化鋅摻雜量較高時擊穿場強的下降幅度變小。

圖4 PI/ZnO復(fù)合薄膜擊穿場強的Weibull分布

表2 直流擊穿場強及形狀參數(shù)

Tab.2 DC breakdown field strength and shape parameters

2.4 ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料陷阱特性的影響

2.4.1 改性復(fù)合材料體陷阱性能

由圖5的熱刺激電流譜圖可知，純PI薄膜的去極化電流峰在129℃，其電流峰值為-19.76pA，摻雜納米氧化鋅后，試樣的熱刺激電流譜峰向低溫移動，去極化電流峰值呈先增大再減小的趨勢，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% PI/ZnO處為最大值，此時溫度在120℃，電流峰值為-49.00pA，同時在70℃左右出現(xiàn)新的電流峰，說明薄膜內(nèi)部陷阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的變化。

圖5 熱刺激電流譜圖

根據(jù)熱刺激電流理論[18]，只考慮從電極注入的電子，外部電路的感應(yīng)電流計算式為

式中，()為熱刺激電流過程中受熱脫陷的電子在外電路中的感應(yīng)電流；為電子量；為電子注入試樣的深度；為試樣厚度；C和V分別為導(dǎo)帶能級和價帶能級；0(m)為能級m時電子占有率；t(m)為陷阱能級密度函數(shù)；(m,)為一個電子在當(dāng)前溫度和能級m的作用下注入試樣的權(quán)重貢獻(xiàn)，微積分變換后得

圖6 不同摻雜量PI/ZnO納米復(fù)合薄膜的體陷阱分布

分子鏈的振動和環(huán)境改變伴隨著界面區(qū)高分子鏈與納米顆粒排列結(jié)構(gòu)的變化，因此界面區(qū)是一種邊界模糊無規(guī)則形態(tài)的納米級過渡區(qū)域[19-20]。從圖6中可看出，聚酰亞胺薄膜及納米粒子改性復(fù)合薄膜的陷阱呈現(xiàn)連續(xù)性分布，陷阱能級均分布于0.7～1.3eV之間。隨著納米摻雜量的升高，淺陷阱密度與深陷阱密度呈先增加再減少的趨勢，當(dāng)摻雜量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時出現(xiàn)極大值。對曲線進(jìn)行分峰處理發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0% PI薄膜、0.5% PI/ZnO薄膜與3% PI/ZnO薄膜三條曲線形狀相似，有明顯的淺陷阱峰、深陷阱峰，而1% PI/ZnO薄膜在1.0eV出現(xiàn)了新的淺陷阱峰。

2.4.2 改性復(fù)合材料表面陷阱性能

圖7為試樣在負(fù)電暈充放電條件下的等溫表面電位衰減曲線。在初始階段，試樣上表面與背電極間感應(yīng)電荷大，被淺陷阱束縛的電荷易脫陷向背電極遷移；隨著時間的變化，淺陷阱中電荷越來越少，而深陷阱中電荷脫陷比較困難，因此電位呈現(xiàn)先快后慢的非線性衰減現(xiàn)象。純PI薄膜初始電位為-2 464.8V，4h后的衰減率為60.27%；0.5% PI/ZnO薄膜初始電位為-2 212.7V，4h后衰減速率為61.44%；1% PI/ZnO薄膜初始電位為-1 946.5V，4h后衰減速率為86.32%；3% PI/ZnO薄膜初始電位為-1 792.6V，4h后衰減速率為82.25%。純PI薄膜的初始電位最高，衰減率最低，隨著摻雜量的升高，初始電位不斷降低，衰減率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在摻雜量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時衰減率最大，說明納米粒子摻雜改變了表面電荷的輸運情況，加速了表面電荷的消散。

圖7 等溫表面電位衰減曲線

基于J. G. Simmons和M. C. Tam提出的理 論[21]，假設(shè)單一電荷從陷阱脫陷后不再重復(fù)進(jìn)行入陷一脫陷過程，并忽略空穴與電子的復(fù)合行為，可計算出不同納米復(fù)合材料的表面陷阱能級和陷阱密度分別為

式中，()為試樣表面電位；0為材料真空介電常數(shù)；r為材料相對介電常數(shù)。采用雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合后得到薄膜的表面深、淺陷阱能級分布特性如圖8所示。

圖8 復(fù)合薄膜表面陷阱分布曲線

由圖8可以看出，電子陷阱電荷分布曲線中存在兩個明顯的峰，分別表示電子淺陷阱和電子深陷阱。淺陷阱能級分布于0.80～0.98eV，深陷阱能級分布于0.92～1.05eV。隨著納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，淺、深陷阱密度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，與TSDC的實驗結(jié)果吻合。

3 分析與討論

3.1 陷阱特性分析

基于改進(jìn)的TSDC法[22]得到試樣的陷阱能級和陷阱密度結(jié)果見表3。

表3 陷阱能級和陷阱密度

Tab.3 Trap energy levels and trap density

隨著納米氧化鋅摻雜量的升高，納米粒子復(fù)合薄膜體陷阱密度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時出現(xiàn)峰值。1% PI/ZnO薄膜的淺陷阱密度較純PI薄膜由深陷阱密度由9.91×1019m-3上升至1.67×1020m-3。說明納米氧化鋅粒子均勻分散于聚合物基體中，起到了明顯的“填隙效應(yīng)”的作用，有效阻礙了薄膜內(nèi)載流子遷移率[23]。當(dāng)摻雜量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，納米粒子出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，使深陷阱密度降低，由于納米顆粒間相互作用大，導(dǎo)致界面區(qū)出現(xiàn)明顯的重疊現(xiàn)象，松散層面積減小使淺陷阱密度下降。

空間電荷在介質(zhì)中遷移時遵循電磁學(xué)基本定律，根據(jù)泊松方程和電流連續(xù)性方程，結(jié)合表面電位衰減率可計算載流子遷移率[24]為

式中，T為空間電荷從表面遷移至背部電極所需時間，即傳輸時間；0()為初始電位。電荷的遷移過程會在T處出現(xiàn)拐點，由式（8）求得遷移率。

圖9展示了0% PI薄膜和1% PI/ZnO復(fù)合薄膜表面電位衰減率與傳輸時間的關(guān)系，載流子遷移率計算結(jié)果見表4。

圖9 表面電位衰減率與傳輸時間的關(guān)系

表4 載流子遷移率

Tab.4 Mobility of carriers

電子在聚酰亞胺內(nèi)部的輸運過程包括分子鏈內(nèi)的能帶輸運與分子間跳躍輸運，聚酰亞胺分子間依靠范德華力結(jié)合，電子波函數(shù)重疊少，因此載流子分子間運動的遷移率小，將偶聯(lián)劑處理后的納米粒子摻雜進(jìn)聚酰亞胺后，聚合物基體與納米填料表面產(chǎn)生了新的化學(xué)鍵和強氫鍵，電子波函數(shù)重疊增多，分子鏈結(jié)構(gòu)的改變影響了復(fù)合材料的結(jié)晶、交聯(lián)、電荷輸運等性能，界面處物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化會引入深、淺陷阱。根據(jù)體陷阱和表面陷阱的計算結(jié)果得出0.5% PI/ZnO薄膜與3% PI/ZnO薄膜陷阱總量較純PI薄膜有小幅度增加，而1% PI/ZnO薄膜的陷阱總量大幅度提升，因為淺陷阱對于載流子的束縛能力弱，電荷容易消散，所以納米復(fù)合薄膜的遷移率升高。

從本質(zhì)上，電介質(zhì)電導(dǎo)率取決于其載流子性質(zhì)和數(shù)量，電介質(zhì)的電導(dǎo)率為

式中，n、、分別為第種載流子在介質(zhì)內(nèi)部的濃度、所帶電荷以及電荷遷移率。

隨著納米摻雜量的增加，載流子總量先升高再降低，載流子遷移率單調(diào)增加，所以復(fù)合薄膜體積電阻率先快速下降后趨于平緩，與實驗結(jié)果一致。

由TSDC與ISPD實驗可證，納米粒子的摻雜使介質(zhì)內(nèi)部陷阱的數(shù)量增加，在電極釋放出的高能、高速電子轟擊下，絕緣介質(zhì)中的載流子被結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)缺陷形成的陷阱捕獲形成空間電荷，淺陷阱中電荷能快速脫陷，深陷阱中的空間電荷迅速積累畸變電場，導(dǎo)致復(fù)合薄膜的擊穿場強減小。在1%時，淺陷阱數(shù)量大幅度增加，入陷電子能快速脫陷，由上述分析可知，一定量的納米粒子可填充聚合物中的微孔，在電場作用下陷阱結(jié)構(gòu)對載流子的捕獲和散射作用使載流子遷移率減小，降低了聚合物分子間的碰撞概率，因此擊穿場強的下降趨勢變平緩。但摻雜含量繼續(xù)增加，納米粒子出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象時，顆粒尺寸變大，復(fù)合薄膜內(nèi)部無機相與有機相直接出現(xiàn)大量粗界面，聚合物容易出現(xiàn)斷鍵現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪娎^續(xù)下降。

3.2 陷阱分布對介電常數(shù)的影響

聚合物高分子鏈的彎曲、折疊、交聯(lián)等情況會在禁帶間隙引入局域態(tài)或定域態(tài)能級，而陷阱就是能對自由載流子的運動產(chǎn)生束縛作用的局域結(jié)構(gòu)，載流子的輸運和消散過程與入陷—脫陷過程密切相關(guān)[8, 25]?；诙嗪四Ｐ屠碚撁枋鲚d流子在聚合物內(nèi)部的輸運過程如圖10所示。

鍵合層中主要包含深陷阱，束縛層中主要包含淺陷阱，界面的引入伴隨著陷阱數(shù)量的增加，與實驗結(jié)果一致。1% PI/ZnO復(fù)合薄膜中深、淺陷阱密度增加，載流子被陷阱大量捕獲，納米粒子在聚合物基體內(nèi)部分散均勻并與聚合物本體之間形成新的化學(xué)鍵。一方面可以“填補”聚合物基體因分子鏈糾纏、制備工藝等原因造成的“缺陷”；另一方面偶聯(lián)劑的耦合作用使得束縛層的有效面積增加，使納米粒子的位阻作用有效地阻擋電荷在聚合物內(nèi)部輸運，進(jìn)而導(dǎo)致界面區(qū)高分子鏈可動性降低，電子或粒子跳躍電導(dǎo)的概率降低，其介電常數(shù)較純PI薄膜降低。隨著摻雜量繼續(xù)增加，界面區(qū)開始發(fā)生重疊現(xiàn)象，在界面重疊區(qū)形成了低阻導(dǎo)電通路，有利于載流子在聚合物內(nèi)部的輸運，使3% PI/ZnO復(fù)合薄膜的介電常數(shù)快速提升。

圖10 基于多核模型的載流子輸運過程

3.3 溫度對介電常數(shù)的影響

本文在工頻、不同溫度下對聚酰亞胺復(fù)合薄膜進(jìn)行了介電性能測試，如圖11所示。聚酰亞胺薄膜的結(jié)晶度較低，在外電場作用下，電子位移極化與轉(zhuǎn)向極化對介質(zhì)性能影響較大。低溫時極性分子熱運動很弱，處于凍結(jié)狀態(tài)，此時電子位移極化占主要作用。隨著實驗溫度的升高，與熱運動相關(guān)的松弛極化得以建立，聚酰亞胺的轉(zhuǎn)向極化率不斷降低，復(fù)合薄膜的相對介電常數(shù)逐漸降低。

圖11 相對介電常數(shù)隨溫度變化特性曲線

納米氧化鋅摻雜對介電常數(shù)的影響：

（1）納米氧化鋅在聚酰亞胺內(nèi)部引入界面極化和雜質(zhì)離子的熱離子極化作用，在不同類型極化離子的協(xié)同作用下復(fù)合薄膜的介電性能發(fā)生改變。在電場作用下自由電荷被界面內(nèi)深、淺陷阱捕獲形成宏觀偶極矩，隨著溫度的升高，熱離子容易克服勢壘躍遷到平衡位置，導(dǎo)致熱離子極化率降低。

（2）1% PI/ZnO復(fù)合薄膜內(nèi)部淺陷阱增多，極化離子容易從淺陷阱中脫陷—中和—消散，進(jìn)而導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部極化離子數(shù)量減少，所以介電常數(shù)較低，且表現(xiàn)出介電性能的溫度敏感性較低。

（3）納米粒子摻雜量較高時，3% PI/ZnO復(fù)合薄膜內(nèi)部深陷阱數(shù)量較多，被深陷阱捕獲的載流子不易脫陷，在電場的作用下，極化離子數(shù)量較多，介電常數(shù)升高。在低溫下界面極化作用強，隨著溫度的升高，被深陷阱捕獲的載流子熱運動增強，極化離子開始從深陷阱中脫陷—中和—消散，因此在高溫時，相對介電常數(shù)迅速下降，表現(xiàn)出較強的溫度敏感性。

4 結(jié)論

本文制備了純PI薄膜與三種不同摻雜比例的納米氧化鋅改性PI薄膜，測試了復(fù)合薄膜的介電性能等電氣性能參數(shù)，通過熱刺激電流法、等溫表面電位衰減法測量了PI和PI/ZnO納米復(fù)合薄膜的陷阱特性，并利用陷阱分布特性解釋了復(fù)合薄膜介電性能變化。結(jié)果表明：

1）納米復(fù)合界面是影響電荷積聚和消散的重要因素。隨著摻雜量的增加，聚合物薄膜體陷阱和表面陷阱均呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢，1% PI/ZnO薄膜的深、淺陷阱密度有明顯的提升，載流子被陷阱大量捕獲，有效地阻擋電荷在聚合物內(nèi)部的輸運；當(dāng)界面發(fā)生重疊時產(chǎn)生低阻導(dǎo)電通路，最終導(dǎo)致介電常數(shù)出現(xiàn)先下降后上升的現(xiàn)象。

2）陷阱分布和溫度共同影響聚合物納米復(fù)合材料的介電性能。隨著溫度的升高，熱離子極化和轉(zhuǎn)向極化的作用明顯，極化離子更容易從陷阱中脫陷以達(dá)到平衡位置，因此深陷阱密度高的試樣表現(xiàn)出較強的溫度敏感性。

3）聚合物內(nèi)部陷阱數(shù)量的增加影響載流子輸運過程，導(dǎo)致?lián)舸﹫鰪娤陆?。被淺陷阱束縛的載流子很容易脫陷，而深陷阱中載流子容易積聚形成畸變電場，所以淺陷阱數(shù)量大量增加時，載流子遷移率增加，復(fù)合薄膜電阻率下降，擊穿場強的下降趨勢變緩。

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The Dielectric Properties of PI/ZnO Composite Films Based on Trap Level Distribution

121,2

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. College of Electronic Information Xi’an Polytechnic University Xi’an 710048 China）

The operating stability of spacecraft in the space environment is closely related to the insulation performance of aerospace dielectric materials such as polyimide (PI), and the carrier trap inside the dielectric material is one of the important factors affecting the insulation performance. Therefore, exploring the impact of trap distribution on the electrical properties of dielectric materials is of great significance to ensure the safe use of spacecraft dielectric materials. In this paper, nano-PI/ZnO composite films with different doping levels (0.5%, 1%, 3%) are prepared and tested for dielectric properties. The energy distribution of thin film bulk traps and surface traps are measured by thermally stimulated depolarization currents method and isothermal surface potential decay method respectively, the carrier mobility is calculated, and the volume resistivity and breakdown field strength are measured. Based on the multi-core model, the phenomenon that the introduction of nano-ZnO changes the dielectric properties of polymers is explained, and the influence mechanism of deep and shallow traps on polarized ions is analyzed from the perspective of trap level. This paper can provide new ideas and methods for regulating the insulation properties of materials and improving the safety of spacecraft.

Dielectric properties, polyimide, nano-ZnO, trap level distribution

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90430

TM215.1; TM855

李天嬌 女，1998年生，碩士研究生，研究方向為納米復(fù)合聚酰亞胺材料介電性能及電荷輸運機理。E-mail: ltj0518@stu.xjtu.edu.cn

烏 江 男，1986年生，講師，研究方向為極端環(huán)境下介質(zhì)表面充放電機理與抑制方法。E-mail: jiangw@xjtu.edu.cn（通信作者）

2020-07-11

2020-10-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51607134）。

（編輯 崔文靜）