热处理对驻极体电荷稳定性的影响..ppt

热处理对驻极体电荷稳定性的影响 热处理的分类 驻极体的热处理，包括： 高温电晕充电（即充电期间的热处理）； 常温充电后的老化（或退火）； 充电前的淬火或老化。 对驻极体材料，尤其是聚合物薄膜驻极体材 料的电荷储存稳定性将产生重要的影响。 进行热处理的原因 1）热处理会导致驻极体材料物性的变迁； 2）电荷重心的内迁移， 即对大多数聚合物驻极体材料 能明显地提高其深阱捕获电荷对浅阱捕获电 荷的比例。 热处理的意义 在大多数驻极体元器件生产中的驻极 体形成工艺仍普遍使用电晕充电技术（注 入的电荷层位于材料的表面或近表面）， 利用热处理工艺来改善驻极体的电荷寿命 ，提高驻极体器件的稳定性是必不可少 的工艺措施。 A 高 温 充 电(驻极态建立过程中的热处理) 电荷稳定性的改善 大多数驻极体材料的电荷稳定性都 能通过充电期间的热处理加以改善。 例如充电期间从高于室温至250℃温 区内的热处理都可能改善聚四氟乙烯的 驻极体电荷稳定性。 ◆ 根源：这种改性是源于 高温充电时的热激发， →或者有效地阻止了充电期间浅阱对注入 电荷的捕获； →或者是充电时已注入浅阱的电荷，由于继 续充电中的热激发脱阱和它们中的一部分被 再捕获在较深的陷阱中，从而增加了捕获在 深阱中电荷对浅阱电荷的浓度比。 图1为Teflon PFA薄膜经不同温度正电晕充电后的开路TSD电流谱。 随着充电温度的升高，常温充电的TSD谱线上的86℃低温峰消失， 而高温峰逐渐向高温区漂移。 值得注意的是： 和高温峰值对应的TSD电流曲线和温度 座标间围的面积（对应于从深阱中释放的电 荷量）比常温注极时明显增加，这必将导致 电荷储存寿命的延长。 电荷储存能力的增强 改变充电温度会影响电荷的储存能力。对特定 驻极体材料，存在着一个“最佳充电温度”T0（如图1 中充电温度为200℃时的曲线）。 即： 在这一温度时充电，不但可获得较高的深/浅 阱捕获电荷的比例（对应的TSD电流谱与常温充电 时的TSD谱比较，其高温峰向高温区漂移较大）， 而且在深阱中捕获了较高的电荷密度。 倘若： 1）充电温度TcT0，则捕获在浅阱中载流 子占有较大的比例，电荷稳定性不能达 到充分的改善（图1中的120℃充电TSD 曲线）； 2）充电温度TcT0，则更多的深阱捕获电 荷被外界提供的较高热能激发脱阱，引 起深阱内储存电荷密度的下降（图1中 的230℃曲线），影响充电效率。 表1 列出了目前工业生产中常用的几种高绝缘聚合物驻极 体材料的最佳充电温度。 PTFE、FEP、PFA和PCTFE正负电晕充电的最佳充电温度 B常 温 充 电 后的 热 处 理 定义： 经常温充电的样品，并在适当的温度下退 火，或者在一定的高温下老化，以改善相应材 料的驻极体稳定性。 适用范围： 这一过程对那些： 1）或者储存着较高电荷密度， 2）或者呈现电荷的快再捕获效应 的驻极体效果更佳。 ▲和高温充电相比 1）它们的共性：都是通过热激发效应来改变材 料内深能级对浅能级陷阱捕获电荷的比例。 2）它们的差异：是充电后的热处理是将常温充 电后已捕获在浅阱中的载流子在一定温度下 激发脱阱，脱阱电荷中的一部分在驻极体自 身场激励下的输运途中被较深的陷阱再度捕 获，从而减少了浅阱内捕获电荷的浓度，达 到改性的目的。 ▲实验结果表明： 通过充电-退火-充电-退火等多次循环操作，既可以改善电荷储存的稳定性，也可以提高电荷储存的密度，形成这一结果除上述原因外，尚包含热处理过程中材料形貌结构的局部改变。 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 下图(图2)表示了Teflon FEP—PI复合驻极体膜经三次循环充电—退火后在室温下电荷衰减的时间常数已长达300年。 原因： 经过多次老化热处理，原来沉积在较浅 陷阱中的载流子被热激发脱阱后在迁移途中 多次脱阱并再捕获，从而在向背电极输运中 被捕获到越来越深的阱中。 而在热处理过程中已捕获在深阱中电荷 由于多次老化的温度所提供的有限值的热能 不足以引起它们激发脱阱。循环处理次数越 多，深阱对浅阱储存电荷的比例越高。 氟聚合物驻极体和硅驻极体的陷阱分布几何特征 十分有趣的是：在驻极体的实际应用中最重要 的几种高绝缘性氟聚合物材料和硅材料：