光刺激放电电流法测量聚合物电介质陷阱能级的基础问题研究

Trap level is an important parameter for polymer dielectrics. As one of the main methods for trap level measurement, some important basic problems for photo-stimulated discharge (PSD) method need to be solved. The problems contain as follow: The impact of the photoeffect by the samples with transparent electrodes on PSD current, the exact parameters for photo energy normalization of photo stimulated discharge current, the influence of the experimental performing parameters related to photo scanning and the sample parameters on PSD current, the inherent correlation between photo stimulated discharge method and thermally stimulated discharge method. Combined with thermal pulse method and electron beam irradiation or corona charging, the impact of the experiment performing parameters (e.g. wavelength scanning rate,light bandwith, light intensity, applied field) and the sample parameters (the electrode materials,thickness,light transmission,the difference of the work function between the electrode and the substrate) on PSD current spectrum and the trap level based on the spectrum will be studied. Considering the energy spectrum of Xe-lamp and the transmission of transparent electrodes , the energy normalization parameter hope to be obtained based on the above transmission measurement. Utilizing thermal clean method and segment light scanning method, the inherent correlation between PSD method and TSD method will be investigated. The suitable experimental conditions for the applications of photo stimulated discharge method hope to be found for based on the research project，and finally to improve the accuracy for the measurement of charge trap parameters.

陷阱能级是聚合物电介质的重要参数。作为测量电荷陷阱能级的基本方法之一，光刺激放电电流法还存在几个尚未清楚的关键性基本问题：透明电极及样品的光电效应对光刺激放电电流的影响，光刺激放电电流谱能量归一化参数，光扫描相关实验参数和样品参数的影响，光刺激放电电流法和热刺激放电电流法的内在联系。结合测量薄膜空间电荷分布的热脉冲法，利用单能电子束和电晕充电控制电荷的注入，研究实验外部条件如光波扫描方式，单色光参数，电场大小、方向等，样品本身参数如电极材质、厚度，样品透光率、厚度，界面功函数差等对光刺激放电电流谱的影响以及对电荷陷阱能级计算的影响。通过透过率测试，并考虑光波能量随波长变化和电极薄膜透过率随波长变化的情况，获得光刺激放电电流谱能量归一化条件。结合热清洗法和分段扫描法，研究热刺激放电电流法与光刺激放电电流法内在的联系。通过本项目，获得利用光刺激放电电流法测量陷阱参数的适用条件，提高测量精度。

陷阱能级是聚合物电介质的重要参数，是电介质的老化和击穿的决定性因素之一。作为测量电荷陷阱能级的基本方法之一，相对于热刺激放电电流法（thermally stimulated discharge method, TSD），光刺激放电流法（photo stimulated discharge method, PSD）具有非破坏性的优点。为提高光刺激放电电流法的测量精度，本项目对PSD测量方法中几个关键性的几个问题展开了研究工作:通过改变电极结构（如梳状、指状），调整电极厚度（半透明、不透明），控制样品内电场方向等方法，研究了PSD测试过程中可能存在的内光电效应和外光电效应，发现聚酰亚胺（PI）中存在550-350nm的光电导电流（内光电效应），在多种聚合物薄膜中基于蒸镀铝电极都发现了起始于325nm的电极光电发射峰，同时测量过程中总是伴随有极化或退极化电流，以上是三种主要的干扰电流信号，都对实验结果产生严重干扰；研究了外施极化电场强度的影响，发现外施电场能导致空间电荷的注入，而积累的空间电荷极性、空间电荷电场强度不但决定了PSD电流的性质，也会严重影响上述三种干扰电流的特征，比如强空间电荷场会使光电导电流主峰位向长波移动；利用圆面电极并通过逐级升压增加电场强度，在确认干扰电流的前提下，发现通过PSD可以较为准确地推断空间电荷注入的阈值电场，在数值上与利用电荷分布方法监测的结果一致；利用电子束辐照并结合电晕充电和高压接触充电法，发现薄膜中的陷阱能级呈现表层深内层稍浅的规律；确定了针对薄膜做PSD测量时合适的波长扫描速率为4nm/10s，扫描过快导致峰位向长波移动，过慢则影响实验效率；鉴于聚乙烯、聚丙烯中的微弱电流信号，在保证波长分辨率的前提下，适当提高扫描光强有利于提高电流信噪比，也要避免过强的紫外线对介质的微观破坏；针对TSD与PSD的测量结果存在明显差异的问题，确认了相关数据的同源性问题，使得电荷陷阱能级的测量可扩展至更深能级，克服了TSD在测量深陷阱能级时微观结构随温度变化而导致陷阱能级变化的缺点。