聚乙烯分子热运动辅助电子迁移行为的研究

Electron trapping (carrier localisation) and transport processes are of fundamental interest in a variety of research fields, such as, electrical engineering. Electron transport in polymers is relating to most of its dielectric properties, it has become one of the most basic but challenging problem for researchers. Polyethylene is one of the simplest but most important organic insulators which have been widely used in high-voltage cables, study on its dielectric properties is a one of the hotspot for engineers and scientists. Despite a vast literature concerned with the experimental characterization of its electrical properties, very little is known about the details of the electrical behavior of this material, especially at the molecular level. Here we use a semi-empirical simulation method to study electron transfer behavior assisted by thermal motion of molecules in polyethylene, in order to investigate the electron trapping and transport properties as well as the interactions between molecule thermal motion and electron transition. Moreover, we use our simulation results to explain relative experimental phenomenon. An understanding of the mechanisms of charge trapping and transport in these insulators and how such processes are affected by local physical structures and chemical impurities may help us to further develop its insulating properties.

绝缘材料内部电荷的跃迁行为关系到其绝大部分介电性能，是绝缘领域长期以来研究的基础难题，也是制约我们进一步了解并改善其绝缘性能的瓶颈。聚乙烯是一种结构简单且应用广泛的绝缘材料，其介电性能一直都是电工学科的研究热点。尽管大量的实验定性研究了其内部电荷的总体规律，但对于电荷在聚乙烯分子结构内的输运情况仍知之甚少。本文将采用分子模拟的方法，利用半经典的理论算法，自主编程研究多种形态结构下、聚乙烯分子热运动辅助电子的迁移行为，进而揭示其电子的输运特性、结构内部的陷阱特性以及电子输运与分子结构的相互作用；并将模拟结果与实验结果进行对比分析，揭示多种实验现象的背后机理。通过本项目的研究，将为进一步理解高分子材料聚集态结构和介电性能的关系、研发具有更高介电性能的新型材料提供有力的理论支撑。

为了进一步理解聚乙烯材料内电荷迁移行为的机理，本项目利用分子模拟的方法，通过分子动力学建立起一套可以详细描述复杂结构聚乙烯的分子构型体系；利用Lanczos和表面电荷跃迁原理编程计算，研究了这些分子构型内分子热运动辅助电子的迁移行为机理：计算得出多种聚乙烯结构的电子态密度曲线，进而研究了其的电子迁移率和活化能，与实验结果吻合良好；定性定量的研究了电子概率密度与其微观结构的关联关系，发现了聚乙烯结构内的低密度区、界面区域为结构上的弱点，验证了相应实验结果；原创性的提出了“孔隙分布预测法”，预测了不同结构的电子态密度曲线，与实际计算结构吻合良好；利用镜像电荷法，拟合了平面与真空界面的赝势，并对其进行的电子态的计算和分析；计算在分子热力学震动情况下电子跃迁的基本状态，包括不同温度下电子其特征参数的统计描述，并分析了电子输运的基本模式。通过Lanczos迭代法和表面电荷跃迁法对聚乙烯复杂结构内电子迁移行为的研究，极大了提高了理论计算的精确度和计算尺度，详细的阐述了分子结构细节与电子受陷，跃迁的规律，将为进一步理解高分子材料聚集态结构和介电性能的关系、研发具有更高介电性能的新型材料提供有力的理论支撑。