基于原子力显微镜的特殊结构复合聚乙烯微观电荷特性研究

作     者：罗隆伊 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩柏

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：开尔文力显微镜 电场力显微镜 界面区域 空间电荷 纳米电介质 

摘      要：纳米电介质中掺杂物与基体间的界面区域对材料的性能起重要作用,研究复合材料界面附近的电荷演变对揭示纳米电介质介电机理具有重要意义,掺杂颗粒的形状与界面区域电荷演变存在联系。原子力显微镜（AFM）是目前唯一可以用来探测微区电荷演变的手段,AFM的电学模式中开尔文力显微镜（KPFM）和电场力显微镜（EFM）是探究界面机理的主要方法。为探究颗粒形状结构对试样电荷性能的影响,本文改进样品制备方法与观测方法,获得适于AFM观测的条件。利用KPFM与EFM系统的研究了纯低密度聚乙烯（LDPE）、球形与棒状二氧化硅（Si O）掺杂的LDPE、球形与片状氧化镁（Mg O）掺杂的LDPE的表面电荷演变规律,验证了颗粒形状对界面电荷分布的影响,并结合空间电荷测试建立宏观与微观电荷演变的联系。通过AFM的接触模式对试样进行电荷注入,然后利用KPFM观测注入电荷的演变规律。研究发现,掺杂后的复合材料表面电位衰减速度比纯LDPE慢,尤其发现在棒状Si O/LDPE中颗粒旁边注入时电位基本不衰减,远离颗粒注入后明显衰减,在片状Mg O/LDPE中的注入电荷会向颗粒附近的界面区域迁移。结果表明颗粒掺杂引入了界面区域,降低载流子迁移率,特殊结构颗粒与基体间的界面陷阱效应明显更易使电荷入陷。利用EFM分别观测了试样原生电荷与注入电荷的运动特性。结果发现球形与棒状Si O/LDPE的界面区域陷阱易束缚电荷,且相比纯LDPE电荷难以消散。在棒状颗粒旁边注入后电荷会沿着颗粒轮廓分布,远离棒状颗粒注入后在棒颗粒的端部有明显的电荷聚集,表明棒状颗粒端部的陷阱数量多,会束缚更多的电荷,界面陷阱效应明显。此外利用电声脉冲法（PEA）测量试样空间电荷分布,发现Si O颗粒掺杂提高了材料抑制电荷注入的能力,其中棒状颗粒试样极化过程仅有少量电荷注入。对比PEA去极化衰减曲线与KPFM电位衰减曲线发现均随时间呈指数下降,且掺杂后的剩余电荷均高于纯LDPE,验证了宏观与微观电荷演变关联性。通过上述研究,获得了适合AFM的观测与处理方法,揭示了电荷演变与颗粒形状的关系,建立了微观电荷分布与空间电荷特性之间的联系,验证了界面区域在复合材料中的重要作用,为界面理论的研究提供了有力的佐证。