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驻极体材料中的电荷存储与微观结构的相关性

陈钢进

  驻极体是指具有长期储存电极化和空间电荷能力的功能电介质材料。由于所具有的静电、压电、热释电和光学非线性等物理效应,使其在电子工程、环境净化、能源、生物医药工程等领域尤其在传感器工程方面得到了越来越多的应用,并已成为凝聚态物理学的一个独立分支。一般认为驻极体电荷捕获可以在三种结构层次上发生:第一,电荷被捕获在分子结构的特殊位置中如强极性键或聚合物链段中。捕获在这个能级上的电荷稳定性取决于原子的电负性和沿分子链的对称性;第二,电荷被束缚在相邻分子间的原子基团内或介质内部离子的位移,由这些基团或离子的电子亲合势来约束捕获电荷,而捕获电荷的稳定性随分子结构密度的增加而增加,随分子链对称性的增加而减少;第三,材料内部结构不均匀,结晶区和非结晶区交错在一越。结晶区通常是一些微小的晶粒,当极化电流通过介质时,在晶粒的两个端面产生Maxwell-Wagner效应,积聚相反的电荷,形成与取向极化类似的极化。这种极化可能生成同号电荷,也可能生成异号电荷,取决于结晶区与非结晶区两者电导和介电常数的相对大小。考察上述结构层次可以发现,第一、二层次与材料的化学组成有关,对不同的材料其化学成分不同驻极体性能不同。第三结构层次仅与材料的晶相结构相关,对不同的材料具有共性。因此,深入研究材料的晶相结构与电荷存储能力的相关性,对于揭示驻极体电荷存储的一般机理,开发新型驻极体材料至关重要。基于上述考虑,本文将从极化聚合物驻极体材料中的非线性光学稳定性、熔喷聚丙烯驻极体空气过滤材料的过滤效率稳定性和SiO2薄膜驻极体材料中的电荷存储稳定性等角度,依据现有实验事实,论述驻极体材料中的电荷存储及其与结构的相关性,提出 界面陷阱 思想,即 电荷在晶粒的端面上积聚,结晶区与结晶区及结晶区与非结晶区之间产生的界面极化是驻极体电荷被捕获的结构根源 。通过设计制备微晶材料,利用晶粒端面产生的Maxwell-Wag-ner效应,约束晶粒内部的位移和取向极化,获得结构稳定并具有和优异电荷存储性能的驻极体材料,为开发新型驻极体材料提供理论依据。……