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作者与机构
本研究的核心作者团队来自西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室，包括Wen-Wei Shen、Hai-Bao Mu（通讯作者）、Guan-Jun Zhang（通讯作者）、Jun-Bo Deng和De-Min Tu。研究成果发表于《Journal of Applied Physics》第113卷第8期（2013年2月25日），文章标题为《Identification of electron and hole trap based on isothermal surface potential decay model》，DOI编号10.¹⁰⁶³⁄₁.4792491。

学术背景
本研究聚焦于绝缘聚合物材料中的电荷陷阱特性，属于电介质物理与材料科学交叉领域。背景动机源于高压直流电场下聚合物内空间电荷积累导致的局部电场畸变问题，可能引发材料长期运行中的降解甚至击穿。尽管已有研究通过脉冲电声法（PEA）和激光诱导压力脉冲法（LIPP）等手段测量空间电荷分布，但电荷陷阱的捕获/脱陷机制与能量分布仍不明确。尤其电子陷阱与空穴陷阱的本质差异（如分子模拟显示的电子态具有链间特性而空穴态为链内特性）缺乏实验验证。因此，本研究旨在开发一种新型等温表面电位衰减（ISPD）模型，以区分电子与空穴陷阱的能量分布，并揭示低密度聚乙烯（LDPE）和聚丙烯（PP）的微观结构差异。

研究流程与方法
1. 模型构建
- 结合等温松弛电流理论（IRC）与空间电荷分布特性，提出ISPD模型。模型假设表面陷阱在薄层内均匀分布，仅考虑热脱陷机制（忽略光子辅助与碰撞电离脱陷）。
- 推导关键公式：电子脱陷率（式1-3）与表面电位衰减关系（式8-11），通过陷阱深度计算式（式6）将时间域衰减数据转换为能量分布。
- 创新点：引入非接触式测量系统，通过电晕极性与表面电位极性对应关系区分电子/空穴陷阱。

1. 实验设计

   • 样品制备：选用25 μm厚商用LDPE和PP薄膜，经无水乙醇和去离子水超声清洗后60℃烘干2小时以消除残留电荷。
     
   • 电晕充电系统：设计三电极电晕装置（针电极、网格电极、接地平板电极），网格电压±3 kV控制初始表面电位（稳态值：LDPE负/正电位分别为-1371/+1538 V，PP为-1894/+1900 V）。
     
   • ISPD测量：样品充电10分钟后，1秒内转移至开尔文探针静电计（间距2 mm），在40℃、40%湿度密闭环境中记录电位衰减曲线。
     

2. 数据分析

   • 归一化电位衰减曲线（Vt*=Vt/V0）用于比较不同材料与极性下的衰减特性。
     
   • 通过式6和式11计算陷阱能量分布，假设初始占据率f0(et)=1（饱和充电条件），陷阱密度正比于电位衰减速率与时间乘积。

主要结果
1. 电位衰减特性
- LDPE的负极性电位衰减显著快于正极性（1000秒内降至10%初始值 vs. 半衰期3000秒），表明其电子陷阱较浅而空穴陷阱较深。
- PP的正负极性衰减曲线几乎重合（半衰期3300-3500秒），反映其电子/空穴陷阱能量分布相似且较深。

1. 陷阱能量分布

   • LDPE电子陷阱峰值位于0.96 eV（密度高），空穴陷阱峰值1.04 eV且1.1 eV以上深陷阱占优（图4a）。
     
   • PP电子与空穴陷阱峰值均位于1.05 eV（图4b），归因于其高结晶度导致的链间距离压缩与自局域化效应。

2. 微观结构关联

   • LDPE的短/长支链结构形成大量非晶区，电子易被浅陷阱（链间缺陷）捕获，空穴则被链内化学缺陷（如羟基、双键）深束缚。
     
   • PP的致密结晶结构使电子/空穴陷阱深度趋同，与分子模拟中“电子亲和力低+极化效应”的预测一致。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次通过ISPD模型实验验证了电子/空穴陷阱的本质差异：电子陷阱以链间缺陷为主（浅而密），空穴陷阱以链内缺陷为主（深而疏）。
- 为聚合物陷阱能谱分析提供了新方法，弥补了传统热刺激电流法（TSC）无法区分陷阱类型的缺陷。

1. 应用价值
   
   • 指导高压绝缘材料设计：LDPE的快速电子脱陷特性可能引发电树起始，而PP的均匀陷阱分布更适合长期稳定运行。
     
   • 为电老化机制研究提供能量视角，例如深空穴陷阱可能与LDPE的降解路径相关。

研究亮点
1. 方法创新：将IRC理论与空间电荷分布结合，开发出可区分电子/空穴陷阱的ISPD模型。
2. 实验设计：自主搭建非接触测量系统，通过极性控制实现单极性电荷分析。
3. 发现差异：揭示LDPE与PP的陷阱分布差异与其半结晶形态的构效关系，支持分子模拟的链间/链内理论。

其他价值
研究得到国家杰出青年科学基金（51125029）和国家自然科学基金（50937004、51107096）支持，数据可重复性高（三次实验曲线一致），为后续界面陷阱研究奠定了基础。