电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法及装置，其中，方法包括：制备栅极电压可控的固体绝缘样品，并获取固体绝缘样品的微观形貌图，以得到绝缘材料的局域态分布特性；对固体绝缘样品进行极化处理，以在去极化过程得到探针上的静电力梯度及电势分布信息，并获取固体绝缘样品的样品表面电势分布特性；根据样品表面电势分布特性反演得到微观界面表面电荷密度分布特性，并且根据微观界面表面电荷密度分布特性和局域态分布特性反推得到绝缘材料的迁移率和陷阱深度。该方法具有操作简便、精确度高、且可为纳米复合材料微区界面表征和定向精准调控提供新技术和新方法等优点。

Quantitative Charging Method and Device for Microinterface Charging and Trap Characteristics of Dielectrics

The invention discloses a quantitative characterization method and device for charge and trap characteristics of dielectric micro-interface. The methods include: preparing solid insulating samples with controllable gate voltage, obtaining micro-topographic maps of solid insulating samples to obtain local distribution characteristics of insulating materials, polarizing solid insulating samples to obtain probes during depolarization process. The information of electrostatic force gradient and potential distribution is obtained, and the surface potential distribution characteristics of solid insulating samples are obtained. The surface charge density distribution characteristics of micro-interface are retrieved based on the surface potential distribution characteristics of samples, and the mobility and trap depth of insulating materials are deduced based on the surface charge density distribution characteristics and local state distribution characteristics of micro-interface. This method has the advantages of simple operation, high accuracy, and can provide new technologies and methods for characterization and precise orientation control of nanocomposites.

【技术实现步骤摘要】
电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法及装置
本专利技术涉及固体电介质材料性能测试
，特别涉及一种电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法及装置。
技术介绍
纳米电介质因其界面效应以及独特的功能性，为解决高电压等级的电缆绝缘问题带来了希望。纳米-聚合物界面影响因素复杂，规律尚不明确，加之测量手段和方法的限制，极大制约了纳米电介质工业应用化的发展。相应地，纳米-聚合物界面的表征技术与方法成为纳米电介质发展的重要瓶颈之一。越来越多的学者开始关注纳米微区界面的表征。研究者通过透射电镜，X射线散射，拉曼光谱，动态力学分析仪等高精度光学仪器观测纳米复合材料微观界面。然而，相应的技术虽能用以观测纳米界面的微观形貌，但其无法直观反映微观界面的荷电行为。此外，研究者通过热刺激电流、空间电荷以及Zeta电位等测试手段关注纳米复合材料的陷阱分布等特性，但也仍然只是宏观上的电荷和陷阱表征。近几年来，扫描探针显微镜被广泛应用于材料微观性能表征，而通过在扫描探针上施加电压极化样品，可同时获得纳米尺度下的形貌高度图像和静电力特征图像，从而反应出纳米尺度下的微区电学特性，为纳米微区表征提供了新的思路。然而，目前已有的纳米探针技术，仅能间接反应微观界面的电学性能。曾有研究者尝试通过引入已知电荷密度的金属球等方法，对微观界面的电荷特性和介电特性进行标定，然而其仍无法定量表征微观界面的陷阱特性。因此，仍需要对设备和测量方法等进行进一步的设计和优化，从而进一步计算材料微观界面的陷阱特性。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，该方法具有操作简便、精确度高、且可为纳米复合材料微区界面表征和定向精准调控提供新技术和新方法等优点。本专利技术的另一个目的在于提出一种电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征装置。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，包括以下步骤：制备栅极电压可控的固体绝缘样品，并获取所述固体绝缘样品的微观形貌图，以得到绝缘材料的局域态分布特性；对所述固体绝缘样品进行极化处理，以在去极化过程得到探针上的静电力梯度及电势分布信息，并获取所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性；根据所述样品表面电势分布特性反演得到微观界面表面电荷密度分布特性，并且根据所述微观界面表面电荷密度分布特性和所述局域态分布特性反推得到绝缘材料的迁移率和陷阱深度。本专利技术实施例的电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，利用纳米探针平台，有效设计栅极电压可控的固体绝缘样品，采用有限元分析法、二维傅里叶变换和维纳滤波器的联合反演算法，可定量计算纳米界面动态荷电，从而进一步反算出纳米微观界面的陷阱分布特性，进而具有操作简便、精确度高、且可为纳米复合材料微区界面表征和定向精准调控提供新技术和新方法等优点。另外，根据本专利技术上述实施例的电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述制备栅极电压可控的固体绝缘样品，进一步包括：对所述绝缘材料进行切片得到预设厚度、且表面平整的所述固体绝缘样品。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述对所述固体绝缘样品进行极化处理，以在去极化过程得到探针上的静电力梯度及电势分布信息，并获取所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性，进一步包括：改变探针的扫描模式为抬高模式，并将所述固体绝缘样品在固定电压下极化预设时间；在预设时间之后，将极化的所述固体绝缘样品去极化，并在去极化的过程中得到探针上的静电力梯度及电势分布信息；搭建探针、样品、纳米颗粒、纳米界面以及栅电极的物理结构模型，并根据所述静电力梯度及电势分布信息且采用有限元仿真分析得到所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述探针上的静电力梯度及电势分布信息为：其中，z为所述探针的针尖至所述固体绝缘样品的距离，C为所述探针与所述固体绝缘样品之间形成的电容，VCPD所述探针与所述固体绝缘样品之间的接触电势差，Vdc为可调的直流电压，Vac为所述探针上施加频率为ω的交流电压。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，其中，所述绝缘材料的载流子迁移率为：其中，q’(t)＝q+(t)-q-(t)，q+(t)为正电荷密度，q-(t)是负电荷密度；所述绝缘材料的陷阱深度为：其中，k是玻尔兹曼常数，T为热力学温度，频率ν＝kT/h，h为普朗克常数，R为绝缘材料的局域态的平均距离。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征装置，包括：制备获取模块，用于制备栅极电压可控的固体绝缘样品，并获取所述固体绝缘样品的微观形貌图，以得到绝缘材料的局域态分布特性；极化获取模块，用于对所述固体绝缘样品进行极化处理，以在去极化过程得到探针上的静电力梯度及电势分布信息，并获取所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性；反演反推模块，用于根据所述样品表面电势分布特性反演得到微观界面表面电荷密度分布特性，并且根据所述微观界面表面电荷密度分布特性和所述局域态分布特性反推得到绝缘材料的迁移率和陷阱深度。本专利技术实施例的电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征装置，利用纳米探针平台，有效设计栅极电压可控的固体绝缘样品，采用有限元分析法、二维傅里叶变换和维纳滤波器的联合反演算法，可定量计算纳米界面动态荷电，从而进一步反算出纳米微观界面的陷阱分布特性，进而具有操作简便、精确度高、且可为纳米复合材料微区界面表征和定向精准调控提供新技术和新方法等优点。另外，根据本专利技术上述实施例的电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征装置还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述制备获取模块进一步用于对所述绝缘材料进行切片得到预设厚度、且表面平整的所述固体绝缘样品。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述极化获取模块进一步用于改变探针的扫描模式为抬高模式，并将所述固体绝缘样品在固定电压下极化预设时间；并在预设时间之后，将极化的所述固体绝缘样品去极化，并在去极化的过程中得到探针上的静电力梯度及电势分布信息；且搭建探针、样品、纳米颗粒、纳米界面以及栅电极的物理结构模型，并根据所述静电力梯度及电势分布信息且采用有限元仿真分析得到所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述探针上的静电力梯度及电势分布信息为：其中，z为所述探针的针尖至所述固体绝缘样品的距离，C为所述探针与所述固体绝缘样品之间形成的电容，VCPD所述探针与所述固体绝缘样品之间的接触电势差，Vdc为可调的直流电压，Vac为所述探针上施加频率为ω的交流电压。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，其中，所述绝缘材料的载流子迁移率为：其中，q’(t)＝q+(t)-q-(t)，q+(t)为正电荷密度，q-(t)是负电荷密度；所述绝缘材料的陷阱深度为：其中，k是玻尔兹曼常数，T为热力学温度，频率ν＝kT/h，h为普朗克常数，R为绝缘材料的局域态的平均距离。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，其特征在于，包括以下步骤：制备栅极电压可控的固体绝缘样品，并获取所述固体绝缘样品的微观形貌图，以得到绝缘材料的局域态分布特性；对所述固体绝缘样品进行极化处理，以在去极化过程得到探针上的静电力梯度及电势分布信息，并获取所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性；以及根据所述样品表面电势分布特性反演得到微观界面表面电荷密度分布特性，并且根据所述微观界面表面电荷密度分布特性和所述局域态分布特性反推得到绝缘材料的迁移率和陷阱深度。

【技术特征摘要】
1.一种电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，其特征在于，包括以下步骤：制备栅极电压可控的固体绝缘样品，并获取所述固体绝缘样品的微观形貌图，以得到绝缘材料的局域态分布特性；对所述固体绝缘样品进行极化处理，以在去极化过程得到探针上的静电力梯度及电势分布信息，并获取所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性；以及根据所述样品表面电势分布特性反演得到微观界面表面电荷密度分布特性，并且根据所述微观界面表面电荷密度分布特性和所述局域态分布特性反推得到绝缘材料的迁移率和陷阱深度。2.根据权利要求1所述的电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，其特征在于，所述制备栅极电压可控的固体绝缘样品，进一步包括：对所述绝缘材料进行切片得到预设厚度、且表面平整的所述固体绝缘样品。3.根据权利要求1所述的电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，其特征在于，所述对所述固体绝缘样品进行极化处理，以在去极化过程得到探针上的静电力梯度及电势分布信息，并获取所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性，进一步包括：改变探针的扫描模式为抬高模式，并将所述固体绝缘样品在固定电压下极化预设时间；在预设时间之后，将极化的所述固体绝缘样品去极化，并在去极化的过程中得到探针上的静电力梯度及电势分布信息；搭建探针、样品、纳米颗粒、纳米界面以及栅电极的物理结构模型，并根据所述静电力梯度及电势分布信息且采用有限元仿真分析得到所述固体绝缘样品的样品表面电势分布特性。4.根据权利要求3所述的电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，其特征在于，所述探针上的静电力梯度及电势分布信息为：其中，z为所述探针的针尖至所述固体绝缘样品的距离，C为所述探针与所述固体绝缘样品之间形成的电容，VCPD所述探针与所述固体绝缘样品之间的接触电势差，Vdc为可调的直流电压，Vac为所述探针上施加频率为ω的交流电压。5.根据权利要求1所述的电介质微观界面荷电及陷阱特性的定量表征方法，其特征在于，其中，所述绝缘材料的载流子迁移率为：其中，q’(t)＝q+(t)-q-(t)，q+(t)为正电荷密度，q-(t)是负电荷密度；所述绝缘材料的陷阱深度为：其中，k是玻尔兹曼常数，T为热力学温度，频率ν＝kT/h，h...

【专利技术属性】
技术研发人员：周远翔，张云霄，张灵，周仲柳，陈健宁，滕陈源，黄欣，赖智鑫，李科，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11