纳米SiO2与聚乙烯基体界面态第一性原理计算研究

摘要

聚合物绝缘材料由于其优异的性能在电力设备绝缘材料中被广泛使用，但是现代电力工业的发展越来越快，这就对绝缘材料的性能及可靠性提出了越来越高的要求。在聚合物中加入纳米级尺度的无机填料，并且使其均匀的分散在聚合物中，这样就可以制备出纳米电介质复合材料。纳米电介质优异的性能引起了越来越多的关注，在聚合物中少量掺杂纳米颗粒就能使聚合物的性能有很显著的提高。界面在控制电荷输运过程中起着重要作用已经是一个公认的事实。纳米电介质的许多优异性能都被认为与界面结构有关，由于界面的作用而产生的陷阱对聚合物内部的电荷迁移和空间电荷特性等都有着重要的影响。一些研究表明，纳米复合材料抑制空间电荷能力提高的同时，发生了陷阱的深度和密度的变化，所以在纳米颗粒对聚合物介电性能改良的过程中，需要对纳米颗粒填充后的界面处的陷阱分布的特征变化做深入的了解。在复合材料中引入纳米颗粒或者对纳米颗粒进行改性会在界面处产生化学缺陷，所以我们研究不同缺陷引入的陷阱的深度与态密度将具有实验与理论上的参考价值。
　　本文通过第一性原理的方法计算了二氧化硅纳米颗粒与聚乙烯基体形成的界面处不同缺陷引入的陷阱类型特征，研究了当界面处分别存在羰基、碳碳双键、共轭双键、乙烯基和二烯酮这五种结构缺陷时，产生的陷阱态的深浅程度和态密度的大小。研究结果表明：结构缺陷是导致陷阱存在的一个原因，缺陷结构不同其引入的陷阱特征也不同；发现这几种缺陷都引入了电子深陷阱，羰基和二烯酮引入了深陷阱的深度在3.0-3.7eV之间,其中二烯酮产生的深陷阱的深度比羰基要深,但是羰基引入的深陷阱的态密度更大；共轭双键引入的深陷阱的深度要浅一些，在2.5-2.9eV之间，态密度也稍小一些；乙烯和碳碳双键引入的深陷阱相较而言深度最浅，大概是1.5eV左右，态密度与共轭双键产生的深陷阱相差不多。二烯酮、共轭双键在导带附近又引入了明显的浅陷阱态，羰基、共轭双键和乙烯在价带附近引入了浅陷阱态，浅陷阱既有费米能级之上的电子陷阱，也有费米能级之下的空穴陷阱。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的意义

1.2纳米电介质的研究现状

1.3第一性原理计算在材料领域的研究现状

1.4本论文的主要研究内容

第2章 计算方法

2.1理论基础

2.2计算软件简介

2.3本章小结

第3章 二氧化硅聚乙烯界面模型

3.1界面模型建立的理论基础

3.2理论模型的建立

3.3计算结果分析

3.4本章小结

第4章 不同缺陷结构界面模型的陷阱特征分析

4.1纳米复合介质中的陷阱分布

4.2界面处存在不同缺陷模型的建立

4.3计算结果分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢