熱激勵去極化電流(TSDC)測量的原理
基本原理概述
熱激勵去極化電流(TSDC)測量的基本原理是基于電介質(zhì)的極化和去極化過程。當(dāng)在電介質(zhì)材料上施加一個(gè)電場時(shí)，材料內(nèi)部的偶極子(具有正負(fù)電荷中心不重合的分子或離子團(tuán))會在電場作用下發(fā)生取向排列，同時(shí)電荷也會在材料內(nèi)部的陷阱(可以捕獲電荷的局部能量狀態(tài))中積累，這個(gè)過程稱為極化。
當(dāng)電場移除后，這些被極化的偶極子和被捕獲的電荷會逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)，這一過程稱為去極化。在去極化過程中，會產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的電流，即去極化電流。熱激勵去極化電流測量就是通過對這個(gè)去極化電流的檢測和分析來獲取材料的相關(guān)信息。
極化過程細(xì)節(jié)
極化過程中，電介質(zhì)材料內(nèi)部的偶極子會受到電場力的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。對于具有不同極化機(jī)制的材料，偶極子的響應(yīng)方式有所不同。例如，在取向極化中，具有偶極矩的分子會在電場作用下克服熱運(yùn)動的干擾，逐漸沿電場方向排列。以水分子為例，水分子是極性分子，其偶極矩為 1.85D(德拜)，在電場作用下，水分子的氫端會指向電場的負(fù)極，氧端指向電場的正極。
同時(shí)，材料內(nèi)部的可動離子也會在電場作用下發(fā)生遷移。這些離子會被材料中的陷阱捕獲，形成空間電荷極化。例如在一些陶瓷材料中，摻雜的雜質(zhì)離子可能會在晶界等缺陷處形成陷阱，當(dāng)施加電場時(shí)，材料內(nèi)部的載流子(如電子、離子)會被這些陷阱捕獲，從而產(chǎn)生極化現(xiàn)象。
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去極化過程與電流產(chǎn)生
當(dāng)極化后的材料被加熱時(shí)，溫度的升高會為偶極子和被捕獲的電荷提供能量，使它們能夠克服原來的束縛，恢復(fù)到隨機(jī)分布的狀態(tài)。這個(gè)過程中，偶極子的重新取向和電荷從陷阱中的釋放會導(dǎo)致電流的產(chǎn)生。
根據(jù)熱激活理論，去極化電流與溫度之間存在一定的關(guān)系。去極化電流密度可以用以下公式表示：，其中是一個(gè)與材料和實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的常數(shù)，是激活能(表示偶極子或電荷從束縛狀態(tài)釋放所需的能量)，是玻爾茲曼常數(shù)，是絕對溫度。
隨著溫度的升高，去極化電流會先增大后減小。在開始階段，溫度升高使得越來越多的偶極子和電荷能夠獲得足夠的能量進(jìn)行去極化，電流增大；當(dāng)大部分偶極子和電荷都完成去極化后，電流就會逐漸減小。通過測量不同溫度下的去極化電流，就可以得到 TSDC 譜(電流 - 溫度曲線)，這個(gè)譜圖包含了材料的極化機(jī)制、陷阱深度、載流子濃度等多種信息。
測量系統(tǒng)組成與操作
TSDC 測量系統(tǒng)主要由加熱裝置、電極系統(tǒng)、電流檢測裝置和溫度控制與記錄裝置等部分組成。首先將樣品放置在電極之間，施加一個(gè)極化電場對樣品進(jìn)行極化，極化時(shí)間通常根據(jù)材料和實(shí)驗(yàn)要求而定，一般在幾分鐘到幾小時(shí)之間。
極化完成后，迅速切斷電場，然后以一定的升溫速率對樣品進(jìn)行加熱，同時(shí)用高靈敏度的電流檢測裝置記錄去極化電流隨溫度的變化。升溫速率的選擇也很關(guān)鍵，不同的升溫速率可能會影響 TSDC 譜的形狀和特征峰的位置。例如，較低的升溫速率可以使譜圖中的峰更加尖銳，有利于準(zhǔn)確分析材料的特性。
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