研究聚合物電介質在亞微米尺度微區結構中的表面電學特性,具有極其重要的理論價值及潛在的應用價值。近年來,采取可靠的實驗手段在顯微結構下有效地表征這些性能已成為聚合物納米復合電介質材料研究領域的焦點問題。研究電介質材料微區結構中的表面電學特性,對于改進與提高聚合物電介質材料的性能和應用水平具有重要的科學意義和實用價值。
掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope,SPM)是一種可對物質的表面微結構、表面性質等信息進行綜合測量和分析的重要工具。本論文以SPM為基礎,探索了采用SPM表征聚合物亞微米尺度微區結構表面電特性的方法,并且研究了材料表面、復相材料分界處域的微區結構電學特性。設計了采用掃描探針顯微鏡,利用帶有導電涂層的微探針在聚合物表面亞微米區域穩定注入電荷的方法。通過接觸帶電的方法,使得聚合物材料表面穩定帶電后,再采用不同的電學工作模式—靜電力顯微鏡(EFM)、開爾文力顯微鏡(KFM)等方法,研究了探針涂層、注入電壓極性等因素對電荷注入效果、電荷極性等的影響。然后,利用以上實驗方法,對比研究了原始(100HN)和耐電暈(100CR)二種聚酰亞胺薄膜的表面電荷特性,根據EFM相位信號和KFM電勢信號分析指出了,100CR由于摻雜了納米顆粒A1203,使得薄膜的注入勢壘增大、電阻率減小。這使得100CR上表面電荷積累減少,約為100HN積累量的50%;消散速度加快,約為100HN的4～5倍,這些因素導致其耐電暈性能得到加強。基于靜電力顯微鏡(EFM)建立了一種比較不同材料表面介電常數的方法,進而可以在復合材料亞微米尺度微結構區域二相分界處,有效區分不同組分材料的介電常數差異,克服了一般介電譜測量方法缺少空間分辨率的不足。
通過改變施加到針尖的直流電壓,可以得到針尖振動相位的偏移,然后計算得到被測樣品的特征曲線:tan(Δθ)—VEFM。擬合后特征曲線的二次項系數a與介電常數ε存在增函數關系:(?)a/(?)ε0。然后利用以上實驗方法,定性的分析了單相、二相材料的介電常數特性,尤其在制備的云母—聚乙烯、石墨—聚乙烯、石墨—云母等二相材料分界處,該方法效果明顯。提出一種靜電力顯微鏡測量表面電勢的方法,解決了開爾文力顯微鏡表面電勢測量范圍有限的問題。該方法的優點在于:在不增加硬件投入的情況下,表面電勢能的測量范圍增加了;使得靜電力顯微鏡(EFM)的相角測量和表面勢能測量功能在同一個工作模式下進行,減少了探針起落容易引起的漂移、定位不準等問題;通過數學擬和得到特征曲線參數,在表面勢較大時,可以估算出表面勢大小。這些實驗方法擴展了掃描探針顯微鏡在研究材料電特性的應用領域,為深入研究納米電介質材料提供了更豐富的手段。