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)材料上施加一個電場時，材料內(nèi)部的偶極子(具有正負電荷中心不重合的分子或離子團)會在電場作用下發(fā)生取向排列，同時電荷也會在材料內(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)生一個隨時間變化的電流，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極，氧端指向電場的正極。
同時，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，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，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)到隨機分布的狀態(tài)。這個過程中，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：，其中是一個與材料和實驗條件有關(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)，這個譜圖包含了材料的極化機制、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，施加一個極化電場對樣品進行極化，極化時間通常根據(jù)材料和實驗要求而定，一般在幾分鐘到幾小時之間。
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行加熱，同時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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