Density functional theory (DFT) calculations of polyethylene (PE) HVDC cable insulation have been performed for systems containing four different chemical impurities: acetophenone, cumene, $\alpha$-methyl styrene and $\alpha$-cumyl alcohol. Systems were generated by molecular dynamics (MD) equilibration at four different temperatures relevant for cable insulation applications: 277 K, 293 K, 343 K and 363 K. With the goal of gaining better measure of variations in hole and electron traps energies, four initial configurations were also stochastically generated at each temperature, which yielded four different final configurations after equilibration. The counterpoise correction scheme was implemented for DFT calculations, by distributing ghost atoms thought any empty pockets of space in between the PE chains. The PBE functional was selected for DFT simulations. The resulting band gaps were in agreement with those of earlier GGA-based studies, and thus lower by 3 eV than empirical band gaps. For all impurities, the first HOMO state and the first two LUMO states were generally located on the impurity molecule, forming one hole trap and two electron traps, but certain configurations generated increased electron trap numbers, or eliminated hole traps. No dependence could be derived between temperature and trap depth for either electron or hole traps. Mean electron trap energies were largely in agreement with results from earlier studies, they were deepest for acetophenone, and they varied by as much as 0.6 eV between different configurations. Hole traps are universally shallow and vary by up to 0.7 eV between configurations, and are similar in depth for all impurities. Results suggest that electron trap depths correlate with the presence of molecular features such as oxygen atoms and conjugated double bonds. The dependence of trap depth on the spatial configuration of the impurity molecule suggests that results could be improved by more precise quantum mechanical treatment of the dynamics of the impurity. / Täthetsfunktionalteori (DFT) har använts för beräkningar av isolering till HVDC kablar som består av polyeten innehållande fyra olika kemiska orenheter: acetofenon, kumen, alfa-metylstyren och alfa-kumylalkohol. System att studera genererades genom molekylärdynamisk ekvilibrering vid fyra olika temperaturer relevanta för tillämning till kabelisolering: 277 K, 293 K, 343 K och 363 K. För att få ett mått på de variationer som existerar i energierna på hål- och elektronfällor genererades stokastiskt fyra initialkonfigurationer vid varje temperatur, vilket fyra olika konfigurationer efter relaxering. Motviktskorrigering implementerades för DFT-beräkningar, genom att fördela "spökatomer" i de tomrum som bildas mellan PE-kedjorna i den amorfa fasen. PBE-funktionalen användes för DFT-simuleringar. De resulterande bandgapen stämde överens med tidigare GGA-baserade studier, och var därmed runt 3 eV smalare än empiriskt uppmätta bandgap. För alla orenheter var det första HOMO-tillståndet och de två första LUMO-tillstånden i allmänhet placerade på orenheten, vilket resulterade i en hålfälla och två elektronfällor, men vissa konfigurationer gav upphov till fler elektronfällor, eller eliminerade hålfällorna. Inget samband kunde härledas mellan temperaturen och djupet på fällorna för vare sig elektron- eller hålfällor. Medelvärdet på elektronfällornas energier överensstämde till stor del med resultat från tidigare studier, energierna var högst för acetofenon, och de varierade med så mycket som 0,6 eV mellan olika konfigurationer. Hålfällorna var genomgående grunda, varierade med upp till 0,7 eV mellan olika konfigurationer, och hade likartat djup för alla orenheter. Resultaten indikerar att variationerna elektronfällornas medeldjup uppstår på grund av orenheternas olika molekylära uppbyggnad: förekomst av syreatomer och konjugerade dubbelbindningar i orenheterna leder till djupare elektronfällor. Det faktum att djupet på elektron- och hålfällor varierar mellan olika rumsliga konfigurationer av av orenheten och polyetenstrukturen ger en antydan om att resultaten kan komma att förbättras om dynamiken hos orenheten simuleras med mer exakta kvantmekanisk metoder.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-320646 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Pierre, Max |
| Publisher | KTH, Tillämpad fysik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2022:255 |
Page generated in 0.0024 seconds