WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

В случае ФИП основным параметром, определяющим результат воздействия на нанотрубку, является величина дозы (ускоряющее напряжение составляло фиксированные 30 КэВ). Для уменьшения получаемых зазоров было предложено проводить многопроходную обработку нанотрубок при заниженной в несколько раз дозе одного прохода. В этом режиме нанотрубка постепенно накапливала дефекты, которые в итоге приводили к её локальному разрушению. Таким образом были получены разрезы протяжённостью 40-10 нм (рис. 7).

Рис. 7. Пучок УНТ на проводящих дорожках, разрезанный при помощи ФИП по многопроходной методике (NanoFab-100, ФИП изображение);

вверху – до разрезания; внизу – после разрезания Описываются закономерности формирования молекулярного проводника между УНТ электродами. Напряжение формирования молекулярного проводника в эпоксидиановой матрице, введенной в такую структуру, составляло от 3 до 10 В, для зазоров от 10 до 400 нм.

Полученные планарные молекулярные проводники отличались большой стабильностью даже в неотвержденной матрице, что может быть связано как с меньшими, относительно системы зонд – подложка, дрейфами электродов, так и с эпитаксиальным влиянием поверхности твердого тела.

Показано, что проводимость планарных молекулярных проводников проявляет чувствительность к внешнему электрическому полю. Для всех исследованных структур наблюдалось увеличение проводимости при отрицательном смещении затвора, в то время как реакция на положительное смещение менялась в зависимости от структуры. В результате, примерно половина структур проявила униполярную управляемость, в то время как другая половина – биполярную. Приложение к затвору положительного фронта напряжения приводило к увеличению сопротивления, вплоть до перехода структуры в стабильное высокоомное состояние. Для возврата в исходное состояние необходимо было вновь приложить напряжение сток – исток не более 10 В. В этом режиме работы экспериментальное устройство проявляло свойства молекулярного переключателя или энергонезависимой ячейки памяти. На рис. 8 приведён пример семейства ВАХ одной из структур. Роль затвора играл слой высоколегированного кремния, расположенный под слоем термического оксида толщиной 200 нм. Основной вклад в сопротивление структуры вносят контактные сопротивления нанотрубка/проводящая дорожка.

Следует также отметить, что в качестве электродов использовались многостенные углеродные нанотрубки, которые сами по себе не проявляли сколько-нибудь заметной управляемости.

Рис. 8. ВАХ цепи с молекулярным проводником при различных напряжениях затвора Ug: 1 – Ug = В; 2 – Ug = - 10 В; 3 – Ug = 10 В.

Кривая 4 соответствует молекулярному проводнику после переключения напряжения затвора с 20 на +20 В, со времен переходного процесса порядка 0,1 мс.

Кроме ВАХ линейного типа наблюдались также нелинейные ВАХ, и ВАХ с выраженным напряжением «включения». На рис. 9 приведено распределение исследованных структур по типам ВАХ.

Рассматриваются различные теоретические модели применительно к описанию электронного транспорта в исследуемых структурах.

Рис. 9. Распределение экспериментальных структур по типам ВАХ; a- линейные ВАХ, b – степенные ВАХ переходящие в линейные при подаче определённого напряжения на затвор; c – степенные ВАХ; d – ВАХ с выраженным пороговым напряжением Показано, что ВАХ части структур согласуются с моделью латтинжеровской жидкости (ЛЖ) и представляют собой степенные зависимости I(V) характеризующиеся параметром, лежащим в диапазоне от 1 до 2,5 (с относительным среднеквадратичным отклонением ВАХ от указанной степенной зависимости от 2,0 до 3,4%).

Значение параметра взаимодействия g для исследуемых структур составило от 0,25 до 1. В приближении скейлинга по температуре, данные значения параметра g означают, что отталкивающее электронэлектронное взаимодействие оказывает относительно слабое влияние на транспорт в исследуемых 1D проводниках. Кроме того, это свидетельствует о малом вкладе в электронный транспорт туннелирования через барьеры вдоль ЛЖ, в частности, через внутримолекулярные переходы, разделяющие проводники на систему сегментов ЛЖ. Для ВАХ другой части структур, имеющих выраженное пороговое напряжение «включения», показано, что они согласуются с моделью квантового провода, спектр поперечного квантования которого целиком вытеснен из зоны проводимости электродов-«берегов».

Выдвинута гипотеза, что различие в типах ВАХ исследуемых структур обусловлено содержанием поверхностью диэлектрика случайным образом распределенных связанных зарядов. Кулоновский потенциал данных зарядов изменяет расположение уровней поперечного квантования молекулярного проводника относительно уровня Ферми металлических электродов. В рамках данной гипотезы также получает объяснение наблюдаемая для отдельных структур несимметричность порогового напряжения. Однако спрямление ВАХ, происходящее при приложении напряжения смещения к затворному электроду, в некоторых случаях носит униполярный характер (рис. 10), что свидетельствует о наличии суперпозиции нескольких механизмов модуляции проводимости.

Рис. 10. Статические ВАХ структуры на основе молекулярного проводника в эпоксидиановой матрице при различных напряжениях затвора Ug:

1- Ug=0;

2, 3 - Ug= ±10 В Относительно механизмов модуляции проводимости молекулярного проводника поперечным полем затвора отмечено, что объяснение наблюдаемых эффектов, возможно, потребует привлечения теории молекулярной механики и описания перестройки молекулярного проводника в поперечном электрическом поле вблизи поверхности твёрдого тела. В то время как продольное электрическое поле сток – исток ориентирует молекулы в линейные проводящие цепочки, поперечное поле затвора должно вызывать частичную переориентацию молекул. Кроме того, внешнее электрическое поле может влиять на взаимную пространственную ориентацию бензольных колец, входящих в состав молекулярных цепочек. Согласно ряду работ, ориентация бензольных колец влияет на перекрытие -орбиталей и тем самым модулирует электрическую проводимость молекулы.

В четвёртой главе представлены результаты исследования композитного материала основанного на молекулярных проводниках.

Высказано предположение, согласно которому для перехода от дискретных элементов к макроскопическому материалу необходимо обеспечить условия упорядочивания молекул диэлектрической матрицы в молекулярные проводники в значительном объеме матрицы. Согласно результатам, изложенным в главе 2, это означает необходимость обеспечить в соответствующих участках матрицы электрическое поле, которое будет иметь осевую пространственную конфигурацию, и величина которого будет превышать критическое значение. Простой вариант создания такого электрического поля достигается при помощи введения в исходную матрицу проводящих частиц определённой геометрии, причём концентрация данных частиц должна быть ниже порога перколяции (т.е. частицы должны быть отделены друг от друга зазорами). При приложении внешнего электрического поля на проводящих частицах индуцируются электрические заряды (эффект поляризации проводящих частиц), что приводит к локализации электрического поля в зазорах между частицами. Геометрия частиц и величина зазоров между ними должны быть выбраны таким образом, чтобы локализация электрического поля удовлетворяла условиям формирования молекулярных проводников. В главе 3 было показано, что использование углеродных нанотрубок в качестве электродов молекулярного проводника позволяет обеспечить требуемую локализацию электрического поля для достаточно протяжённых зазоров (как минимум до 400 нм). Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности создания эффективного, с точки зрения электронного транспорта, интерфейса между молекулярным проводником и углеродной нанотрубкой. В связи с этим представляется целесообразным использование углеродных нанотрубок в качестве проводящих частиц, которые после внедрения в полимерную матрицу будут играть роль системы распределённых наноразмерных электродов и обеспечивать условия организации единой сети молекулярных проводников.

Описывается метод введения углеродных нанотрубок в эпоксидиановую матрицу, обеспечивающий отсутствие перколяции нанотрубок (средняя величина зазора, разделяющего нанотрубки, составляла порядка 200 нм). В основе лежит эмпирический способ определения порога перколяции, предполагающий использование рэперных образцов, в которых эпоксидиановая матрица заменена глицериновой, молекулы которой не способны осуществлять электронный транспорт.

Показано, что величина электрического поля, соответствующая переходу эпоксидианового образца композита в проводящее состояние, составляет ~ 2,8·107 В/м, что хорошо согласуется со значением, полученными в экспериментах с дискретным молекулярным проводником, и значением, рассчитанным на основе поляризуемости молекулы эпоксидиановой смолы (гл. 2).

Исходная удельная проводимость образцов композита составляла ~0,7·10-7 (Ом·м)-1. После перевода образцов в проводящее состояние, их удельная проводимость, в зависимости от метода структурирования матрицы, составляла от 0,6·10 - 4 (Ом·м)-1 до 10 (Ом·м)-1 (рис. 11). Различные методы приготовления проводящего композита были предложены в связи с обнаружением факторов, ограничивающих удельную проводимость получаемого композитного материала. Если к внешним электродам образца прикладывать постоянное напряжение смещения, то в полной мере проявляются следующие два ограничивающих фактора. Первый фактор может быть сформулирован следующим образом. Принципиальное отличие дискретного элемента от аналогичного элемента, выделенного в объёме композита, заключается в том, что в первом случае напряжение смещения, подаваемое на нанотрубные электроды, может быть сохранено постоянным в течение всего процесса формирования молекулярного проводника. В случае композита, обмен первыми электронами между соседними нанотрубками (а такой обмен может произойти уже на начальном этапе структурирования матрицы в молекулярный проводник) приведёт к выключению электрического поля в зазоре (электрическая ёмкость нанотрубок чрезвычайно мала) и прекращению процесса формирования молекулярного проводника.

После выравнивания потенциалов между двумя нанотрубками при помощи недоструктурированного молекулярного проводника аналогичный процесс повторяется для следующего зазора. В результате, несмотря на то, что образец композита переходит в проводящее состояние, его молекулярные проводники остаются слабоструктурированными и обладают большим сопротивлением.

Второй обнаруженный ограничивающий фактор заключается в образовании малого количества сквозных цепочек [нанотрубкамолекулярный проводник]n, что связано с перераспределением напряжения с образца на балластный резистор сразу после формирования первых сквозных цепочек. Необходимость наличия высокоомного балластного резистора, в свою очередь, обусловлена необходимостью ограничения переходного тока, возникающего в цепи при коммутации внешних электродов проводящими цепочками. В условиях отсутствия балластного резистора наблюдалось разрушение формируемых проводящих цепочек.

Показано, что влияние данных ограничивающих факторов может быть уменьшено посредством использования прямоугольных импульсов напряжения, характеризующихся крутым фронтом, а также посредством механического воздействия на образец (включая ультразвуковое воздействие). Согласно используемой модели, указанные меры позволяют локализовывать электрическое поле на отдельных участках композитного материала и в результате увеличивать концентрацию и степень структурированности молекулярных проводников.

Для выяснения верхнего предела проводимости исследуемого композитного материала был проведён эксперимент с образцами малой протяжённости (300 мкм), для которых указанные ограничивающие факторы могут быть минимизированы. Достигнутая проводимость таких образцов, однако, была ограничена мощностью используемого источника питания. Тем не менее, она на 2-3 порядка превысила удельную проводимость традиционных композитных материалов на основе перколированных нанотрубок. Таким образом, вопрос истинного предела проводимости предложенного материала остаётся открытым.

Отмечено, что рэперные образцы, в которых эпоксидиановая матрица была заменена на глицериновую, в описанных условиях не демонстрировали эффекта повышения проводимости, вплоть до напряжения пробоя матрицы.

Рис. 11. Удельная проводимость композитного материала для различных методик приготовления (номер методики указан на оси абсцисс); №1 – структурирование матрицы постоянным напряжением смещения, №2 – дополнительно поданы прямоугольные импульсы напряжения, №3 – дополнительно применены механические воздействия, №4 – дополнительно применено ультразвуковое воздействие, №5 – композитный материал малой протяжённости Затронут вопрос предполагаемых механических свойств исследуемого материала. Показано, что на основании высокой электрической эффективности интерфейса углеродная нанотрубка – молекулярный проводник можно ожидать также повышенной механической прочности композитного материала.

Получены образцы отверждённого композитного материала.

Показано, что данные образцы обладают проводимостью только относительно тех внешних электродов, через которые в процессе отверждения протекал электрический ток. Получены образцы, которые можно рассматривать как физическую модель тонкоплёночного (толщина 10-50 нм) композитного материала. Показано, что в данном случае, наряду с упомянутыми ограничивающими факторами (которые сохраняют свою актуальность и для 2D систем) имеет место ухудшение параметров интерфейса нанотрубка/молекулярный проводник вследствие применения поверхностно-активного вещества при формировании монослоя нанотрубок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Выполнено численное моделирование молекулы эпоксидиановой смолы и системы молекула – кластер металла; на основе полученной из модели величины поляризуемости рассчитана критическая напряжённость электрического поля формирования молекулярного проводника, получено согласие с экспериментом;

показано, что верхние занятые и нижние свободные молекулярные орбитали относятся к -орбиталям, причём их энергия и степень делокализации позволяют сделать вывод о возможности участия данных орбиталей в электронном транспорте.

2. Выявлено необходимое условие формирования молекулярного проводника в матрице эпоксидиановой смолы, связанное с пространственной конфигурацией внешнего электрического поля.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»