WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 2 Фотовольтаический эффект в пленках поли(алкилтиофена) на кремниевой подложке © А.С. Комолов Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета, 198904 Петродворец, Санкт-Петербург, Россия E-mail: komolov@mph.phys.spbu.ru (Поступила в Редакцию 12 мая 2000 г.) Проведено исследование фотопотенциала для серии сандвичных структру на основе пленок поли(3-додецилтиофена) с характерными толщинами 100 и 500 nm, осажденных из раствора на n-Si и p-Si-подложки.

Полупрозрачные Al и Au электроды были термически напылены на поверхность пленок. Отчетливый фотоотклик наблюдался в пленках на n-Si подложке. Обнаружены две четко выраженные спектрaльные компоненты фотопотенциала в диапазоне энергий падающих квантов 1.3-3.6eV (900-300 nm). Первая компонента соответствует краю поглощения Si подложки (1.4-1.6eV). Другая компонента соответствует области - поглощения пленок политиофена (1.7–2.1 eV). Зависимости фотопотенциала от интенсивности излучения различны для двух спектральных компонент. Время релаксации фотоотклика в случае второй компоненты, связанной с поглощением в пленке, составляет 10-20 минут, что на 3–4 порядка выше, чем время релаксации первой компоненты. Предложена модель потенциального барьера на границе раздела политиофен/n-Si, возникающего в результате химического взаимодействия молекул политиофена с подложкой, позволяющая объяснить основные экспериментальные результаты.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 99-0333427) и Российской программы ”Поверхностные Атомные Структуры” (грант № 4.3.99).

Электронные свойства тонких пленок полупроводни- 1. Эксперимент ковых полимеров, таких как полипиррол, полифениленвенилен и политиофен, привлекают в последнее время Исследуемые слоистые структуры были изготовлены на основе пленок региорегулярного поли(3-додебольшое внимание исследователей [1–3]. Это связано с возможностью использования этих пленок в светоиз- цилтиофена) (ПДДТ) (рис. 1), осажденных из раствора в ксилене. Толщина пленок была 500 и 100 nm. Толщины лучающих и фотоэлектрических устройствах микроэлекопределялись с помощью метода вольт-фарадных характроники [3–5]. Закономерности протекания зарядов в теристик [12], а также с помощью оптической интертаких структурах осбуждаются в приближении линейференционной микроскопии. Длина полимерных цепочек ного хода потенциала в пленке [6]. Важную роль для ПДДТ достигала 50 мономеров тиофена, как это следует понимания физико-химических основ фотовольтаических из сравнения спектров оптического поглощения пригопроцессов играет изучение процессов взаимодействия товленных пленок с литературными данными [13,14].

таких органических пленок с металлами и полупроводПленки были нанесены на n-Si- и p-Si-подложки никами. Процессы взаимодействия при термическом на(10 Ohm · cm), которые были обработаны травлением пылении органических пленок интенсивно исследуются в HF и кипячением в смеси H2O2/H2SO4 перед наметодами электронной спектроскопии [7,8]. Показано, несением пленок. После такой стандартной процедуры что для взаимодействия ароматических макромолекул, на поверхности остается слой оксида кремния толтаких как политиофен, с металлическими и полупроводщиной 3-4nm [12]. Верхние электроды были нанениковыми подложками характерно образование донорносены на поверхность пленок путем термического наакцепторных связей с переносом отрицательного заряда пыления полупрозрачных слоев Au или Al в вакуиз пограничной области в подложку [7,9–11]. Учет уме (10-5 Tor) и имели площадь поперечного сечеэтих процессов требует корректировки приближения линейного хода потенциала в пленке и учета свойств потенциального барьера на границе раздела.

В данной работе анализируются результаты исследований спектра фотопотенциала, зависимостей фотопотенциала от интенсивности излучения и его переходных характеристик для серии структур на основе пленок поли(алкилтиофена). Наблюдаемые явления обсуждаются с учетом зонных энергетических характеристик этих пленок, а также с учетом свойств потенциального барьера Рис. 1. Химическая структура фрагмента молекулы на границе раздела пленка/n-Si подложка. поли(3-додецилтиофена).

380 А.С. Комолов ния 0.1 cm2. Уменьшение интенсивности падающего излучения в слое полупрозрачного электрода было измерено и принято во внимание при анализе фотовольтаических характеристик.

Исследование свойств фотопотенциала производилось в атмосферных условиях при комнатной температуре на автоматизированной установке, подробно описанной в нашей предыдушей работе [15]. Для измерения спектральных характеристик была выбрана интенсивность излучения 1014 photon/cm2 · s, что соответствует значениям (2-7) · 10-5 W · cm-2 в используемом диапазоне энергий падающего кванта 1.3-3.6eV (диапазон длин волн 900-300 nm).

2. Результаты и обсуждение Четко выраженный фотовольтаический эффект был обнаружен в структурах, изготовленных на подложке n-Si. Внешний электрод имел положительный потенциал относительно подложки, его значения достигали 0.15 V Рис. 3. Зависимость фотопотенциала от интенсивности излупод действием излучения 1014 photon/cm2 · s в видимом чения: a и b — при энергиях падающих квантов 1.9 и 1.4 eV диапазоне длин волн. Наблюдаемые значения фотопотенсоответственно.

циала существенно выше представленных в литературе значений для аналогичных структур [5]. Фотопотенциал в структуре n-Si/пленка/Au обладает четко выраженной в структурах на основе полупроводниковых органичеспектральной зависимостью в диапазоне энергий кванта ских пленок другого типа на подложке n-Si нами также от 1.3 до 3.6 eV (рис. 2). Спектр фотопотенциала имеет было обнаружено наличие двух спектральных комподве отчетливые компоненты. Первая компонента (наинент [15].

более резкие пики) расположена в диапазоне энергий Для двух компонент фотопотенциала было обнаружеот 1.4 до 1.6 eV. Наличие этой компоненты связано с но различное поведение зависимостей фотопотенциала поглощением излучения в приповерхностной области от интенсивности излучения и различные переходные подложки n-Si [13,16]. Другая спектральная компоненхарактеристики. Зависимости фотопотенциала в структа фотопотенциала представлена более широким пиком турах n-Si/ПДДТ/Au от интенсивности излучения предв области 1.7-2.2 eV. Ее энергетическое положение соответствует энергии поглощения межзонных - ставлены на рис. 3. В случае спектральной компоненты, обусловленной поглощением излучения в пленке переходов в пленке политиофена, 2.1-2.2 eV в соот(энергия кванта 1.9 eV), зависимость фотопотенциала от ветствии со спектром оптического поглощения пленок интенсивности (рис. 3, a) имеет степенной характер с ПДДТ [13] и с литературными данными [2,17]. Слепоказателем степени порядка 0.5. При энергии падаюдует отметить, что при исследовании фотопотенциала щего кванта 1.4 eV (рис. 3, b) фотопотенциал растет линейно с ростом логарифма интенсивности, что типично для фотопотенциала, обусловленного фотовозбуждением носителей заряда в обедненном слое Шоттки [18].

Для переходных характеристик фотопотенциала в области поглощения пленки ПДДТ характерны времена релаксации, достигающие десятков секунд (рис. 4, a).

Это может быть обусловлено наличием локализованных состояний и малой подвижностью носителей заряда в этих пленках, на что указывалось в литературе [3,19].

Времена релаксации переходных характеристик в области края поглощения кремния, 1.4 eV (рис. 4, b), на несколько порядков меньше.

Обнаруженный фотовольтаический эффект в структурах в подложкой n-Si не зависит от материала внешнего электрода (Au или Al). Более того, аналогичРис. 2. Спектр фотопотенциала в структуре n-Si/ПДДТ/Au.

Интенсивность излучения 1014 photon/cm2 · s. ные результаты были получены нами в условиях, коФизика твердого тела, 2001, том 43, вып. Фотовольтаический эффект в пленках поли(алкилтиофена) на кремниевой подложке тур с подложкой n-Si можно объяснить, используя зонную энергетическую диаграмму (рис. 5). Упрощенный вариант диаграммы использовался нами ранее для объяснения свойств проводимости для серии структур на основе пленок ПДДТ [13]. На диаграмме используются значения зонных энергетических параметров n-Si, пленки ПДДТ и металлических электродов, соответствующие литературным данным [4,6,16], а также нашим данным по оптическому поглощению пленок ПДДТ [17]. Края зон Ec и Ev в ПДДТ понимаются в смысле, принятом для некристаллических полупроводников [2]. Существенную роль при формировании фотопотенциала играют изгибы зон в области интерфейса n-Si/ПДДТ (рис. 5). Величины изгибов зон в n-Si и в пленке оценены, исходя из того факта, что нарастание фотопотенциала приходило к насыщению при интенсивностях более 5·1014 photon/cm2 ·s.

Предполагается, что на границе раздела имеется тонкий слой SiO2, роль которого в наблюдаемых фотовольтаиРис. 4. Переходные характеристики фотопотенциала в струкческих процессах еще не до конца понятна.

туре n-Si/ПДДТ/Au: a и b — при энергиях падающих квантов 1.9 и 1.4 eV соответственно. Основной причиной возникновения изгибов зон (рис. 5) является затягивание -электронных орбиталей ПДДТ в сторону подложки. Наличие такого переноса заряда было экспериментально установлено при исследовании взаимодействия ряда ароматических молекул с поверхностью кремния [7,9–11]. Дополнительный отрицательный заряд на интерфейсе приводит к образованию обедненного слоя в n-Si. Затягивание -электронных орбиталей молекул ПДДТ вследствие донорно-акцепторного взаимодействия с подложкой приводит к образованию слоя положительного заряда в Рис. 5. Зонная энергетическая диаграмма структуры nпленке ПДДТ вблизи интерфейса. Характерная толщина Si/(SiO2)/ПДДТ(PDDT)/Au (или Al). Энергии Ферми металтакого слоя составляет до 10 nm [7,9]. Фотодырки, возбулических электродов, электронное сродство, потенциал ионижденные в этом слое, дрейфуют к интерфейсу и компензации Si, потенциал ионизации пленки ПДДТ(PDDT) указаны сируют отрицательный заряд в нем. При этом происходит в eV.

понижение потенциального барьера на интерфейсе, что приводит к образованию компоненты фотопотенциала в области энергий кванта 1.7-2.2 eV. Величина понижения гда вместо внешнего электрода использовался пучок барьера пропорциональна концентрации фотовозбужденмедленных электронов в вакууме [20]. Можно заных дырок, что проявляется в степенной зависимости ключить, что интерфейс внешний электрод/пленка не фотоотклика от интенсивности (рис. 3, a). Медленная влияет на наблюдаемый эффект. Интересным эксперирелаксация фотопотенциала определяется дрейфом фоментальным результатом является то, что характериститодырок в области поляризационного барьера в пленки фотопотенциала для пленок ПДДТ толщиной ке. Другая компонента фотопотенциала, находящаяся в и 500 nm совпадали. Это говорит о том, что фотопообласти энергий кванта 1.4-1.6 eV, обусловлена фототенциал, наблюдаемый даже в спектральной области электрическими процессами в обедненном слое n-Si по поглощения ПДДТ, обусловлен процессами в области механизму Шоттки, что проявляется в линейной завипленки, прилегающей к интерфейсу n-Si/пленка, а не симости от логарифма интенсивности и относительно во всем объеме пленки. В исследуемых структурах с быстрой релаксации фотопотенциала. Отсутствие фотоp-Si подложкой эффект фотопотенциала не наблюдалпотенциала в исследуемых структурах с подложкой p-Si ся. Также не был обнаружен фотопотенциал в структурах типа металл/пленка/металл при различных ком- связано с тем, что при возможном образовании донорнобинациях подложек и верхних электродов, изготовлен- акцепторных связей на интерфейсе отрицательный зярад ных из Au и Al. экранируется основными носителями в p-Si. Поскольку Механизм возникновения фотопотенциала, предста- их концентрация достаточно велика, то изгиба зон в вленного двумя компонентами, для исследуемых струк- области интерфейса практически не происходит.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 382 А.С. Комолов Список литературы [1] M. Nechtstein. In: J.P. Farges. Organic conductors. Marcel Dekker, N.Y. (1994). P. 647.

[2] C. Ziegler. In: H.S. Nalwa. Handbook of organic conductive molecules and polymers. Wiley, N.Y. (1997). P. 677.

[3] R.H. Friend, N.C. Greenham. In: T.A. Skotheim et al.

Handbook of Conducting Polymers. Second Edition. Marcel Dekker, N.Y. (1998). P. 823.

[4] Y. Yang. MRS Bulletin. June, 31 (1997).

[5] C. Kvarnstrom, A. Ivaska. In: H.S. Nalwa. Handbook of organic conductive molecules and polymers. Wiley, N.Y.

(1997). P. 487.

[6] I.D. Parker. J. Appl. Phys. 75, 3, 1656 (1994).

[7] H. Iskii, K. Sugiyama, E. Ito, K. Seki. Adv. Mater. 11, 8, (1999).

[8] W.R. Salaneck, S. Statsfrom, J.L. Bredas. In: Conjugated polymer surfaces and interfaces. Cambridge University Press, Cambridge (1996). P. 1.

[9] Th. Kugler, U. Thibaut, M. Abraham, G. Folkers, W. Gpel.

Surf. Sci. 260, 64 (1992).

[10] T. Chasse, C.I. Wu, I.G. Hill, A. Kahn. J. Appl. Phys. 85, 9, 6589 (1999).

[11] I.G. Hill, A. Kahn. J. Appl. Phys. 84, 10, 5583 (1998).

[12] A.S. Komolov, V. Monakhov, K. Schaumburg et al. Phys. LowDim. Struct. 10, 41 (1997).

[13] A.S. Komolov, K. Schaumburg, V. Monakhov. Synth. Met. 105, 1, 29 (1999).

[14] T. Bjornholm, D. Greve, T. Geisler et al. Adv. Mater. 8, 11, 920 (1996).

[15] A.S. Komolov, K. Schaumburg, V. Monakhov. Thin Solid Films. 311, 1–2, 259 (1997).

[16] S.M. Sze. Physics of semiconductor devices. Sect. 1.6, Append.

H. Wiley, N.Y. (1981).

[17] J.L. Bredas, G.B. Street, B. Themans et al. J. Chem. Phys. 83, 3, 1323 (1985).

[18] R.H. Bube. Photoelectronic properties of semiconductors.

Cambridge University Press, Cambridge (1992). P. 318.

[19] H.G. Keiss. Conjugated conducting polymers. Springer-Verlag, Berlin (1992).

[20] E.F. Lazneva, N. Andreeva, A.S. Komolov et al. Phys. LowDim. Struct. 10, 71 (1997).




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.