WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 10 Перенос заряда в системе металл–полимер–нанокристаллический металл © А.Н. Лачинов, Т.Г. Загуренко, В.М. Корнилов, А.И. Фокин, И.В. Александров, Р.З. Валиев Институт физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук, 450025 Уфа, Россия Институт физики перспективных материалов, 450000 Уфа, Россия E-mail: LPP-IPMC@anrb.ru (Поступила в окончательном виде 15 декабря 1999 г.) Представлены результаты исследования электропроводности в системе нанокристаллический металл– полимер–металл в зависимости от температуры. Обнаружено, что при температурах структурных превращений нанокристаллических электродов происходит переход указанной системы в высокопроводящее состояние.

Результаты интерпретируются в рамках модели зарядовой неустойчивости, возникающей в тонких пленках полимеров при изменении граничных условий.

Настоящая работа выполнялась при частичной поддержке грантов РФФИ № 96-02-19208, 98-03-33322.

В настоящей работе представлены результаты ис- Однако вопрос о величине ЭРВ и характере ее изследования электропроводности в системе металл– менения в области структурного перехода металла до полимер–нанокристаллический металл (М-П-НМ). Ра- сих пор представляется неоднозначным [5]. Существуют нее, в работе [1], указывалось, что изменение эффек- разные точки зрения на соотношение ролей объемной тивной работы выхода электронов (ЭРВ), происходящее и поверхностной составляющих этого параметра [6–8].

при структурном превращении (плавлении) одного из Кроме того, известны взаимоисключающие мнения об электродов, может послужить причиной, приводящей отсутствии или наличии скачка работы выхода при струкк значительному увеличению тока, протекающего че- турных превращениях металлов. В частности, в раборез ”сандвич”-структуру типа металл–полимер–металл. те [9] убедительно показано, что при глубокой очистке Основанием для такого заключения служили следующие металла от различных примесей изменения работы выхопредпосылки. Для омического контакта распределение да в точке плавления не происходит. Наблюдается лишь потенциала в объеме полимера можно задать выра- изменение наклона температурного коэффициента РВЭ.

жением [2] Однако в той же работе отмечается, что при наличии примесей на поверхности металла наблюдается скачок эмиссии при плавлении. Если ток эмиссии J трактовать d/dx =(2q2nskT /)1/2 exp[-( - m + )/kT ] в терминах известного уравнения 1/J = A0(1 - R)T2 exp[-(T )/kT ], (3) - exp[-( - m)/kT, (1) где A0 = 120 A/cm2grad2, R — средний коэффициент где q — заряд электрона, ns — поверхностная конценотражения электронов от потенциального барьера на трация заряда, k — постоянная Больцмана, T — темгранице эмиттер–вакуум, (T ) — эффективная работа пература, — диэлектрическая проницаемость, m — выхода электронов, то изменение эмиссии может быть работа выхода металла, — работа выхода полимера, обусловлено либо изменением R, чтов работе [9] подвер — энергия сродства к электрону. Хорошо известно [3], гается серьезному сомнению, либо изменению (Tmelt.).

что (1) является следствием перераспределения зарядов Очевидно, что контактирующий с поверхностью мев приповерхностной области диэлектрика в результате талла слой модифицирует как эмиссионные свойства выравнивания уровней Ферми металла и полимера.

материала [10,11], так и температурное поведение эмисИзменение потенциала влечет за собой соответствусии вблизи температуры структурных превращений мающее изменение инжекционного тока, плотность кототериалов [9,12,13], что подразумевает соответствующее рого в полимере, согласно [4], без учета диффузионной изменение эффективной работы выхода.

составляющей, можно представить в виде При определенных условиях наличие примесного слоя на поверхности металла может стимулировать эмиссиJ = -n(x)µd/dx, (2) онные свойства металла в области структурных перегде µ — подвижность носителей заряда. Из сравнения со- ходов. Можно ожидать, что подобный эффект скажется отношений (1) и (2) следует, что изменение по какой-то при замене этого слоя на макроскопическую пленку из причине ЭРВ металла может вызвать соответствующее диэлектрика, в результате чего произойдет модификаизменение величины протекающего через полимер тока. ция инжекционных свойств металлического электрода Перенос заряда в системе металл–полимер–нанокристаллический металл в области его структурных переходов. В настоящей работе предполагалось проводить измерения инжекционного тока (тока из металла в твердый диэлектрик) в условиях нестационарного изменения температуры в системе металл–диэлектрик–металл. Сложность заключалась в относительно малой ожидаемой величине изменения инжекционного тока. Для увеличения такого изменения предполагалось использовать известный полимерный диэлектрик с нелинейными электрофизическими свойствами. Нелинейность свойств заключалась в том, что при относительно небольшом изменении концентрации объемного заряда в полимере за счет его инжекции из металлического электрода в полимерной пленке может происходить электронный переход из диэлектрического в высокопроводящее состояние. В наРис. 1. Структуры в образце Cu, подвергнутом интенсивной стоящее время известно несколько способов реализации пластической деформации кручением, наблюдаемые в электакого состояния [14–16].

тронном микроскопе — светлопольное изображение совместно В работах [1,17] изменение эффективной работы выс дифракционной картиной.

хода осуществлялось за счет плавления одного из электродов (In или сплав Вуда). Между тем, согласно нашей гипотезе, способ изменения ЭРВ не должен иметь существенного значения. Принципиальным для понимания Нанокристаллическая структура идентифицировалась причин увеличения проводимости в системе металл– методами электронной микроскопии, рентгеноструктурполимер–металл является выбор такого механизма изного анализа и сканирующей туннельной микроскопии менения ЭРВ металла, при котором не изменяется его (СТМ). Ранее было показано [23], что в Cu и Ni агрегатное состояние. Нанокристаллическое состояние в результате ИПД кручением формируется ультрамелв металлических образцах является неравновесным и козернистая структура с размером зерен-кристаллитов потому во время отжига при относительно небольших около 50–100 nm и высоким уровнем микроискажений температурах до T 0.4Tmelt. в результате структурного кристаллической решетки, неравновесными границами превращения восстанавливается первоначальная крупнозерен, содержащими внесенные зернограничные дислозеренная структура металла [18]. Ожидалось, что при кации высокой плотности, повышенными статическими интенсивной пластической деформации (ИПД) кручении динамическими атомными смещениями (рис. 1).

ем металла может произойти значительное увеличение На рис. 2 представлены изображения и профили поЭРВ, оценка которого, согласно [19,20], дает величину верхности нанокристаллической меди, полученные метоболее 0.1 eV. В ходе же низкотемпературного отжига продом СТМ. Отметим, что СТМ позволил осуществлять изойдет восстановление начального значения ЭРВ, что и контроль поверхности образов на всех этапах проведедолжно было отразиться на параметрах потенциального ния эксперимента. На рисунке для сравнения предстабарьера на границе металл–полимер и соответственно влены изображения поверхности образцов до и после протекании инжекционного тока в системе М-П–НМ.

низкотемпературного отжига. Хорошо видна разница в В связи с этим целью работы явилось изучение ососредних размерах зерен. По мере отжига размер зерен бенностей переноса заряда в указанной выше системе увеличивался, что нашло свое отражение и в изменении в области температуры структурных превращений нанопрофиля поверхности (рис. 2). Можно заключить, что кристаллического металла.

результаты контроля морфологии поверхности нанокристаллических образцов, полученные двумя разными методами, — просвечивающей электронной микроскопией 1. Объекты и методы исследования на фольгах и сканирующей туннельной микроскопией на масcивных образцах, использованных в реальном В связи со сказанным выше в настоящей работе эксперименте, находятся в хорошем согласии.

в качестве электродов (НМ) были выбраны металлы с нанокристаллической структурой — Cu и Ni. На- В качестве полимерной прослойки в М–П–НМ системе использовалась пленка поли(фталидилиденнокристаллическая структура металлических образцов создавалась методом интенсивной пластической дефор- бифенилилен)а (ПФБ). Выбор ПФБ объяснялся слемации кручения. Как правило, условия деформирования дующими причинами. Во-первых, ПФБ является одним образцов были следующие: давление 6 GPa, деформация из полимеров, в которых ранее наблюдались переходы в кручения = 5. В последние годы этот метод ИПД высокопроводящее состояние, с наиболее хорошо изубыл успешно использован для получения наноструктур ченными электрофизическими свойствами. Во-вторых, в различных металлах и сплавах [21,22]. ПФБ обладает хорошими пленкообразующими свойстваФизика твердого тела, 2000, том 42, вып. 1884 А.Н. Лачинов, Т.Г. Загуренко, В.М. Корнилов, А.И. Фокин, И.В. Александров, Р.З. Валиев Рис. 2. Изображения и профили поверхности нанокристаллической меди, полученные методом CTM. a — вид зеренной структуры на поверхности образца меди после интенсивной пластической деформации кручением до температурного отжига. Размер скана 5.8 5.8 µm. Внизу профиль поверхности, разница высот в точках пересечения с измерительными линиями 24 nm; b —вид зеренной структуры того же образца после циклического отжига в интервале температур 20-270C. Размер скана 5.8 5.8 µm.

Внизу профиль поверхности, разница высот в точках пересечения с измерительными линиями 56 nm.

ми. Так, в работах [24–26] было показано, что существуют условия, при которых пленки ПФБ получаются однородными и качественными в интервале толщин, используемых в работе. Недавно проведенные исследования однородности пленок ПФБ с помощью туннельного сканирующего микроскопа [27] подтвердили эти выводы. И, в третьих, ПФБ является термостойким полимером [28], который не имеет никаких особенностей в температурной зависимости проводимости вплоть до температуры размягчения (на воздухе 360C), что позволяет использовать его в температурном интервале интенсивных структурных изменений в нанокристаллических образцах меди и никеля (100-250C).

Полимерную пленку получали из раствора ПФБ в циклогексаноне методом центрифугирования на полированном ванадиевом электроде. СТМ-изображение поверхности ванадиевого электрода и профиль поверхности приведены на рис. 3, на котором видно, что уровень шероховатостей значительно меньше толщины пленки.

В экспериментах использовались полимерные пленки различной толщины в интервале 0.5-1 µm. Качество и однородность полимерной пленки контролировались методами оптической и просвечивающей электронной микроскопии аналогично [29], в последнем случае из-за большой толщины пленок использовался метод реплик.

Рис. 3. Изображение и профиль поверхности подложки из Кроме того, с целью контрольных экспериментов бы- ванадия, полученные методом CTM. Размер скана 5.85.8 µm, ла изготовлена полимерная пленка методом полива на разница высот в точках пересечения с измерительными линиями 52 nm.

поверхность жидкости. После сушки такой пленки при Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Перенос заряда в системе металл–полимер–нанокристаллический металл температуре 150C, что было необходимо для удаления 227C на зависимости I(T ) фиксируется трапециевидное остатков жидкости с поверхности и растворителя из изменение тока.

объема, ее помещали между электродами. СущественноБыли проведены контрольные эксперименты, в котого влияния способа изготовления пленки полимера на рых образцы с нанокристаллической структурой замерезультаты измерений не обнаружено, хотя очевидно, нялись образцами металлов Cu или Ni с равновесной что во втором случае условия контактирования между зеренной структурой. В этом эксперименте были испольповерхностью металла и свободной пленкой полимера зованы следующие образцы.

хуже, чем при непосредственном поливе полимера на 1) Исходный крупнозернистый металлический материэлектрод методом центрифугирования.

ал, из которого впоследствии были получены нанокриИзмерительная ячейка представляла собой плоссталлические образцы.

кую многослойную структуру типа ”сандвич”: ме2) Нанокристаллические образцы после отжига при талл (V)–полимер (ПФБ)–нанокристаллический металл 500C в течение 30 min, который, как известно [21], (Cu, Ni). Нанокристаллический полированный металполностью разрушает нанокристаллическую структуру.

лический образец прижимался полированной стороной Измерения показали полное отсутствие каких-либо к поверхности полимерной пленки, отлитой на поверхтемпературных особенностей проводимости системы в ности полированной пластины из ванадия. Ячейка помеисследуемом температурном интервале при использоващалась в нагревательное устройство, которое позволяло нии этих образцов.

производить нагрев и охлаждение образца с заданной Эволюция микроструктуры наноструктурных Cu и Ni скоростью изменения температуры по линейному закону.

при нагреве была подробно исследована в работах [21,22] Измерения тока, протекающего через экспериментальуказанными выше методами, а также методом диффеную ячейку, проводились по схеме, типичной для элекренциальной сканирующей калориметрии. Полученные трических цепей с нелинейной нагрузкой, обладающей результаты свидетельствуют о протекании интенсивных S-образным участком отрицательного дифференциальнорелаксационных процессов, связанных с перестройкой го сопротивления. Измерительная ячейка помещалась в дефектной структуры в ходе низкотемпературного отжинагревательное устройство, позволявшее нагревать ячейга. При этом данные процессы наблюдаются в темпераку с постоянной скоростью до температуры 350C.

турных интервалах 100-200C для меди и 180-220C в случае никеля. Важно отметить, что эти температурные интервалы близки к температурным интервалам, в 2. Результаты измерений которых происходят изменения электропроводности, обнаруженные в настоящей работе. Из этого факта можно На рис. 4 показана температурная зависимость тока, сделать вывод о том, что механизмы, инициирующие эти протекающего через систему М–П–НМ. При испольизменения, аналогичны и вызваны температурной трансзовании в качестве НМ медного образца повышение формацией микроструктуры металлических образцов.

температуры не приводит к изменению тока, вплоть до В результате последовательного повторения циклов 146C. В интервале температур от 146 до 173Cна завинагрев–охлаждение, в указанном выше интервале темпесимости I(T ) фиксируется пикообразное изменение тока.

Pages:     || 2 |



© 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.