WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 2 05;06;12 Электронная структура интерфейсов PTCDA/GaAs и NTCDA/GaAs © С.А. Комолов, Ю.Г. Аляев, Н.В. Потюпкин, И.С. Бузин Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока при Санкт-Петербургском государственном университете, 198504 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 26 мая 2004 г.) Были проведены исследования процесса формирования интерфейсов между органическими полупроводниковыми материалами PTCDA и NTCDA и поверхностью монокристалла GaAs (100). Применение спектроскопии полного тока позволило проследить особенности формирования интерфейсной электронной структуры. Между обоими органическими материалами и подложкой GaAs образуется связь за счет затягивания на подложку -электронного облака ароматического ядра молекул. При этом наблюдаются модификация соответствующих электронных состояний молекул интерфейсного слоя, а также возникновение диполя на интерфейсе.

Введение полупроводниками, проводились в ограниченном объеме [9]. Исследуемые материалы (рис. 1) являются В последнее время наблюдается постоянное возрас- полиароматическими соединениями с добавочными тание интереса к органическим полупроводниковым карбоксил-диангидридными группами. Они относятся к материалам. Применение таких материалов все более наиболее хорошо изученным и широко применяемым переходит из чисто научной в практическую область.

органическим полупроводниковым материалам.

На основе органических полупроводников разработаны Применение в качестве основной исследовательской разнообразные приборы. По устройству и принципу методики спектроскопии полного тока (СПТ) позволило действия они могут являться как аналогами известных изучать структуру плотности незаполненных электронприборов на основе неорганических материалов, так ных состояний (НЭС) органико-неорганических интери иметь совершенно новые конструкции (например, фейсов при различной толщине покрытия, начиная с субмногослойные светоизлучающие приборы) [1].

монослоев, а также отслеживать потенциал поверхности.

Для понимания работы полупроводниковых приборов К тому же данная методика не оказывает разрушающего важную роль играет изучение электронных процессов, воздействия на исследуемый объект, что особенно важно происходящих как в объеме полупроводника, так и в случае органических молекул.

в местах контактов материалов с различными свойствами. Определяющее влияние на свойства контактов Эксперимент оказывают явления на интерфейсе — области вблизи контакта двух веществ, в которой электронные свойИзучаемые покрытия выращивались in situ в вакуства отличаются от объемных за счет взаимодействия.

умной камере, в которой в процессе осаждения моЭлектронные состояния на интерфейсе могут претерлекул и измерения спектров поддерживался сверхвыпевать существенные изменения: возможно появление сокий (5 · 10-8 Pa) вакуум. Установка была оборудовановых, интерфейсных, состояний, а также модификация на четырехсеточным анализатором энергии электронов, собственных состояний, характерных для контактирующих веществ [2–4]. Это может привести к переносу электронного заряда в определенном направлении по отношению к интерфейсу, что выражается в изгибах зон в контактирующих веществах и поляризации органических молекул.

В данной работе представлены результаты исследований тонкопленочных покрытий двух известных органических полупроводниковых материалов — 1,4,5,8-тетракарбоксила-диангидрида нафталина (NTCDA) и 3,4,9,10-тетракарбоксила-диангидрида перилена (PTCDA), сформированных на поверхности монокристалла GaAs(001). В то время как процесс взаимодействия органических молекул с металлами и однокомпонентными полупроводниками достаточно хорошо исследован [5–8], работы, посвященные изучению интер- Рис. 1. Химическая структура молекул PTCDA (1) фейсов между органическими материалами и бинарными и NTCDA(2).

74 С.А. Комолов, Ю.Г. Аляев, Н.В. Потюпкин, И.С. Бузин что позволило применять такие методы исследования относительные интенсивности различных спектральных поверхности твердого тела, как спектроскопия полно- особенностей, энергетическое же их положение не мего тока (СПТ), оже-электронная спектроскопия (ОЭС) нялось), а во-вторых, к изменению работы выхода.

и дифракция низкоэнергетических электронов (ДНЭ). Формирование покрытий осуществлялось путем терВ режиме СПТ (основном, использовавшемся в описан- мической сублимации органических молекул с посленых экспериментах) параллельный пучок электронов с дующим их осаждением на поверхность подложки.

заданной фиксированной энергией направлялся на по- Структурные химические формулы исследуемых молеверхность образца и регистрировался ток в цепи образца кул (NTCDA и PTCDA) приведены на рис. 1. Более покак функция от энергии падающих электронов [10].

дробно характеристики процесса выращивания пленочЭнергия зондирующего пучка варьировалась в диапа- ных покрытий PTCDA и NTCDA описаны в предыдущих зоне 0-30 eV, а интенсивность составляла 10-6 A/cm2.

публикациях [11,13,14]. Используемое экспериментальДля выявления тонкой структуры регистрировалась перное оборудование позволило проводить регистрацию вая производная (S(E) =dI(E)/dE) от тока по энерспектров ПТ непосредственно в процессе формирования гии с использованием модуляции энергии падающих покрытия.

электронов и фазового детектора для осуществления Дополнительно к экспериментам по выращиванию дифференцирования. Электронный пучок направлялся молекулярных покрытий проводились эксперименты по перпендикулярно исследуемой поверхности и фокусироих удалению с помощью термической десорбции. Для вался до диаметра 0.2-0.4 mm.

этого исследуемая система подвергалась нагреванию Как было установлено в ходе предыдущих исследовадо определенной температуры, после чего измерялся ний, для случая модекулярных твердых тел, к которым спектр ПТ. Для каждого типа молекул были проведены относятся пленки NTCDA и PTCDA, тонкая структусерии таких измерений с постепенным увеличением ра спектров полного тока (ПТ) отражает плотность температуры прогрева.

незаполненных электронных состояний выше уровня вакуума [11]. Если энергия падающих электронов соОбсуждение результатов ответствует разрешенной зоне в материале образца, то наблюдаются возрастание коэффициента прохождеСерия спектров, последовательно записанных по ния электронов из вакуума в образец и, как следмере возрастания толщины пленки, приведены на ствие, увеличение тока в цепи образца. При совпадении рис. 2 (кривые 1-7) для PTCDA и на рис. энергии электронов с запрещенной зоной происходит для NTCDA (кривые 1-9). Для обоих веществ науменьшение коэффициента прохождения электронов и блюдалась идентичная картина изменения спектра по тока. В случае органических молекул твердотельные мере возрастания толщины покрытия: на фоне затуэлектронные состояния, исследуемые с помощью СПТ, хания особенностей, характерных для спектра подявляются - и -орбиталями молекул. Также меложки, происходил рост особенностей, характерных тод СПТ позволяет отслеживать потенциал поверхности для спектра исследуемого органического вещества. По образца [10].

мере увеличения толщины пленки спектр ПТ пеПеред началом осаждения покрытий проводилась подреставал изменяться и принимал форму, характерготовка поверхности образца. Первичная очистка моную для твердотельной фазы используемого вещества.

нокристалла GaAs перед установкой в камеру осущеСпектр PTCDA характеризовался следующими основствлялась методом химического травления в HF с целью ными максимумами: A1 (5.8 eV), A2 (6.9 eV), B1 (9.5 eV), удаления пленки окислов с последующим промываниB2 (11.3 eV), C1 (14.7 eV), C2 (16.7 eV), C3 (19.1 eV), ем в дистиллированной воде. Однако измерение ожеD (31 eV) (кривая 7 на рис. 2) и находился в электронных спектров приготовленной таким образом хорошем соответствии со спектрами, полученными подложки показало наличие значительного углероднопри осаждении PTCDA на другие подложки [13,14].

го загрязнения поверхности, поэтому была проведена В спектре NTCDA наблюдались основные особендальнейшая очистка образца методом ионного травлености: A (6.3 eV), B1 (8.5 eV), B2 (9.9 eV), C (12.4 eV), ния с последующим отжигом до полного исчезновения D (16.1 eV), E (22.6 eV), F (28.8 eV) (кривая 9 на рис. 3).

сигнала от углерода. В дальнейшем в процессе экспеСпектр NTCDA также находился в хорошем соответримента повторная очистка подложки осуществлялась ствии с ранее полученными результатами [14].

с помощью ионного травления. Спектр ПТ очищенной поверхности находился в хорошем соответствии с из- С целью выяснения особенностей процесса взаимовестными спектрами грани (001) монокристалла арсени- действия осаждаемых органических молекул с подложкой была проведена следующая обработка полученных да галлия [12]. Здесь нужно отметить, что в результате спектров: из спектра, снятого при какой-либо опредеразличных воздействий на поверхность подложки в ходе эксперимента (осаждение и термическая десорбция ор- ленной толщине покрытия, вычитался соответствующим ганических молекул, ионное травление, прогрев) стехио- образом масштабированный спектр подложки. Масштаметрический состав поверхности несколько варьировал- бирование необходимо проводить для учета ослабления ся. Это приводило, во-первых, к изменению спектра ПТ вклада от подложки по мере возрастания толщины чистой подложки GaAs (впрочем, варьировались только покрытия [3,4]. Для расчета масштабного коэффициента Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Электронная структура интерфейсов PTCDA/GaAs и NTCDA/GaAs один. В разностных кривых для NTCDA наблюдаются подобные же отличия: один максимум вместо серии B1, B2 и менее четная выраженность максимума C.

Подобные отличия интерфейсных спектров ПТ от твердотельных (характерных для самого исследуемого материала) свидетельствуют об изменении структуры молекулярных орбиталей вследствие взаимодействия с подложкой. В случае PTCDA и NTCDA на GaAs наблюдаются два явления: вырождение нескольких особенностей в спектрах ПТ в одну и смещение их по энергии. Это говорит о том, что интерфейсные электронные состояния представляют из себя модифицированные электронные состояния исходных макромолекул. В то же время образования специфических интерфейсных состояний, не характерных для макромолекул, не происходит в отличие от случая медной подложки [5].

Следует заметить, что в области малых энергий (< 8eV) при рассмотрении разностных кривых нужно учитывать два обстоятельства: 1) ввиду того что на начало спектра накладывается спад первичного пика [10], положение которого может изменяться при изменении потенциала поверхности, при вычитании одного спектра из другого в области низких энергий существенно возрастает ошибка; 2) длина свободного пробега электронов в Рис. 2. Изменение спектра ПТ в процессе осаждения покрытия PTCDA: 1 —спектр ПТ чистой подложки GaAs; 2-6 — изменение спектра по мере возрастания толщины покрытия;

7 — спектр ПТ сформировавшегося покрытия PTCDA; 8, 9 — разностные кривые (8 получена вычитанием из спектра спектра подложки, 9 — из спектра 3 спектра подложки).

Разностные кривые увеличены в 5 раз.

выбиралась особенность в спектре ПТ подложки, не перекрывавшаяся с особенностями спектра осаждаемого вещества. Затем измерялась величина этой особенности в спектре, характерном для покрытия определенной толщины, и в спектре чистой подложки. Частное от этих двух величин и используется в качестве масштабного коэффициента при данной толщине покрытия. Для увеличения точности нахождения коэффициента производился расчет его для нескольких особенностей с последующим усреднением результатов.

Полученные разностные кривые приведены на рис. 2 (кривые 8, 9 (PTCDA)) и на рис. 3 (кривые 10-12 (NTCDA)). Детальное их рассмотрение показывает, что, с одной стороны, общий характер спектральных зависимостей напоминает спектры ПТ исследуемых веществ. В частности, в разностных кривых отсутствуют особенности, не характерные для спектров NTCDA Рис. 3. Изменение спектра ПТ в процессе осаждения покрыи PTCDA. Причем в области больших энергий обнару тия NTCDA: 1 —спектр ПТ чистой подложки GaAs; 2-8 — живается большее сходство разностных кривых со спек изменение спектра по мере возрастания толщины покрытрами веществ (при E > 14 eV для NTCDA и E > 20 eV тия; 9 — спектр ПТ сформировавшегося покрытия NTCDA;

для PTCDA). Но, с другой стороны, имеются и замет10-12 — разностные кривые (10 получена вычитанием из ные отличия разностных кривых от спектров PTCDA спектра 2 спектра подложки, 11 — из спектра 3 спектра и NTCDA. Так, в случае PTCDA (рис. 2) отсутствует осо- подложки, 12 —из спектра 4 спектра подложки). Разностные бенность B2, а серия максимумов C1-C3 вырождается в кривые увеличены в 5 раз.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 76 С.А. Комолов, Ю.Г. Аляев, Н.В. Потюпкин, И.С. Бузин твердых телах существенно зависит от их энергии [15], что соответствует 2-3 монослоям в случае как молепричем в области низких энергий она резко возрастает. кул PTCDA, так и NTCDA. Эта величина оказывается Это приводит к тому, что сигнал от низкоэнергети- меньше по сравнению с интерфейсом на поверхности ческих особенностей осаждаемого материала начинает меди [2], где взаимодействие между молекулами и подрегистрироваться при больших толщинах покрытия по ложкой осуществляется благодаря связи между атомами сравнению с особенностями, лежащими в области более кислорода и меди.

высоких энергий. Данные факторы приводят к тому, В результате проведения экспериментов по термичечто в низкоэнергетической части разностных кривых ской десорбции осажденных макромолекул с поверхсущественно возрастает ошибка, а сам ход кривой может ности арсенида галлия было установлено, что молестановиться более хаотичным.

кулы не десорбируются с поверхности полностью, а Заметим еще одну тенденцию, наблюдаемую в спекпроисходит их частичное разложение. В результате в трах интерфейсов PTCDA/GaAs и NTCDA/GaAs на наспектре ПТ даже после сильного (750 K) прогрева чальных стадиях их формирования. По мере возрастания присутствуют как некоторые особенности, характерные концентрации молекул на поверхности спектральные для чистого GaAs, так и особенности спектра аморфного особенности, характерные для подложки, смещаются углерода [16], причем молекулы NTCDA десорбируются в сторону больших энергий, причем общий сдвиг от с поверхности лучше, чем PTCDA. Более сильная связь спектра подложки до последнего спектра, где особенномолекул PTCDA с подложкой возможна из-за большего сти GaAs еще прослеживаются, составляет около 0.4 eV.

размера ароматического ядра и, следовательно, количеТакое смещение особенностей является следствием изства -электронов, участвующих в связи.

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.