WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 5 05;11;12 Исследование вольт-амперных характеристик тонких пленок полидифениленфталида © А.А. Бунаков,1 А.Н. Лачинов,2 Р.Б. Салихов1 1 Башкирский государственный педагогический университет, 450000 Уфа, Россия 2 Институт физики молекул и кристаллов УНЦ РАН, 450075 Уфа, Россия e-mail: gen_phys@bspu.ru (Поcтупило в Редакцию 11 февраля 2002 г. В окончательной редакции 24 сентября 2002 г.) Целью настоящей работы явилось изучение особенностей переноса заряда вблизи порога перехода полимерных пленок в высокопроводящее состояние, индуцированного малым одноосным давлением. До сих пор не решен вопрос о том, каким образом изменяется энергетическая структура широкозонного органического диэлектрика вблизи этого порога. Были измерены и проанализированы вольт-амперные характеристики пленок полидифениленфталида разной толщины в зависимости от величины одноосного давления. Интерпретация полученных результатов проведена в рамках модели инжекционных токов, ограниченных объемным зарядом. Проведены оценки таких параметров инжекционной модели переноса, как концентрация равновесных электронов, подвижность электронов, степень заполнения ловушечных состояний и др. Анализ полученных оценок позволяет сделать вывод о том, что в запрещенной зоне полимера вблизи квазиуровня Ферми под влиянием избыточного заряда могут создаваться глубокие ловушечные состояния.

В результате этого процесса, во-видимому, образуется узкая подзона, перенос по которой приводит к увеличению подвижности носителей заряда и проводимости.

В тонких пленках некоторых электроактивных по- давления, геометрии образца и материала подложки.

лимеров наблюдаются переходы из диэлектрического Толщина пленок была от 5 до 40 µm. В работе обосновысостояния в высокопроводящее, индуцированные такими вается предположение о проводящих областях — узких физическими воздействиями, как электрическое поле [1], каналах, сопротивление растекания которых определяет малое одноосное давление [2], температура [3] и т. п. сопротивление системы полимер-металл.

Особенность этого явления заключается в том, что Возможность объяснения высокопроводящего состоявысокопроводящее состояние обладает температурной ния как результата формирования электропроводящего зависимостью проводимости, типичной для металлов, и канала в полимерной пленке за счет материала элеквеличина этой проводимости может быть чрезвычайно тродов рассмотрена в работах [9,10]. Было сделано высокой > 105 ( · cm)-1 [4]. В то же время исходное также предположение, что существуют нижние границы диэлектрическое состояние полимера можно охаракте- напряжения и тока в высокопроводящем состоянии, ризовать такими параметрами, как ширина запрещен- ниже которых неразрывная металлическая нить не обраной зоны 4.3 eV, работа выхода электрона 4.2eV, зуется, а возникновение проводимости связано с более первый потенциал ионизации 6.2eV [5]. Однако до сложной организацией металла в каналах. Частицы месих пор остается нерешенным вопрос о том, каким талла, разделенные туннельно-прозрачными барьерами, образом изменяется энергетическая структура широко- могут образовывать проводящую цепочку, соединяющую зонного органического диэлектрика вблизи перехода в электроды.

высокопроводящее состояние.

В работах [11,12] была выдвинута гипотеза, по котоПо-видимому, подобное положение обусловлено тем, рой при окислении в эластомере возникают подвижные что основное внимание исследователей уделялось изуче- дипольные группы (концентрация Cdip < 1020 cm-3), что нию особенностей переноса заряда в высокопроводящем приводит к низкому отношению высокочастотной и состоянии полимерного материала и соответственно по- низкочастотной проницаемостей среды K = /0 1.

строению моделей, объясняющих такой перенос. В част- В результате часть функциональных групп эластомености, в работе [6] была развита модель стимулирован- ра легко ионизуется и в полимере могут постепенно ной давлением инжекции носителей тока из металла в накапливаться неподвижные ионы и малоподвижные зону проводимости диэлектрика. Согласно этой модели поляроны и могут возникать специфические доменные сжатие вещества вызывает распад поверхностных состо- структуры с высокой электропроводностью.

яний, играющих роль акцепторов электронов [7].

Высокая проводимость полимерных пленок в рабоПозднее в работе [8] было проведено исследова- те [13] объяснялась формированием каналов, содерние проводимости пленок окисленного полипропилена жащих волноводные энергетические уровни, которые в зависимости от электрического поля, температуры, позволяют электронам проникать из металлических Исследование вольт-амперных характеристик тонких пленок полидифениленфталида электродов в каналы и двигаться по ним с пренебрежимо ведены измерения и проанализированы вольт-амперные малой диссипацией энергии. Была предложена, по мне- характеристики полимерных пленок полидифениленфтанию авторов, простая модель такого канала и сделаны лида [19] разной толщины при различных давлениях.

оценки, поясняющие сущность волноводного уровня. Известны примеры исследования вольт-амперных хаВ работе [14] была предпринята попытка использо- рактеристик полимеров обладающих высокой проводивать идею [15] для квазиодномерных систем, согласно мостью [20–24]. Однако в этих работах не были систекоторой в узкой цилиндрической области с толщиной матизированы данные в предпереходной области.

меньше, чем глубина проникновения магнитного поля, Выбор полидифениленфталида в качестве объекта спаривание возможно при очень высокой дрейфовой исследований объяснялся тем, что данный полимер скорости. Вычисления, сделанные в этой работе и обладает хорошими пленкообразующими свойствами на основанные на теории, развитой в [16], показали, что металлических подложках. В работе [25] было показаможет возникнуть сверхпроводимость, которая имеет но, что при соблюдении определенных технологических энергетическую щель, сравнимую или даже большую, условий полидифениленфталид образует сплошные од чем щель при нулевом токе, если уровень Ферми больше нородные пленки толщиной 0.05-10 µm. Кроме того, энергии фононов, плазмонов или экситонов h. Но данный полимер не имеет температурных особенностей простые вычисления показывают, что если EF h, то проводимости вплоть до температуры размягчения поливозможна сверхпроводимость с сильным спариванием. мера (360C на воздухе). Также полидифениленфталид Модель высокотемпературной сверхпроводимости в является наиболее изученным с точки зрения создания низкокоординированных полупроводниках и полимерах высокопроводящего состояния полимером [1,26,27]. Кабыла предложена в работе [17], в которой состояние с чество и однородность полимерной пленки контролироаномально высокой проводимостью, наблюдаемое при вались методами оптической микроскопии аналогично температуре окружающей среды, описывается теорией работе [28].

сверхпроводящих свойств системы локализованных пар Измерения были проведены на экспериментальной электронов. Сверхпроводящие свойства модели обуслов- установке, состоящей из задатчика одноосного механилены переносом по зоне биполяронов, образованной ческого давления, датчика давления на основе тензорезилокализованными парами носителей, принадлежащими сторного моста и измерительной цепи для регистрации U--центрам, т. е. собственным дефектам с отрицатель- вольт-амперных характеристик. Давление изменялось в ной эффективной энергией корреляции. интервале до 1000 kPa.

В работе [18] авторы предложили механизм образова- Экспериментальный образец представлял собой ния тонких проводящих каналов в тонких пленках кисло- структуру типа „сэндвич“: металл-полимер-металл.

родосодержащих полимеров. Согласно этой модели, ка- Тонкая пленка полимера наносилась на электрод налы являются результатом солитоноподобного распро- методом центрифугирования, поверх нее методом странения некоего возбужденного состояния вдоль поли- вакуумного термодиффузионного напыления наносился мерной молекулы. Предполагалось, что полимер имеет второй электрод. Площадь контакта составляла структуру с дважды вырожденным основным состояни- S 2mm2. Толщины пленок задавались концентрацией ем. Переход между этими состояниями обеспечивается раствора и контролировались интерференционным распространением вдоль полимерной цепи указанного методом с помощью интерферометра МИИ-4 и имели возбуждения, которое обусловлено последовательным значения от 0.8 до 1.5 µm. Было исследовано более разрывом C-O-связей четвертичного углерода основной полусотни образцов.

молекулы с кислородом боковой группы. Переключение образцов в высокопроводящее состоОчевидно, что для обсуждаемого явления можно яние происходило при достижении давлением опредевыявить общие закономерности независимо от исполь- ленной пороговой величины. На рис. 1 представлена зованного в каждом конкретном случае полимера. Из зависимость удельной проводимости полимерной пленки этого заключения следует, что модель должна одинаково при разных значениях напряжения, приложенного к хорошо описывать и предсказывать основные свойства экспериментальной ячейке. Подобное поведение провопереноса заряда в полимерах в области перехода в димости характерно для всех образцов, использованных высокопроводящее состояние. Однако обилие разнооб- в настоящей работе. Пороговое давление, при которазных моделей может, по-видимому, свидетельствовать ром происходит увеличение проводимости, чрезвычайно о недостаточности экспериментальных данных, на кото- мало. Последнее может свидетельствовать о том, что рых они построены. В частности, до сих пор практически в образце не происходит изменения положения энеротсутствует информация об изменении параметров пере- гетических уровней валентной зоны или зоны провоноса заряда в предпереходной области. димости, так как для подобного изменения требуются В связи с этим цель настоящей работы была ограниче- значительно большие давления. Согласно работе [29], на изучением закономерностей переноса заряда вблизи коэффициент пропорциональности между давлением и порога перехода полимерных пленок в высокопроводя- энергией смещения энергетических уровней составляет щее состояние, индуцированного малым одноосным дав- 10-10-10-11 eV/Pa. Следует отметить, что значения лением. Для реализации поставленной цели были про- удельной проводимости отличаются друг от друга в Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 106 А.А. Бунаков, А.Н. Лачинов, Р.Б. Салихов больших. Переход между этими областями происходит при некотором напряжении U1.

Сравнительный анализ вольт-амперных характеристик, представленных на рис. 2, показал, что с увеличением давления происходит уменьшение значения напряжения U1. При достижении напряжением значения Uза квадратичным участком возникает область практически вертикального роста тока. Увеличение давления приводит к тому, что U2 смещается в область более высоких напряжений. После вертикального участка выше напряжения U2 наблюдается область квадратичной зависимости на вольт-амперных характеристиках. Дальнейшее увеличение давления приводит к электронному переключению полимерного образца в высокопроводящее состояние.

Рис. 1. Зависимость удельной проводимости полимерной Для интерпретации полученных вольт-амперных хапленки от величины одноосного давления P (величина рактеристик использовалась модель инжекционных тодавления соответствует избыточному относительно атмосферков, ограниченных объемным зарядом [30], позволяющая ного). Цифры у кривых — значения электрических напряжеполучить сведения о локальных состояниях в запрещенний, приложенных к полимерной пленке во время проведения ной зоне и объяснить форму вольт-амперных характеэксперимента (в V).

ристик. Прежде чем перейти к описанию полученных результатов, следует сказать, что в рамках поставленной задачи в данной работе мы ограничиваемся моделью моноэнергетических ловушек. Результаты работы показависимости от приложенного к образцу напряжения, зывают, что даже при таком ограничении видно, как причем чем выше напряжение, тем больше удельная зависят параметры инжекционной модели от внешних проводимость.

условий.

На рис. 2 представлены типичные вольт-амперные Из этой модели следует, что в области малых напряхарактеристики, которые были измерены на полимержений (рис. 2) вольт-амперная характеристика описыной пленке толщиной 1 µm в предпороговой области вается законом Ома до значения напряжения U1, при в зависимости от давления. Эти зависимости удобно котором концентрация термически генерируемых раваппроксимировать степенными функциями вида I Un.

новесных свободных зарядов становится сравнимой с При отсутствии давления вольт-амперные характеристиконцентрацией инжектируемых зарядов ки можно разделить на две области: линейную с n = U при малых напряжениях и квадратичную с n = 2 при J en0µ, (1) L где e — заряд электрона, n0 — концентрация равновесных свободных зарядов, µ — подвижность электронов, L — толщина пленки.

Далее происходит переход к „ловушечному“ квадратичному закону UJ 0µ, (2) Lздесь — относительная диэлектрическая проницаемость; 0 — электрическая постоянная; — постоянная, определяющая степень заполнения ловушек.

За квадратичным участком вольт-амперной характеристики (рис. 2) следует область практически вертикального участка на зависимости I(U), который интерпретируется как область напряжений (U2 = Ult f ), соответствующих предельному заполнению ловушек. Поскольку режим предельного заполнения ловушек является следствием пересечения квазиуровнем Ферми области расположения ловушечных состояний в запрещенной зоне, в полимере резко возрастает количество инжектируемых Рис. 2. Вольт-амперные характеристики полимерной пленки, зарядов, что и приводит к значительному возрастанию измеренные при различных давлениях: — 0, — 780, • — 820, — 860 kPa. силы тока. При дальнейшем повышении напряжения Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Исследование вольт-амперных характеристик тонких пленок полидифениленфталида Влияние одноосного давления на некоторые параметры инжекционной модели P · 103, Pa µ · 10-9, m2/V · s n0 · 1020, m-3 U1, V Ult f, V pt,0 · 1021, m-780 1.39 3.68 6.14 8.13 1.37 0.820 1.65 2.41 5.55 9.18 1.52 0.860 1.77 2.18 5.22 10.68 1.79 0.вольт-амперная характеристика, как правило, описыва- давления. При оценке использовались следующие соотется безловушечным квадратичным законом (рис. 2) ношения [30]:

U2 0Ult f 0U1 JLJ 0µ. (3) n0 ; µ = ; pt,0 =. (4) LeL2 0U1 eLИз вышеприведенных формул следует, что в случае Следует отметить, что значение удельной проводиинжекционной модели величина тока зависит от толмости на линейном участке вольт-амперной характещины образца при одинаковом напряжении как f (L-3).

ристики, рассчитанное по значениям тока и напряжения В связи с этим представляются важными результаты в пределах порядка, совпадает с величиной, рассчиизмерения зависимостей величины тока от толщины танной по формуле = en0µ.

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.