«Расчет и интерпретация вольт – амперной характеристики структуры типа металл-полимер-металл с использованием программы microsoft excel»

Интерес к электромагнитным полимерам с каждым годом возрастает [1]. Он стимулируется обнаружением новых перспективных применений, таких, например, как в области создания электролюминесцентных устройств или сред для транспорта электронов с поляризованным спином и других. Однако многие физические процессы, связанные с транспортом заряда в этих средах, остаются непонятными. В частности, до сих пор открыт вопрос о механизме высокой проводимости в тонких слоях некоторых функциональных полимеров. Одной из специфических особенностей этого эффекта является то, что высокая проводимость возникает без применения допирования в материалах, имеющих широкую запрещенную зону. В то же время это одно из немногих явлений, которое по своей сути можно отнести к наноэлекронным, потому что оно не наблюдается в массивных образцах.

Суть явления заключается в том, что в пленках полимеров, толщина которых по разным источникам может быть от нескольких микрон до нескольких нанометров, в результате незначительного с энергетической точки зрения воздействия может возникать аномально высокая элекропроводность металлического типа. К типичным для такого вида объектов можно отнести следующие факты:

1) локальная плотность токов, не вызывающая разрушения органического материала, вплоть до 106 А/см и выше;

2) пороговый характер возникновения высокой проводимости;

3) электропроводность, достигающая 104-105 (Ом*см)-1 ;

4) температурная зависимость проводимости металлического типа вплоть до сверхнизких гелиевых температур;

5) анизотропия электропроводности, наличие каналов проводимости.

В настоящее время известно несколько методов генерации металлоподобного состояния в полимерах путем возбуждения зарядовой неустойчивости в образце. Среди них можно выделить следующие: одноосное давление, электрическое поле, термостимулированные токи, электронный луч, вариация граничных условий [2, 3].

Актуальность темы: в настоящее время получено много экспериментальных данных о поведении гетероструктур типа ферромагнетик/ полимер с широкой запрещенной зоной в магнитном поле. Но до начала настоящей работы не было исследовано изменение проводимости самой полимерной пленки в магнитном поле, влиянием магнитного поля на полимер ранее пренебрегали.

Однако полимеры типа полидифениленфталид (ПДФ) имеют канальную квазиодномерную проводимость, что должно быть сопряжено с подавлением эффекта Холла и с необычным и необязательно пренебрежимо малым воздействием внешнего магнитного поля на проводимость.

В связи с этим была поставлена цель работы: определить, каково влияние магнитного поля на проводимость пленки полидифениленфталида.

Задачи работы:

1. Создание и предварительное исследование образцов типа медь/поллидифениленфталид/медь.

2. Получение полного пакета ВАХ в магнитном поле для высокопроводящего состояния полимерного материала.

3. Анализ кривых математическими методами.

Апробация работы:

Игнатьев Д.С., Латыпова Ю.И., Воробьева Н.В. Исследование ВАХ структуры медь/полимер/медь в состоянии, близком к квазиметаллическому. Доклад на II Всероссийской научной молодежной конференции «Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники», Уфа, 2014.

Рис. 9. Самоорганизующаяся наноструктура полидифениленфталидной пленки в структуре металл/ полимер/ металл.

Молекулам полимера энергетически выгодно находиться в развернутом состоянии в области интерфейса, где они создают потенциальный барьер, препятствуя прохождению тока. В толще полимера, напротив, устойчива другая конфигурация: молекулы полимера сворачиваются в клубки, образуя гранулы. Проводимость в квазиметаллическом состоянии осуществляется по тонким каналам наноразмерного диаметра, проходящим по поверхностям гранул (модель Корнилова и др. [18]). Квантовомеханические расчеты подкрепляются прямыми наблюдениями с помощью СТМ – сканирующего туннельного микроскопа.

2.2. Методика нанесения полимерных слоев на подложку

Полимерные слои получали методом центрифугирования. Первоначально подложку очищали от загрязнений этиловым спиртом и помещали в ультразвуковую ванну на две минуты для окончательной очистки в дистиллированной воде. На очищенную и высушенную подложку наносили небольшое количество раствора полимера при помощи пипетки-дозатора (в качестве растворителя использовался циклогексанон) и помещали в центрифугу на 2-4 минуты для равномерного распределения растворенного полимера при скорости вращения 1500 об/мин.

Затем подложка с полимером сушилась на воздухе при комнатной температуре в течении 15 минут и затем помещалась в сушильный шкаф на 30 минут при температуре 150ºC для полного удаления остатков растворителя. После такой процедуры в полимерной пленке остается не более 1% растворителя.

Получаемые пленки в пределах толщин 0,1-0,9 мкм прочные, прозрачные в оптической области спектра (оптическая щель ~4 эВ), однородные. Степень кристалличности пленок может достигать~25-30%.

Модуль упругости полимерного материала полидифениленфталида лишь на два порядка меньше, чем у стали. Это значит, что дырки, царапины и проколы в полимерной пленке не могут изменить свои размеры со временем: пленка является жесткой. Поэтому визуальный контроль под микроскопом целостности пленки после измерений дает полную информацию о качестве пленки в процессе измерения. В качестве контролирующих приборов используется атомно-силовой микроскоп или профилометр модели 130.

2.3. Методика изготовления образцов для определения вольт – амперных характеристик структуры медь-полидифениленфталид-медь

На рис.10 представлено схематическое изображение структуры ферромагнетик (поликристаллический Cu) – ПДФ - немагнитный металл (Cu). Образец представлял собой структуру, состоящую из медной подложки, полимерной пленки (800 нм) и пленки меди. Полимер наносился непосредственно на очищенную поверхность ферромагнитного электрода методом центрифугирования из раствора в циклогексаноне. В качестве второго электрода была использована медная пленка, полученная осаждением в вакууме или прижимной контакт (медь, латунь).

Рис.10. Схематическое изображение структуры ферромагнетик (Cu) - ПДФ - немагнитный металл (Cu). В качестве медной подложки была взята поликристаллическая медь.

2.4. Методика изготовления металлических электродов

Электроды изготавливались методом вакуумного термодиффузионного напыления на вакуумном универсальном посту ВУП-4. Схема метода представлена на рис 11.

На термостолике закреплялась подложка с маской, к испарителю закрепляется вольфрамовая «корзинка», куда помещался небольшой кусок меди, который необходимо напылить. Термостолик нагревался до температуры 2500С. Колпак вакуумного поста закрывали, создавали сначала низкий вакуум, а затем высокий и подавали постепенно напряжение на испаритель до тех пор, пока металл полностью не испарится. Для нанесения верхнего электрода термостолик не нагревался для того, чтобы не прожечь полимерный слой. Для получения электродов на образце с массивной подложкой использовалась медь, которая помещалась в вольфрамовой «корзинке».

2.5. Экспериментальная установка

С целью исследования влияния магнитного поля на ВАХ структуры металл-полидифениленфталид-металл, создана установка для создания комбинированного механического воздействия (постоянного и переменного механического давления) на полимерный материал. Схема установки приведена на рис.12

Рис.12. Схема экспериментальной установки. 1 – вольтметр;2 – источник напряжения;3 – индикаторное сопротивление ~ 2 кОм;4 – полюса магнита;5 – измерительная ячейка;6 – тесламетр;7 – балластное сопротивление~ 200 кОм

К полюсу электромагнита присоединен крепеж для образца (рис. 13). Крепеж рабочей ячейки, изображенной на рис.13, осуществлен только к одному из полюсов. После включения магнитного поля, между полюсами появляется притяжение, поэтому, при креплении к двум полюсам происходит деформирование подставки. К электромагниту также подключен источник питания.

Рис.13. Рабочая ячейка. 1-подставка, 2-стекло, 3- медь, 4- полимер, 5- медь.

К компьютеру подключается регулируемый источник постоянного напряжения GwInstek PSH-6006 и вольтметр Agilent 34401A. Для автоматической развертки получения сигнала используется программа Labview.

6. Ениколопян Н.С., Берлин Ю.А., Бешенко С.И., Жорин В.А. О возможном механизме аномально высокой проводимости тонких пленок диэлектриков//ДАН СССР, сер. Физ. химия. 258 (6) 1400 (1981)

7. Берлин Ю.А., Бешенко С.И., Жорин В.А., Овчинников А.А., Ениколопян Н.С. Новое высокопроводящее состояние композиций металл полимер//ДАН СССР, сер. Физ. Хим. 260 (6) 1386 (1981).

8. Лачинов А.Н., Жеребов А.Ю., Корнилов В.М. Аномальная электронная неустойчивость полимеров при одноосном давлении //Письма в ЖЭТФ 52 (2) 742 (1990)

9. Воробьева Н.В., Лачинов А.Н., Логинов Б.А. Обнаружение гигантского магнетосопротивления в системе Fe/Ni – полимер – Сu: в сб. Материалы Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Н. Новгород 25-29 марта 2005) стр. 215

10. Корнилов В.М., Лачинов А.Н. Электропроводность в системе металл-полимер - металл: роль граничных условий //ЖЭТФ 111 (4) 1513 (1997)

11. Zherebov A.Yu., Lachinov A.N. On the mutual influance of uniaxial pressure and electric field on the electronic instabilities in polydiphenylenephthalide //Synth. Metals 44 99 (1991)

12. Lachinov A.N., Zherebov A.Yu. and Zolotukhin M.G. Thermostimulated switching in thin polymer films //Synth. Metals 59 377 (1993)

13. Корнилов В.М., Лачинов А.Н. Электронностимулированный переход диэлектрик-металл в электроактивных полимерах //Письма в ЖЭТФ 61 (6) 504 (1995)

14. Кухто А. В., Колесник Е. Е., Кухто И. Н., Лачинов А. Н., Салазкин С. Н. Квантовохимические исследования надмолекулярной структуры полидифениленфталида// Нанотехнологии. Наука и производство. 2010. № 2 (7). С. 49–57.

15. В.М. Корнилов, А.Н. Лачинов, А.Ф.Галиев, Г.Ш. Султанбаева, Э.Р.Жданов, Л.Р. Калимуллина. Надмолекулярная структура и электрофизические свойства субмикронных полимерных пленок: в сб. Сборник трудов VIII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2-5 июля 2012 года, стр. 55-56.

16. Bobbert P.A., Nguyen T.D., van Oost F.W.A., Koopmans B. and Wolgennant M. Bipolaron Mechanism for Organic Magnetoresistance //Phys. Rev. Lett. –2007. –V.99. – P. 216801 (4 p.).

17. Janssen P., Cox M., Wouters S.H.W., Kemerink M., Wienk M.M., Koopmans B. Tuning organic magnetoresistance in polymer-fullerene blends by controlling spin reaction pathways// Nature Communications . – 2013. –No.4. – 2286 (8 pages).

18. Barnes S.E. and Maekawa S. Generalization of Faraday’s Law to Include Nonconservative Spin Forces.// Phys. Rev. Lett. –2007. –V. 98. 246601 (4 p.).

19. Юсупов А.Р., Рахмеев Р.Г, Лачинов А.Н., Калимуллина Л.Р., Накаряков А.С., Бунаков А.А. //Исследование транспорта носителей заряда через границу металл-полимер класса полиариленфталидов// ФТТ. – 2013. – Т. 55, вып. 7 . – С. 1392-1395.

20. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. // – М.: Мир, 1984. 388 с. С. 292.

21. Salikhov R.B., Lachinov A.N., Rakhmeyev R.G. //Electrical properties of heterostructure Si/poly(diphenylenephtalide)/Cu// J. Appl. Phys. –2007. –V. 101. – 053706 (5 pages).

22. Тамеев А.Р., Рахмеев Р.Г., Никитенко В.Р., Салихов Р.Б. Бунаков А.А., Лачинов А.Н., Ванников А.В. //Влияние избыточного давления на дрейфовую подвижность носителей заряда в пленках полидифениленфталида// ФТТ. –2011. – Т. 53, вып. 1. –С. 182- 185.

23. Википедия: https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Холла