МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.АКМУЛЛЫ»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра прикладной физики и

нанотехнологий

Направление 210600 – Нанотехнология

Курс IV

МИРСАЯПОВ ДАНИЛ ИЛЬДАРОВИЧ

Изучение эффекта электронного переключения в диэлектриках, индуцированного одноосным механическим давлением, методами постоянного тока

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Научный руководитель:

к.ф-м.н., ст. преп. А.Р. Юсупов

Дата представления______________________________

Работа допущена к защите ________________________

^{дата и подпись заведующего кафедрой}

Дата защиты____________________________________

Оценка_________________________________________

Уфа 2014

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1. Экспериментальные методы измерения подвижности носителей зарядов в диэлектриках 4

1.1. Эффект переключения диэлектрических пленок в высокопроводящее состояние 4

1.2. Исследование подвижностей носителей заряда времяпролетным методом, при различных значениях одноосного давления 9

Глава 2. Объекты и методы исследования 19

2.1. Объект исследований 20

2.2. Изготовление пленочных образцов 22

2.3.1. Описание экспериментальной установки 24

Глава 3. Результаты и их обсуждение 27

3.1. Влияние одноосного давления на подвижность носителей заряда в структуре Al - полимер - ITO 27

(3.1.) 32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33

ЛИТЕРАТУРА 34

Введение

В последние десятилетия эффекты электронного переключения в диэлектриках привлекает внимание многих ученых. Запросы современного мира в точности, чувствительности и малых размерах электронных устройств, приборов и гаджетов становятся все более важными. Поэтому исследование и использование эффекта переключения может открыть большие экономические возможности.

Ранее были показаны некоторые примеры эффекта электронного переключения индуцированного электрическими и магнитными полями с высокой точностью. Эти воздействия могут вызвать изменение сопротивления в тонких полимерных пленках и при этом являются обратимыми. Сложность некоторых эффектов переключения для прикладного их применения является недостаточное экспериментальное и теоретическое исследование и отсутствие подходящих модели описывающих механизмы переноса носителей заряда. Поэтому целью данной выпускной квалификационной работы является исследование эффекта электронного переключения полимерной пленки из диэлектрического в высокопроводящее состояние под действием одноосного механического давления. В качестве метода исследования, предлагается использовать широко распространенный метод основанный на постоянных токах. В рамках поставленной цели предполагается решить следующие задачи: 1. Подготовка автоматизирован-ной экспериментальной ячейки для измерения вольтамперных характеристик при различных значениях одноосного механического давления. 2. Измерение вольтамперных характеристик при различных значениях одноосного механического давления. 3. Интерпретация полученных результатов.

Глава 1. Экспериментальные методы измерения подвижности носителей зарядов в диэлектриках

В данной главе представлен литературный обзор методов измерения подвижности носителей заряда в тонких пленках полиариленфталидов, а также некоторые модели и теоретические интерпретации полученных результатов.

1.1. Эффект переключения диэлектрических пленок в высокопроводящее состояние

Переключение диэлектрических пленок в высокопроводящее состояние, индуцированное различными внешними воздействиями, такими как температура, давление, электрическое и магнитное поля и пр. вызывает повышенный интерес у исследователей в связи с большой прикладной направленности. Важным вопросом, на который пытаются найти ответ исследователи, какие процессы происходят в предпереходной области и чем объясняется резкое изменение проводимости и подвижности носителей заряда в исследуемых структурах.

Так в работе [1] рассматривались особенности переноса носителей заряда вблизи порога перехода пленок полидифениленфталида (далее ПДФ) в состояние с высокой подвижностью и проводимостью, при воздействии малым одноосным механическим давлением. Важной проблемой, которую решали в этой работе, является вопрос, каким образом меняется энергетическая структура ПДФ вблизи переходной области. Для решения поставленной цели, авторами работы были измерены и проанализированы вольтамперные характеристики тонких пленок ПДФ разной толщины. Важность этой работы для данной ВКР заключается в том, что интерпретация полученных результатов проводилась в рамках инжекционной модели с применением теории токов ограниченных объемным зарядом (ТОПЗ). В работе подробно описывались результаты оценки концентрации равновесных электронов, подвижность электронов, степень заполнения ловушечных состояний и пр. По результатам данных оценок [1] были сделаны выводы, что в запрещенной зоне полимера вблизи квазиуровня Ферми под влиянием избыточного заряда могут возникать глубокие ловушечные состояния. Этот процесс может привести к образованию узкой подзоны, по которой перенос носителей заряда приводит к увеличению подвижности носителей заряда и проводимости.

В тонких пленках ПДФ наблюдаются переходы из диэлектрического состояния в высокопроводящее, индуцированные такими физическими воздействиями, как электрическое поле [1], малое одноосное давление [2], температура [3] и т.д. Диэлектрическое состояние пленок ПДФ можно охарактеризовать такими параметрами, как ширина запрещенной зоны ~ 4.3 eV, работа выхода электрона ~ 4.2eV, первый потенциал ионизации ~ 6.2eV [5]. Несмотря на многолетний период изучения, вопросу о состояниях в предпереходной области уделялось очень мало внимания и основное внимание концентрировалось на изучение особенностей переноса заряда в высокопроводящем (переключенном) состоянии пленок ПДФ и поиску, и построению моделей, которые объясняют такой перенос. В работе [6] предложена модель, согласно которой, давление оказывает стимулирующее действие на инжекцию носителей заряда из металлического электрода в зону проводимости диэлектрика. Согласно этой модели деформация вещества способствует распаду поверхностных состояний, которые играют роль акцепторов электронов [7]. Большинство моделей описывающих высокопроводящее состояние предполагает наличие большой концентрации свободных носителей с достаточно высокой подвижностью. В рассматриваемом случае носители инжектируются в полимер из металлических электродов. Так в работе [8] предполагается, что электроны инжектируемые в полимерную пленку захватываются глубокими локальными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми металла. Известно, что глубокие уровни связаны с молекулярными фрагментами (атомными группировками) с большим положительным сродством к электрону, например концевыми группами, боковыми радикалами или примесями. Для качественного контакта металл-полимер нужно приложить механическое давления к электродам. Выполнение этого условия требуется для переноса электронов из металлического электрода в полимерную пленку.

В работах [9,10] дается объяснение возникновения высокопроводящего состояния в результате образования некоторого электропроводящего канала в полимерной пленке по которому осуществляется транспорт носителей заряда. Эти каналы образуются за счет проникновения металла при пропускании электрического тока (т.е. дендритообразование) Было сделано также предположение, что есть нижняя граница напряжения и силы тока при высокопроводящем состоянии, ниже которых неразрывная металлическая нить не образуется, а возникновение проводимости связано с более сложной организацией металла в каналах. В соответствии с изложенным выше можно предположить, что частицы металла, разделенные туннельно-прозрачными барьерами, образовывают проводящую цепочку в полимерной пленке, соединяющую электроды.

Высокопроводящее состояние в тонких полимерных пленках в работе [11] объяснятся на основе формирования каналов, содержащих волноводные энергетические уровни, которые позволяют электронам беспрепятственно проникать из металлического контакта в каналы и перемещаться по каналам с очень малой диссипацией энергии.

В работе [12] для описания высокопроводящего состояния использовалась идея предложенная в работе [13] для квазиодномерных систем, согласно которой в узкой цилиндрической области с толщина которой меньше, чем глубина проникновения магнитного поля, транспорт носителей заряда возможно при достаточно высокой дрейфовой скорости. Расчеты которые приводятся в этой работе основываются на теории, представленной в работе [14], показывают, что может возникать сверхпроводящее состояние, которое имеет ширину энергетической щели, сопоставимую с шириной щели при нулевом токе, при условии, что уровень Ферми окажется выше энергии фононов, плазмонов или экситонов h·ω. Однако несложные расчеты показали, что при условии E_f << hω, возможна сверхпроводимость только с сильным спариванием.

Пороговое давление, о котором говорится в работе [15], при котором происходит увеличение проводимости, имеет очень малое значение. Это может свидетельствовать о том, что в исследуемом образце не происходит изменения положения уровня валентной зоны или зоны проводимости, поскольку для подобного изменения требуются значительно большие значения одноосного механического давления. Согласно работе [16], коэффициент пропорциональности между давлением и энергией смещения энергетических уровней составляет ~ эВ/Па. ВАХ при этом может быть описана безловушечным квадратичным законом

(1.1)

Известно, что в случае инжекционной модели, величина протекающего тока зависит от толщины исследуемого образца при одинаковом напряжении как . Поэтому очень важны результаты измерения зависимости величины тока от толщины полимерных пленок. На рисунке 1.1 представлены зависимости . В работе [17] пленки разной толщины получались последовательным поливом раствора полимера одной концентрации на одну и ту же подложку с небольшими погрешностями, возникающие на разных стадиях эксперимента, полученные кривые хорошо аппроксимируются линейной зависимостью.

Результаты измерения зависимости величины тока от толщины полимерной пленки позволяют сделать вывод о правомерности применения инжекционной модели для описания вольтамперных характеристик.

Таким образом, увеличение механического давления на образец приводит к изменениям следующих параметров переноса заряда: уменьшается концентрация равновесных носителей, что, по-видимому, связано с изменением положения квазиуровня Ферми.

Рис.1.1. Зависимости силы тока от толщины полимерных образцов

Смещение величины напряжения при увеличении толщины полимерной пленки, в сторону уменьшения с увеличением механического давления на образец подтверждает предположение о том, что основную роль играют глубокие ловушечные состояния, причем их концентрация резко увеличивается. Рост подвижности носителей заряда в этом случае, можно объяснить увеличением концентрации ловушек и уменьшением степени их заполнения.

Анализ результатов, в работе [17] позволяет авторам сделать следующие выводы. Увеличение давления приводит к изменению условий инжекции носителей заряда из металлических электродов в полимерную пленку. С увеличением приложенного к образцу электрического поля повышается величина инжектированного заряда, в результате чего удельная проводимость в высокопроводящем состоянии увеличивается. При взаимодействии с макромолекулой ПДФ заряд инжектированный в объем полимера может способствовать возникновению глубоких ловушечных состояний по механизму, предложенному в работе [18]. Также в работе [19] было показано, что аналогичное взаимодействие инжектированного заряда с макромолекулой полимера приводит к увеличению поляризуемости фрагмента макромолекулы. В результате возникает неустойчивое состояние полимера с большей диэлектрической проницаемостью, которое через некоторое время релаксирует с последующим переходом электрона на более глубокие ловушки. Говорится также о некотором критическом уровне инжекции носителей заряда, выше которого в запрещенной зоне вблизи квазиуровня Ферми может быть образована узкая зона ловушечных состояний, перенос по которой приводит к существенному увеличению подвижности носителей зарядов и переходу полимерной пленки в высокопроводящее состояние.