Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого»
Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций
Кафедра физики полупроводников и наноэлектроники
Работа допущена к защите зав. кафедрой
_______________Д. А. Фирсов
«___»_______________2015 г.
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
МАГИСТРА
Тема: «Получение и исследование тонких композитных пленок фуллерена С60 с органическими и неорганическими донорами»
Направление: 16.04.01 «Техническая физика»
Магистерская программа: 16.04.01.01 «Физика и техника полупроводников»
Выполнил студент гр. 63426/12________________________Елистратова М. А.
Руководитель, к.ф.-м.н., доц.______________________________Захарова И. Б.
Консультанты:
по научной части, проф. д. ф. –м. н. ________________Квятковский О. И.
Реферат
87 страниц, 53 рисунков, 9 таблиц, 38 источников.
Исследованы структурные и оптические свойства тонких композитных пленок на основе фуллерена с органическими и неорганическими донорами. Разработан воспроизводимый метод получения пленок с примесями Cd<Te;S> и MeTPP (Me = Cu, Zn, FeCl) на подложках кремния, слюды, стекла с ITO и KBr. Морфология поверхности образцов исследована с помощью растрово-электронной и атомно-силовой микроскопии. Проведены квантово-химические расчеты из первых принципов супрамолекулярных комплексов C60Cd<Te;S> образующихся в результате интеркаляции примеси в фуллерит. Измерены спектры фотолюминесценции тонких пленок образцов на основе C60-Cd<Te;S> и C60-MeTPP, а также образцов C60-CdTe до и после экспозиции рентгеновским излучением. Обнаружен дополнительный пик в области фотолюминесценции длин волн 600-620 нм, в композитных пленках C60-Cd<Te;S>. Этот результат объясняется появлением дипольно-разрешенных переходов в возбуждённых синглетных состояниях фуллерена в результате образования молекулярных комплексов.
Исследовано влияние рентгеновского облучения на структуры C60-CdTe. Обнаружены дополнительные пики люминесценции, появляющиеся в результате формирования молекулярных комплексов, а также димеризации и полимеризации пленок. Проведены квантово-химические расчеты методом функционала плотности молекулярных комплексов C60-Cd<Te;S>, для объяснения экспериментальных результатов.
Изучен механизм люминесценции структур и растворов C60-MeTPP.
Работа имеет как фундаментальное значение - изучение энергетической структуры материалов на основе фуллерена, так и прикладное - необходимое исследование новых материалов для создания оптико-электронных приборов и солнечных элементов.
Abstract
87 pages, 53 figures, 9 tables, 38 references.
The structure and optical properties of thin films based on fullerene with organic and inorganic donors are studied. Reproducible vacuum method of thin fullerene films production with Cd<Te;S> and MeTPP (Me = Cu, Zn, FeCl) impurity on Si, glass and mica surfaces is developed. Surface morphology of the films are investigated by AFM and SEM methods. The ab initio quantum - chemical calculations of the geometry, total energy and excited energy states of resulted supramolecular complex are performed. Photoluminescence spectra of composite thin films based on C60-Cd<Te;S> и C60-MeTPP before and after X-ray irradiation were measured. The additional peak is defined at 600-620 nm wavelength in C60-Cd<Te;S> composite films spectra. These results are interpreted as an appearance of the dipole-allowed transitions in the fullerene excited singlet states spectrum cause of an interference with cadmium telluride.
X-ray irradiated films were investigated, and additional peaks in photoluminescence spectra were detected. These peaks appear as a result of molecular complexes formation and dimerization of the films. Density functional B3LYP quantum-chemical calculations for C60-Cd<Te;S> molecular complexes were performed to elucidate some experimental results.
The luminescence mechanism of C60-MeTPP structures were studied.
This work has as a fundamental application for the study of the energy structure of fullerene-based materials, as a practical for the new materials study with a view to create optoelectronic devices and solar cells.
Содержание
Глава 1 Обзор литературы 7
1.1 Основные сведения о фуллерене 7
1.2 Фотолюминесценция 15
1.3 Получение пленок С60 методами вакуумного напыления 28
1.4 Получение структур фуллерена с Me-TPP 33
1.5 Композитные структуры на основе фуллерена 35
1.6 Фотоэлектрические устройства с использованием фуллерен-содержащих материалов 42
1.7 Исследование влияние рентгеновского облучения на С60 45
Постановка задачи 49
Глава 2 Методики эксперимента 50
2.1 Методика получения тонких пленок на основе фуллерена 50
2.2 Получение спектров фотолюминесценции 53
Глава 3 Результаты 56
3.1 Результаты растровой электронной микроскопии 56
3.2 Результаты атомно-силовой микроскопии 61
3.3 Результаты измерений спектров фотолюминесценции 63
3.4 Квантово-химические расчеты 79
Выводы 82
Список литературы 84
В последние годы, применение наноструктурированных материалов в преобразовании солнечной энергии стало альтернативой устройствам из монокристаллов. Низкая стоимость материалов, простые методы изготовления [1, 2], высокий коэффициент поглощения и возможность настройки оптического отклика сделало органо-неорганические материалы привлекательными для создания оптоэлектронных устройств. Для достижения эффективного разделения фотоиндуцированных зарядов, создаются объемные гетеропереходы (ОГП). Для получения ОГП необходимо создать взаимопроникающую сеть из доноров и акцепторов.
Наноструктурированный углерод, такой как нанотрубки и фуллерен, представляют из себя класс материалов, который активно изучается с целью применения в солнечной энергетике [3-5]. Благодаря сильным акцепторным свойствам, фуллерен и его модификации активной используются для создания молекулярных комплексов с применением различных доноров. К эффективным донорам электронов относятся сопряженные полимеры, фталоцианины и материалы из класса порфиринов (тетрафенилпорфирины меди, цинка или другого металла) [6-8], а также и неорганические вещества, такие как полупроводники из группы A2B6. В результате взаимодействия молекулы фуллерена и донорной молекулой триплетное возбуждение фуллерена тратится на образование аниона фуллерена и катиона донора, или происходит эффективное разделение экситона Френкеля на электрон и дырку. Поэтому контакты таких веществ с фуллереном представляют интерес для исследования, как возможные материалы для создания эффективных солнечных элементов
Глава 1 Обзор литературы
1.1 Основные сведения о фуллерене
Фуллерен - молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода (рис. 1.) Центральное место среди фуллеренов занимает молекула С60, которая характеризуется наиболее высокой симметрией и, как следствие, наибольшей стабильностью.
|
Рис. 1. Молекула фуллерена С60 |
1.1.1 Геометрия молекулы
Молекула фуллерена С60 имеет структуру правильного усеченного икосаэдра, в котором атомы углерода располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников, так, что каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Таким образом, каждый атом углерода в молекуле С60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально не отличим от других атомов углерода. Число многоугольников, входящих в молекулу определяется формулой Эйлера:
(1)
где n — размерность многоугольников, Nn — число многоугольников размерности n, s — характеристика кривизны поверхности: s = 1 для сферы и s = 0 для плоскости. Из формулы следует, что для образования сферической поверхности необходимо 12 пентагонов (n = 5) и сколь угодно много гексагонов (n = 6).