CC BY
30
ЭЛЕКТРОПОЛЕВЫЕ ЗАВИСИМОСТИ МАГНИТНО-СПИНОВОГО ЭФФЕКТА В МОНОКРИСТАЛЛАХ С60
© Д.В. Лопатин, А.В. Умрихин
Фуллерены и фуллериты сегодня могут быть применены в качестве эффективных переключателей элек-трооптического отклика [1], ориентирующих покрытия для жидкокристаллических технологий [2], и перспективны для использования в системах преобразования оптической информации и дисплейной технике. Еще одной областью применения фуллеренов, использующей процесс фотопереноса, является создание на их основе эффективных преобразователей энергии [3]. Открытие эффекта влияния слабого магнитного поля (МП) на фотопроводимость фуллерита С60 [4] дает возможность создания устройств бесконтактного, селективного управления электронно-оптическими свойствами фуллеренов и производных на их основе. Однако для практического применения необходима детализация данного эффекта. Так, было показано, что эффект сильно зависит от спектрального состава возбуждающего света [5], кристаллографической ориентации [6], температуры [7].
Целью данной работы являлось изучение эффекта влияния слабого МП на фотопроводимость монокристаллов С60 от величины приложенного к контактам образца электрического поля (ЭП).
Исследование эффекта влияния слабого МП на фотопроводимость монокристаллов С60 от величины приложенного к контактам образца электрического поля производилось для трех основных оптических переходов в фуллерите С60 2.64, 3.07, 3.87 эВ, которые, как было показано в [5], определяют спектр фотопроводимости монокристаллов С60. Зависимости прибавки фототока от индукции магнитного поля В для трех оптических переходов представлены на рисунке 1. Вид полевых зависимостей свидетельствует об участии в фотопроводимости процессов, связанных с модуляцией концентрации синглетных и триплетных экситонов слабым МП [8].
При исследовании величины эффекта влияния МП на фотопроводимость монокристаллов С60 от значения приложенного к контактам образца ЭП были получены следующие результаты. Обнаружено, что зависимости прибавки фототока в МП (В = 0,4 Тл) от напряженности ЭП характеризуются максимумами при 4,2-104, 3,1-104 и 2-104 В/м для оптических переходов при 2,64; 3,07; 3,87 эВ соответственно.
Влияние ЭП и МП на механизм генерации носителей заряда можно представить в виде следующей схемы. Поглощение кванта света приводит к образованию экситона с переносом заряда. При этом чем больше энергия квантов возбуждения, тем больше расстояние между электроном и дыркой в экситоне. В [9] получены результаты, которые позволяют определенно утверждать, что спиновое состояние электроннодырочных пар влияет на процессы переноса заряда в монокристаллах С60. Как правило, рекомбинация из синглетного состояния происходит эффективнее, чем
из триплетного. Если предположить, что светом генерируются пары, преимущественно пребывающие в синглетном состоянии, то роль МП может сводиться к увеличению заполнения триплетных состояний
Рис. 1. Зависимость относительной прибавки фототока А/ от индукции постоянного МП B. Напряженность ЭП Е = = 2,3 • 104 В/м. Погрешности измерений также приведены на рисунке
Рис. 2. Зависимость относительной прибавки фототока А/ в МП от напряженности Е, для различных энергий квантов возбуждающего света: 1 - 2,64 эВ, 2 - 3,07 эВ, 3 - 3,87 эВ. На врезке показана зависимость фототока / от напряженности Е при В = 0
за время жизни пары т. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению вероятности рекомбинации носителей заряда, увеличению интенсивности диссоциации экси-тонов и, соответственно, к росту фотопроводимости.
Из спектров РУЭМР, полученных в [9], можно оценить время жизни пары как т и 10-9 с. Влияние ЭП на величину фотопроводимости монокристаллов С60 в слабом МП можно объяснить следующим образом. С увеличением ЭП происходит увеличения радиуса начального разделения пар г0, а следовательно, растет вероятность избежать рекомбинации пары, что и приводит к росту А/ при малых значениях Е. При более высоких значениях напряженности ЭП с ростом Е повышается вероятность диссоциации пар в состояния с некоррелированными спинами, что и обусловливает экстремальный характер электрополевых зависимостей фотопроводимости фуллерита С60 в МП.
Зависимость величины начального разделения пар г0 от напряженности ЭП определяется как
r0 = | 2 ^ETrc
1/2
(1)
где ц = 8-10-2 см2/(В-с) - подвижность носителей заряда в С60, гс - кулоновский радиус, равный для С60 « 120 А.
Очевидно, что данное выражение будет определять начальное разделение пар только в ЭП с ненулевой напряженностью и не будет учитывать разделение зарядов в отсутствие ЭП. Например, из [10] известно, что при поглощении молекулой фуллерита С60 кванта света с энергией 2,64 эВ в нулевом ЭП происходит переход электрона на соседнюю молекулу, отстоящую от исходной на расстояние г = 10 А. Таким образом, очевидно, что в ненулевом ЭП полное расстояние начального разделения пар К = г + г0. Для оптического перехода 2,64 эВ, подставляя экстремальное значение Е
= 4,2-104 В/м, находим по (1) г0 = 24 А и расстояние К = 34 А, которое будет определять порог чувствительности электронно-дырочной пары к МП. Другими словами, при разделении зарядов на расстояние больше 34 А, вероятность диссоциации (рекомбинации) пары на свободные носители заряда не будет зависеть от спинового состояния компонентов пары.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каманина Н.В., Денисюк И.Ю. // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. № 1. С. 78-87.
2. Ракчеева Л.П., Каманина Н.В. // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28. № 11. С. 28-36.
3. Laplaze D., Bernier P., Flamant G., Lebrun M., Brunelle A. andDella-Negra S. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1996. V. 29. Р. 4943-4954.
4. Осипьян Ю.А., Головин Ю.И., Лопатин Д.В., Моргунов Р.Б., Николаев Р.К, Шмурак С.З. // ФТТ. 1999. Т. 41. № 11. С. 2097-2099.
5. Головин Ю.И., Лопатин Д.В., Николаев Р.К., Умрихин А.В., Шмурак С.З. // ДАН. 2002. Т. 387. № 6. С. 1-3.
6. Головин Ю.И., Лопатин Д.В., Николаев Р.К., Умрихин А.В. // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. № 10. С. 61-65.
7. Golovin Yu.I., Lopatin D.V., Nikolaev R.K. and Umrikhin A.V. // Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures. 2004. V. 12. № 1. Р. 81-85.
8. Соколик И.А., Франкевич Е.Л. // УФН. 1973. Т. 111. № 2. С. 261288.
9. Ossipyan Yu.A., Golovin Yu.I., Lopatin D.V., Morgunov R.B., Nikolaev R.K., ShmurakS.Z. // Phys. Stat. Sol. (b) 2001. V. 223. № 3. R14-R15.
10. Kazaoui S., Minami N., Tanabe Y., Byrne H.J., Eilmes A., Petelenz P. // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. № 12. Р. 7689-7700.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 02-02-17571, ФЦП «Фуллере-ны и атомные кластеры» и программы «Университеты России», грант № УР .01.01.013.
РАДИАЦИОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ С60 © П.М. Кузнецов, Д.В. Лопатин, А.Ю. Наседкин, М.А. Умрихина
Практическое применение фуллеренов в микро- и наноэлектронике делает актуальной проблему исследования изменения их физических свойств под действием внешнего ионизирующего облучения различной природы.
Поэтому цель данной работы заключалась в исследовании влияния малодозового бета-облучения на проводимость фуллерита в диапазоне температур, включающем интервал фазового перехода &с-8с.
Обнаружено влияние бета-облучения на проводимость фуллерита С60. Так, в &с-фазе (при Т = 293 К), при флюенсе Е > 2-109 1/см2 проводимость увеличивается на величину до 55 %. Зависимость относительной прибавки тока АІ/І от времени облучения ґ характеризуется насыщением, возникающим через ґл ~ 12 мин. после начала облучения (см. рис 1а). После прекращения облучения ток релаксирует за ґг1 ~ 1 ч до первоначального значения. При повторном облучении той же поверхности образца через 20 часов проводимость воз-
растает до 120 %. При этом времена насыщения и релаксации составляют Гд ~ 9 мин. и Гг2 ~ 1 ч соответственно.
Было исследовано изменение бета-стимулиро-ванного тока после фазового перехода (йсс-ж) в диапазоне температур 260-229 К. В первые 7 минут облучения наблюдалось гашение проводимости на величину до 25 % и последующее увеличение относительной прибавки тока в течение 25 минут до 35 %.
Исследование бета-стимулированной проводимости монокристаллов С60 в интервале 230 < Т < 320 К показало, что радиационная проводимость фуллерита имеет термоактивационный характер в йсс-фазе (см. рис. 1б). Полученное значение активационной энергии Еусс = 0,17 эВ близко к энергии активации фотопроводимости Еу = 0,2 эВ. При температуре ниже фазового перехода йсс-8с (Т < 260-255 К) наблюдается уменьшение энергии активации до Ес = 0,09 эВ.
