Моделирование адсорбционно-резистивного отклика в сенсорных слоях органических полупроводников Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

68 ТРУДЫ БГТУ. 2014. № 6. Физико-математические науки и информатика. С. 68-70

УДК 539.213.2

В. К. Долгий, кандидат физико-математических наук, ассистент (БГТУ);

А. Е. Почтенный, кандидат физико-математических наук, доцент (БГТУ)

МОДЕЛИРОВАНИЕ АДСОРБЦИОННО-РЕЗИСТИВНОГО ОТКЛИКА

В СЕНСОРНЫХ СЛОЯХ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Предложенная теоретическая модель адсорбционно-резистивного отклика примесного органического полупроводника при сопоставлении с экспериментальными данными позволила установить механизм сенсорного отклика на диоксид азота пленок ионно-легированного фталоциа-нина меди. Показано, что ионно-имплантированная примесь увеличивает сенсорный отклик, если электронные состояния этой примеси располагаются по шкале энергий ниже собственных, а состояния регистрируемого газа - между собственными и состояниями ионно-имплантиро-ванной примеси. Установлено, что максимальный сенсорный отклик наблюдается при концентрации ионно-имплантированной примеси, соответствующей переходу от собственной к примесной проводимости примесного органического полупроводника.

The proposed theoretical model of adsorption-resistive response of organic impurity in semiconductors, when compared with experimental data, allowed to establish the mechanism of the touch response to nitrogen dioxide films of ion-doped copper phthalocyanine. It is shown that the ion-implanted impurity increases touch response, if the electronic states of the impurity distribution rely on the energy scale below their own, and the state of the recorded gas - between its own states and ion-implanted impurity. Found that the maximum touch response observed at a concentration of ion-implanted impurity corresponding to the transition from private to extrinsic impurity organic semiconductor.

Введение. Многие органические полупроводники, например металлфталоцианины [1], под воздействием газовой среды изменяют свои электрофизические характеристики, в частности удельную проводимость, что позволяет использовать пленки таких материалов как чувствительные элементы сенсоров газового анализа. Чувствительность этих сенсоров во многом определяется их исходными электрическими и сорбционными свойствами, которые могут быть оптимизированы ионно-лучевой обработкой [2]. Ионное легирование вызывает не только изменение проводимости пленок фталоциа-нинов в вакууме, но и изменения адсорбцион-но-резистивного отклика пленок на присутствие адсорбируемого газа.

Целью данной работы является выяснение механизма влияния примеси (например, ионно-имплантированной) на чувствительность сенсорных слоев органических полупроводников.

Основная часть. На рис. 1 представлена кинетика сенсорного отклика пленок фтало-цианина меди на подложках из диоксида кремния с нагревателем, терморезистором и двумя системами электродов растрового типа, которые имплантировались ионами платины с энергией 15 кэВ в интервале доз от 1012 до 1013 см-2 на диоксид азота при температуре 80°С.

Как показывает рис. 1, ионная имплантация увеличивает относительную чувствительность пленок фталоцианина при малых дозах ионно-имплантированной примеси. По мере увеличения дозы имплантируемой примеси относительная чувствительность уменьшается и ста-

новится меньше, чем у исходной пленки. При этом расхождение значений относительной чувствительности для образцов одной серии также уменьшается и при дозе 1013 см-2 достигает 10%.

Рис. 1. Кинетика сенсорного отклика ионно-легированного платиной фталоцианина меди на диоксид азота при температуре 80°С:

1 - исходная пленка; 2 - при Ф = 1012 см 2; 3 - при Ф = 5 ■ 1012 см 2; 4 - при Ф = 1013 см 2

С целью определения механизма влияния примеси на чувствительность сенсорных слоев органических материалов было выполнено моделирование адсорбционно-резистивного отклика с помощью теоретической модели прыжковой проводимости [3], расширенной на случай наличия двух типов примесей (ионно-имплантированной и регистрируемого газа).

При этом проводимость будет определяться как собственными центрами локализации, так и

Моделирование адсорбиионно-резистивного отклика в сенсорных слоях органических полупроводников 69

центрами локализации, обусловленными введенными примесями.

Удельные проводимости а, каждой системы электронных энергетических уровней с номерами г и радиусами локализации электронов а, можно представить как

( „ Р ^

а = КзХ ехР

а

1/3

Е

а

кТ

(1)

где (а03)г - постоянные, зависящие от радиуса локализации; а = 1,73 - перколяционная константа; п, - концентрации центров локализации, соответствующие различным электронным энергетическим уровням; Еаг - энергии активации соответствующих этим уровням проводи-мостей.

Величины Еа, определяются соотношениями

Ег = ■

0,99е2 п1/3 4пв08

(2)

Тогда удельная проводимость материала, содержащего примеси, будет равна

(3)

г =1

а наблюдаемая экспериментально энергия активации проводимости определяется как

г = N

X Еага г

Еа =

г=1

(4)

Концентрации центров локализации должны быть связаны между собой соотношением

п = п1 + п2 + п3 = еоп81;,

(5)

где п - полная концентрация центров локализации, равная концентрации собственных центров локализации в материале без примесей; п1 - концентрация центров локализации, соответствующая собственным состояниям; п2 -концентрация ионно-имплантированной примеси; п3 - концентрация регистрируемого газа.

Выразив относительные концентрации ион-но-имплантированной примеси х и регистрируемого газа г через полную концентрацию центров локализации как

г = -

(6)

Ц; х =

п п

и решая совместно систему уравнений (5)-(6), получим

п1 = п (1 - х - г); п2 = пх; п3 = пг. (7)

Тогда удельная проводимость материала с примесями и наблюдаемая экспериментально

энергия активации проводимости будут определяться по формулам:

а = а1 + а2 + а3;

Е = Еа1а 1 + Еа 2 а2 + Еа 3а3

(8)

Предположим, что энергетические уровни ионно-имплантированной примеси и регистрируемого газа расположены в области собственных электронных состояний фталоцианина (рис. 2).

Е

Собственный Примесь 2 Примесь 1

Рис. 2. Расположение энергетических уровней

Для расчетов использовались значения концентрации п = 2,15 • 1026 м-3 и радиусов локализации электронов, соответствующих собственным, ионно-имплантированным (примесь 1) и регистрируемого газа (примесь 2) электронным состояниям, равные а! = 0,425 нм, а2 = 0,39 нм, а3 = 0,42 нм. Для построения зависимости проводимости от относительной концентрации х значение г принималось равным 0,1.

Результаты расчетов проводимости и относительной чувствительности, которая определялась как отношение проводимости в присутствии регистрируемого газа к проводимости без газа, представлены на рис. 3 и 4.

Как показывает рис. 4, увеличение относительной чувствительности в 12 раз происходит при относительной концентрации ионно-им-плантированной примеси, составляющей 42%.

Интерпретация полученного результата может быть осуществлена на основе теоретической модели прыжковой проводимости с использованием рис. 3.

При расположении энергетических уровней регистрируемого газа и ионно-имплантирован-ной примеси в области собственных электронных состояний фталоцианина, перенос электронов должен осуществляться по общей схеме собственных и примесных центров локализации, что и наблюдается на рис. 3. При значении относительной концентрации ионно-имплантированной примеси, составляющей 42%, происходит переход от примесной проводимости к собственной.

г =1

70

В. К. Долгий, А. Е. Почтенный

1,0 х

Рис. 3. Зависимость проводимости

от относительной концентрации ионно-имплантированной примеси:

1 - с учетом только собственных состояний;

2 - с учетом только примесных состояний;

3 - без учета регистрируемого газа;

4 - с учетом регистрируемого газа

При дальнейшем увеличении концентрации ионно-имплантированной примеси наблюдается только уменьшение относительной чувствительности.

40 20

0

0,1 0,3 0,5 0,7 х

Рис. 4. Зависимость относительной чувствительности от относительной концентрации ионно-имплантированной примеси

при а1 = 0,425 нм; а2 = 0,39 нм; а3 = 0,42 нм

В случае когда энергетические уровни ионно-имплантированной примеси не перекрываются с собственными электронными состояниями фталоцианина, перенос электронов должен осуществляться по одному из двух каналов - по собственным либо примесным локализованным состояниям, одно из которых вследствие экспоненциальной зависимости электропроводности от концентрации центров локализации является экспоненциально преобладающим. Тогда относительная чувствительность при увеличении концентрации ионно-имплантированной примеси должна монотонно убывать. Для расчетов использовались значения а\ = 0,425 нм, а2 = 0,22 нм,

а3 = 0,42 нм. Результаты расчетов представлены на рис. 5.

Заключение. Предложена теоретическая модель адсорбционно-резистивного отклика примесного органического полупроводника. Сопоставление расчетов по предложенной модели с экспериментальными данными позволило установить механизм сенсорного отклика на диоксид азота пленок ионно-легированного фталоциани-на меди.

S

6000

3000

0

0,2

0,4

0,6

•••ч»—

0,8

Рис. 5. Зависимость относительной чувствительности от относительной концентрации ионно-имплантированной примеси

при а1 = 0,425 нм; а2 = 0,22 нм; а3 = 0,42 нм

Показано, что ионно-имплантированная примесь увеличивает сенсорный отклик, если электронные состояния этой примеси располагаются по шкале энергий ниже собственных, а состояния регистрируемого газа - между собственными и состояниями ионно-имплантирован-ной примеси. Установлено, что максимальный сенсорный отклик наблюдается при концентрации ионно-имплантированной примеси, соответствующей переходу от собственной к примесной проводимости примесного органического полупроводника.

Литература

1. Wright J. D. Gas adsorption and conductivity of phthalocyanines // Progress in surface science. 1989. Vol. 31. P. 1-60.

2. Pochtenny А. Е., Fedoruk G. G., Ilyusho-nok I. P., Misevich A. V. The modified metall-phthalocyanines: Electron transport mechanism and gas sensing properties // Electron Technology. 2000. Vol. 33, No. 1/2. P. 145-152.

3. Почтенный А. Е., Мисевич А. В. Влияние адсорбированного кислорода на проводимость пленок фталоцианина свинца // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, № 1. С. 56-61.

Поступила 27.02.2014

x

0