CC BY
18
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ нового ФИЗИЧЕСКОГО ЯВЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ТОКА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
М.Г. Барышев, И.В. Сидоров, Г.П. Ильченко, А.Н. Коржов
Физико-технический факультет, Кубанский государственный университет, ул. Ставропольская, 149, 350040, Краснодар, Россия
В статье описан обнаруженный авторами неизвестный ранее эффект неустойчивости тока (НТ) на границе раздела металл-органическая пленка-водный раствор органического полупроводника. Выявлено, что эффект неустойчивости тока наблюдается при приложении разности потенциалов от 5 В до 70 В между двумя электродами, погруженными в анилин. Анилин расположен на поверхности водного раствора, содержащего органический полупроводник р-типа. Измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) показали наличие ^-участков.
Современные экологические биологические и медицинские исследования требуют наличия высокоточной аппаратуры. С каждым днем требования к размерам, стоимости, точности и другим параметрам такой аппаратуры ужесточаются.
В середине 80-х годов прошлого века в микроэлектронике возникло новое направление, связанное с обработкой и преобразованием динамических неоднородностей, на базе которого был разработан целый ряд электронных приборов, обладающих уникальными свойствами. В отличие от обычных составляющих изделий микроэлектроники эти приборы могли одновременно выполнять несколько функций, и потому были названы функциональными [1-3].
Однако все эти функциональные приборы по составу агрегатного состояния вещества можно отнести к твердотельным приборам. Человек и большинство биологических объектов преимущественно состоят из воды, поэтому внедрение внутрь такого объекта различных твердотельных датчиков, как правило, сопряжено с существенным травмированием кожных покровов и участков ткани или мышц, а также сопровождается реакцией отторжения инородного тела. Поэтому нами была разработана функциональная структура на основе жидких органических полупроводников [4], которую можно создавать непосредственно внутри биологических объектов путем введения органических полупроводников внутрь аналогично тому, как это делается при обычных инъекциях.
Для решения этой задачи нами был разработан функциональный датчик акустических колебаний на основе органических полупроводников, позволяющих исследовать амплитудно-частотные характеристики акустических сигналов непосредственно в глубине биологических объектов. Структурно-принципиальная схема датчика изображена на рис. 1.
Датчик состоит из слоя ^-полупроводника, в качестве которого используется водный раствор глюкозы с 20% концентрацией. С помощью шприца раствор глюкозы вводится на необходимую глубину в клубень картофеля. Затем в эту же точку клубня вводят с помощью шприца для хромотографии раствор анилина в количестве 1,6 мл. Эти жидкости являются не перемешивающимися, так как диффузия между ними протекает очень медленно из-за различных значений плотности и поверхностного натяжения. Затем к ^-области подводятся два электрических контакта с помощью тонких игл, выполненных из медного проводника аМЗ,25 мм с нанесенным с помощью электролиза слоем олова. Один из контактов, к которому
прикладывается отрицательный полюс источника питания, будем называть активным электродом (АЭЛ).
к осциллографу
Рис. 1. Блок схема включения функционального датчика:
1 — активный электрод, 2 — пассивный электрод, 3 — электрод, погруженный в раствор, содержащий органический полупроводник р-типа; 11\ — источник постоянного напряжения Б5-9; 0} — источник постоянного напряжения Б5-9; А — микроамперметр постоянного тока Ф195; Я\ — резистор номинальным сопротивлением 200 Ом; А — резистор номинальным сопротивлением 1 МОм
Между п- и ^-областями через электрические контакты 1 и 2 задавался уровень электрического тока, протекающего через эти области с помощью генератора тока, состоящего из резистора и источника постоянного напряжения £/|. Колебания напряжения, вырабатывавмые созданным датчиком, снимались на резисторе Я\ и регистрировались с помощью осциллографа С1-79. Акустические колебания создавались с помощью магнитострикционного излучателя, прикрепленного с противоположной стороны корнеплода относительно созданного датчика. Магни-тострикционный излучатель запитывался от генератора ГЗ-118.
Рис.2. Релаксационные колебания тока в функциональном датчике, наблюдаемые на электроде, имеющем отрицательный потенциал источника питания
Результаты экспериментальных исследований показали, что в зависимости от амплитуды акустических колебаний и фиксированной величины тока через р- и п-области растворов органических полупроводников на резисторе І?] регистрируются колебания с частотой, лежащей в пределах от 1 кГц до 1000 кГц. Эти колебания изображены на рис. 2.
Как видно из рассмотрения этой осциллограммы, частота следования импульсов равна:
Р = 1 /(Г 1 +12+1’з+14)- 0)
Зависимость, отображающая изменение частоты вырабатываемых колебаний от акустических колебаний, вырабатываемых созданным датчиком от амплитуды акустических колебаний излучаемых магнитострикционным излучателем на фиксированной частоте 1 МГц, представлена на рис. 3. Разность потенциалов между АЭЛ и другим электродом к л-области составляет 5 В. Величина тока через р- и п-области также была постоянна и составляла 50 мкА.
Рис.З. Зависимость изменения частоты колебаний, вырабатываемых функциональным датчиком от мощности акустических колебаний
Из результатов этой зависимости следует, что наблюдается близкое к линейному изменение частоты релаксационных колебаний в пределах плотностей потока мощности акустических колебаний от 10 до 26 мВт/см2.
Чувствительность датчика можно определить в соответствии с формулой:
К = ДГ/ЛР, (2)
где Л/ — частота датчика (Гц); АР — акустическая мощность (Вт/см2).
В пределах изменения плотности потока мощности от 10 до 26 мВт/см2 чувствительность датчика составляет 0,6 (ГцЧсм2)/Вт.
Известны и другие устройства, способные генерировать подобные колебания, но все они выполнены на основе твердотельных структур, что затрудняет их использование внутри биологических систем [5, 6|.
Разработанная нами на основе органических полупроводников функциональная структура может изменять свои геометрические размеры в соответствии с имеющимся внутри биологической системы свободным объемом, имеет близкие величины плотности ввиду того, что состоит из органических веществ. Благодаря этому появляется возможность создания новых датчиков акустических колебаний, давления, внутриклеточных потенциалов и др. Кроме того, нами были приняты предварительные успешные попытки создания генерирующих структур в трикотажных материалах, пропитанных органическим раствором полупроводника, для разработки одежды, обладающей физико-терапевтическим эффектом.
Отметим, что генерация электрических колебаний возникает только тогда, когда толщина окисла, созданного на я-области, не больше 3 нм, то есть этот прибор можно отнести к изделиям наноэлектроники. Вероятно, что в основе
работы лежал наноэффект туннелирования электронов с поверхностных состояний через слой окисла в зону проводимости полупроводника.
По величинам используемых напряжений и параметрам генерируемых колебаний созданная нами структура подобна существующим электронным устройствам. Благодаря органическому происхождению основной части структуры, физическим принципам работы и многофункциональности она крайне близка к биологическим системам передачи информации, созданным природой. Поэтому ее можно считать промежуточной стадией по переходу к чисто молекулярным элементам электронных схем.
Проведенные нами предварительные исследования позволяют считать возможным создание датчика акустических колебаний на основе жидких органических полупроводников, обладающего функциональными свойствами, и создают предпосылки для развития нового направления в электронике, которое будет неразрывно связано с экологией, биологией и медициной.
Результаты работы получены в соответствии с тематикой выполнения НИР ЮНЦ РАН № 00-05-13 и № 00-05-25.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сидоров Ю.Г. и др. Развитие нанотехнологий и их применение для разработки устройств полупроводниковой электроники. Автометрия РАН Сибирское отделение, 2004. - Т.’40, № 2. - С. 4.
2. Муравский Б.С. и др. Неравновесные электронные процессы в транзисторных структурах с туннельно-прозрачным окислом // Микроэлектроника, 1989. - Т. 18, № 4. - С. 304-309.
3. Муравский Б.С., Кузнецов В.И. Коэффициент передачи тока структуры с барьером Шотткм // Радиотехника и электроника, 1980. Т.25. - С. 1112-1114.
4. Барышев М. Г., Сидоров И. В.. Копытов РФ.. Коржов А.Н. О механизме неустойчивости тока в органическом полупроводнике // Известия высших учебных заведений. Физика., Томск (статья находится в печати).
5. Заикина Н.Б., Кучкова Е.И., Маханова Л.В., Фокина //. А. Материал для изготовления лечебных одеял / Патент РФ № 2001129390. МГТК A6INI/16, В32В7/00, заявлено 31.10.2001, опубликовано 27.04.03. Б юл. № 7.
6. Ефремов В.И, Куликовский В.И., Осипович В.К., Спиридонов К.А., Яшин В.И. Радио-защитная одежда / Патент РФ № 5066020, МПК A41DI3/00, заявлено 22.06.1992, опубликовано 20.10.1995. Бюл. № 5.
ABOUT THE POSSIBILITY OF THE USAGE OF A NEW PHYSICAL PHENOMENON OF CURRENT INSTABILITY FOR ECOLOGICAL
RESEARCHES
M.G. Barishev, I.Y. Sidorov, G.P. Ilchenko, A.N. Korzov
Physics and engineering depatment, Kuban slate university,
Stavropolskaya St., 149, 350040, Krasnodar, Russia
In article the effect of current instability on border metal - organic layer - water solution of the oiganic semiconductor is described found out by authors unknown earlier undressed. It is revealed, that the effect of instability of a current is observed at tiie appendix of a potential ditlerence from 5 up to 70 V between two electrodes shipped in aniline. Aniline is located on a surfiice of a water solution of p-type containing the oiganic semiconductor. Measurements of currcnt-voltage characteristics have shown presence of 5-sites.
