CC BY
57
туация реализуется для вязких (охлажденных) растворов, когда время релаксации молекул растворителя тр больше т . В жидких растворах релаксация происходит очень быстро и справедливо обратное соотношение между тр и т . Спектральные характеристики в этом случае определяются состоянием II* и генерацией в канале II* II0. Сказанное выше позволяет изменять длину волны центра генерации путем изменения соотношения тр и т , варьируя температуру раствора. Соотношение между тр и т в свою очередь определяет особенности поляризации излучения жидкостных лазеров [2]. На рис. 3 представлены результаты зависимости длины волны излучения генерации 3-амино-К-метилфталимида в изобутаноле.
Аг, нм; V ■ 10-3, см-3.
500
-20,0
510
520
—19,6.
19,2.
-4-
4-
4-
20 0 -20 -40 -60 -80 /, °С Рис. 3. Зависимость длины волны центра генерации от температуры для 3-ЛКМФ в изобутаноле при пороговом уровне накачки (1) и превышении над пороговым уровнем в 10 раз (2)
При исследовании влияния релаксационных эффектов на спектральные характеристики
стимулированного излучения рассматриваемое
*
соотношение тр и т можно изменять путем возбуждения генерации различными уровнями энергии накачки. С увеличением энергии накачки повышается плотность энергии в резонаторе, что вызывает сокращение времени возбужденного состояния активных молекул. На рис. 4 показаны зависимости смещения полос излучения генерации от энергии накачки. Максимальная длина волны генерации соответствует пороговому уровню энергии накачки. Кроме того, положение полосы генерации при этом зависит от природы растворителя, что подтверждают данные таблицы. Наибольшее смещение полосы генерации испытывают активные системы, генерация которых лежит в более
длинноволновой области. В нейтральном растворителе (диоксан) спектр излучения занимает наиболее коротковолновое положение и не зависит от энергии накачки.
Аг, нм
550
545
535
525
400
_1_
I
0 0,25 0,50 0,75 1,0 и, отн. ед.
Рис. 4. Зависимость Аг от мощности возбуждающего света для 4-ЛКМФ в глицерине (1), октивиловом спирте (2) и диоксане (3)
Приведенные в данной работе результаты позволяют выработать методы управления спектральными характеристиками лазеров на растворах сложных соединений.
Заключение. Анализ полученных результатов показывает, что спектральные характеристики лазеров на красителях зависят от природы растворителя, температуры раствора и энергии накачки среды. Управление спектральными характеристиками лазерного излучения может осуществляться сменой растворителя, температурой раствора или энергией накачки.
Литература
1. Рубинов, А. Н. Оптические квантовые генераторы на красителях и их применение / А. Н. Рубинов, В. И. Томин // Итоги науки и техники. - 1976. - Е. 9. - С. 5-127.
2. Рудик, К. И. Особенности поляризации излучения жидкостных лазеров / К. И. Рудик // Труды БГТУ. Сер VI, Физ.-мат. науки и информатика. - 2009. - Вып. XVII. - С. 57-59.
Поступила 28.02.2011
1
2
3
60
ISSN 1683-0377. Труды БГТУ. 2011. № 6. Физико-математические науки и информатика
УДК 539.213.2
А. Е. Почтенный, кандидат физико-математических наук, доцент (БГТУ);
А. В. Мисевич, кандидат физико-математических наук, доцент (БГТУ); В. К. Долгий, ассистент (БГТУ)
ОСОБЕННОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПРОВОДИМОСТИ КОМПОЗИТНЫХ ПЛЕНОК PEDOT:PSS - МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ НАНОЧАСТИЦЫ
Композитные пленки PEDOT:PSS (смесь поли-3,4-этилендиокситиофена и поли-4-стирол-сульфоната) - золотые наночастицы были осаждены из раствора на поликоровые подложки со встречно--штыревой системой электродов. Температурные зависимости проводимости пленок были измерены в вакууме при давлении 10-2 Па методом циклической термодесорбции. Показано, что температурные зависимости проводимости являются нелинейными в координатах логарифм проводимости - обратная температура. Для объяснения полученных результатов была использована теоретическая модель двухуровневой прыжковой проводимости. Это позволило установить, что полученные экспериментальные данные удовлетворяют не закону Мотта (переменная длина прыжка), а прыжковой проводимости по двум типам центров локализации - собственным центрам композита и примесным центрам адсорбированного кислорода.
The composite films of PEDOT:PSS (mix of Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and poly(styrene-sulfonate)) - gold nanoparticles on the alumina substates with interdigitale electrodes were prepared by spin coating. The temperature dependences of film conductivity were measured in 10-2 Pa vacuum by cyclic thermal desorption method. It is observed, that the temperature dependences are non-linear in logarithm conductivity - inverse temperature coordinates. The two-level theoretical model of hopping conduction is used for description of measured data. The model describes the hopping conduction as the non-resonant electron tunneling through the two electron level systems with different radiuses of electron localization. It is shown, that the data are related not with the Mott law (variable range hopping), but with hopping conduction through the two types of localization centers - intrinsic centers and impurity centers of adsorbed oxygen.
Введение. При изучении температурных зависимостей проводимости органических полупроводников нередко отмечается отклонение полученных данных от линейности в координатах логарифм проводимости - обратная температура [1], иначе говоря, наблюдается зависимость энергии активации проводимости от температуры. В таких случаях температурная зависимость удельной проводимости а аппроксимируется соотношением вида
а = а0 exp
(1)
где а0 - предэкспоненциальный множитель; Т0 -константа; Т - абсолютная температура; п - показатель степени, меньший единицы. В случае, когда п = %, выражение (1) называется законом Мотта, а его происхождение связывается обычно с реализацией проводимости с переменной длиной прыжка [2]. В частности, такой характер температурных зависимостей проводимости наблюдается для пленок на основе смеси поли-3,4-этилендиокситиофена и поли-4-стиролсульфо-ната (РЕБОТ:Р88). Однако возможны и другие механизмы, приводящие к зависимости энергии активации проводимости от температуры.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование температурных зависимостей проводимости пленок на основе РЕБОТ:Р88 и интерпретация полученных данных с использованием модели примесной прыжковой проводимости.
Основная часть. Композитные пленки на основе РЕБОТ:Р88, содержащего наночастицы золота, были получены в НИИ прикладных химических проблем при Белорусском государственном университете методом осаждения из раствора на поликоровые подложки, снабженные встречно-штыревой системой электродов. Температурные зависимости проводимости измерялись в вакууме при давлении 10-2 Па с использованием метода циклической термодесорбции [3], который заключается в следующем. Проводимость исследуемых пленок зависит от концентрации адсорбированного кислорода, концентрация которого уменьшается при нагревании пленок. Нагревание образца в вакууме до определенной температуры задает в образце фиксированную концентрацию кислорода. Охлаждение образца в вакууме от этой температуры позволяет измерить температурную зависимость проводимости при неизменной концентрации кислорода в образце. Нагревание образца до все более высоких температур и измерение температурных зависимостей проводимости при охлаждении дает возможность получить набор температурных зависимостей проводимости, соответствующих различным концентрациям адсорбированного кислорода в одном и том же образце.
В результате измерений было установлено, что температурная зависимость проводимости композитных пленок не является линейной в координатах логарифм проводимости - обратная температура (рис. 1).
n
0
-12,9 -13,0 -13,1 -13,2 -13,3 -13,4
1/кТ, 1/эВ
Рис. 1. Температурная зависимость проводимости композитной пленки РББОТ:Р88 + Аи
На рис. 2 представлены значения достоверности аппроксимации полученных экспериментальных данных формулой (1) при различных значениях п. Как показывают имеющиеся результаты, достоверность такой аппроксимации увеличивается с уменьшением показателя п, при этом точного соответствия закону Мотта не наблюдается.
Я/ 0,9992
0,9990 -
0,9988 -
0,9986
0,9984
0,9982
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 П
Рис. 2. Экспериментальная зависимость достоверности аппроксимации проводимости пленок РББОТ:Р88 + Аи формулой (1)
Поскольку адсорбированный атмосферный кислород влияет на проводимость пленок, полученные результаты могут быть объяснены в рамках модели примесной прыжковой проводимости. Действительно, если учесть, что в пленках РББОТ:Р88 перенос электронов может осуществляться как по собственным с радиусом локализации аь так и по примесным с радиусом локализации а2 состояниям, причем а2 < а\. Такое соотношение между радиусами локализации обусловлено тем, что примесное состояние образуется при связывании молекул кислорода
молекулами полимера, в результате чего возникающее примесное состояние изымается из набора собственных электронных состояний и опускается ниже по шкале энергий.
Удельные проводимости а! и а2, обусловленные каждой системой уровней, можно представить как
(
а1 = (а 03)1 ехР
а
V «Х/3
кТ
\
а2 = (а03)2 еХР
а
Е
(2)
а 2
а2п2
1/3
кТ
где (а03)1, (а03)2 - постоянные, зависящие от радиуса локализации; а = 1,73 - перколяцион-ная константа; пь п2 - концентрации центров локализации, соответствующие собственным и примесным состояниям; Еа1, Еа2 - энергии активации собственной и примесной проводимости соответственно. Величины Еа1 и Еа2 определяются соотношениями
2 1/3
Е =
а1
0,99е2 п{ 4пе0е
0 99е2п1/3 Еа 2 = П , (3)
4пе0е
где е0 - электрическая постоянная; е - относительная диэлектрическая проницаемость.
Концентрации центров локализации электронов в собственных и примесных состояниях, как отмечалось выше, должны быть связаны между собой выражением
п1 + п2 = п = соп81;,
(4)
так как примесные уровни образуются за счет отщепления от набора собственных уровней. Тогда удельная проводимость материала, содержащего примеси, будет равна
а = а + а2.
(5)
При этом наблюдаемая экспериментально энергия активации проводимости, входящая в это соотношение, может быть вычислена как
Е =-
= Э(!п а) д (1/ кТ)'
(6)
что при использовании выражений (2)-(5) приводит к соотношению
Е =
Еа1а 1 + Еа2а 2
а1 +а 2
(7)
Величина туннельного множителя в этом случае рассчитывается по формуле
(8)
а0 =а еХР1 кТ 1.
