CC BY
16НАНОСИСТЕМЫ
DOI: 10.17725/rensit2019.11.331
Спектральные и проводящие свойства пленочных гетероструктур на основе фуллеренсодержащего материала и 4-метилфенилгидразон N-изоамилизатина Гусев А.Н., Мазинов А.С., Тютюник А.С., Гурченко В.С.
Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, https://cfuv.ru/ Симферополь 295007, Российская Федерация
E-mail:[email protected], ma%[email protected], real-ware%@mail.ru,[email protected] Поступила 22.11.2019, рецензирована 29.11.2019, принята 02.12.2019 Представлена действительным членом РАЕН С.П. Губиным
Аннотация. Методом полива из раствора получена диодная гетероструктура, состоящая из тонких пленок фуллеренсодержащего материала и 4-метилфенилгидразона N-изоамилизатина. На лучших образцах отношение прямого тока к обратному составило ~ 104. Описана методика получения, синтез, микроскопия углеродных пленок и органического прекурсора. Представлены результаты поочередного рентгенофазового анализа используемых материалов. А также оптические спектры изатинов, имеющие коротковолновый (420-500 nm) и длинноволновый (850-900 nm) экстремумы, дающие пики поглощения на 3-3.1 eV и люминесценции в области 1.4 eV. Показаны результаты исследования ИК спектроскопии первичных пленок углерода и органического композита. Приведены вольт-амперные характеристики тонкопленочной гетероструктуры на основе фуллеренсодержащего материала и органического прекурсора с контактной обвязкой ITO—алюминий. Показано, что экспериментальные структуры имели выпрямляющие диодные характеристики с гистерезисом прямой ветви ВАХ.
Ключевые слова: органическая гетероструктура, тонкопленочные структуры, вольт-амперные характеристики, спектральный анализ, фуллеренсодержащий материал, гидразон
PACS 61.48.+С, 61.66.Hq, 73.61.-r
Благодарности: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-32-90038.
Для цитирования: Гусев А.Н., Мазинов А.С., Тютюник А.С., Гурченко В.С. Спектральные и проводящие свойства пленочных гетероструктур на основе фуллеренсодержащего материала и 4-метилфенилгидразон N-изоамилизатина. РЭНСИТ, 2019, 11(3):331-336; doi: 10.17725/rensit.2019.11.331._
Spectral and conductive properties of film heterostructures based on fullerene-containing material and 4-methylphenylhydrazone N-isoamilisatine
Alexey N. Gusev, Alim S. Mazinov, Andrey S. Tyutyunik, Vladimir S. Gurchenko
V.I. Vernadsky Crimean Federal University, https://cfuv.ru/ Simferopol 295007, Russian Federation
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]. Received 22.11.2019, peer reviewed 29.11.2019, accepted 02.11.2019
Abstract. The 4-methylphenylhydrazone N-isoamylisatin method consists of 4-methylphenylhydrazone and a diode heterostructure. The best method for producing, synthesizing, microscopy of carbon films and an organic precursor. The results of the successive x-ray phase analysis of the materials used are presented. Also, the optical spectra of isatins having short wavelength (420-500 nm) and long wavelength (850-900 nm) extrema giving absorption peaks at 3-3.1 eV and luminescence at 1.4 eV. The results of studies of IR spectroscopy of primary carbon films and an organic composite
ГУСЕВ А.Н., МАЗИНОВ А.С., ТЮТЮНИК А.С., ГУРЧЕНКО В.С.
НАНОСИСТЕМЫ
are obtained. The current-voltage characteristics of a thin-film heterostructure based on a fullerene-accessible material and an organic precursor with ITO-aluminum strapping are presented. It was shown that the experimental structures have rectifying diode characteristics with hysteresis of the forward branch of the I-V characteristic.
Keywords: organic heterostructure, thin-film structures, current-voltage characteristics, X-ray phase analysis, fullerene-containing material, hydrazone
PACS 61.48.+c, 61.66.Hq, 73.61.-r
Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR, project number 19-32-90038.
For citation: Alexey N. Gusev, Alim S. Mazinov, Andrey S. Tyutyunik, Vladimir S. Gurchenko.
Spectral and conductive properties of film heterostructures based on fullerene-containing material
and 4-methylphenylhydrazone N-isoamilisatine. RENSIT, 2019, 11(3):331-336; DOI: 10.17725/
rensit.2019.11.331.
Содержание
1. Введение (332)
2. Состав гетеростуктур (332)
3. Спектроскопия гетероструктур (333)
4. электрические параметры гетероперехода (334)
5. заключение (335) литература (335)
1. ВВЕДЕНИЕ
Будущее упрощение в построении электронных схем напрямую связано с печатными технологиями гибких микросхем, в которых углеродные материалы уже сегодня демонстрируют относительно высокие показатели [1, 2]. Особенно большой интерес такие композиты вызывают при объединении их с органическими и неорганическими материалами [3, 4]. С другой стороны, достижения тонкопленочной органической электроники оптимистически показывают создание в ближайшее время устойчивых и вполне работоспособных приборов на органических структурах [5]. Построение гетероструктур на основе органики с добавками фуллеренов позволяет не только обеспечить приемлемый квантовый выход [6], но также дают возможность построения ЗО объемных барьерных структур [7]. Использование органических материалов в качестве донора позволяет создать потенциальный барьер, схожий с диодными структурами.
Простота и дешевизна производства органических функциональных слоев и фуллеренсодержащих материалов (fullerene-containing material — FCM) является неоспоримым преимуществом над более дорогими и сложными в производстве аналогами [8].
Исходя из представленных выше предпосылок, в настоящей работе была предпринята попытка построения органической гетероструктуры на основе FCM и органического материала, 4-метилфенилгидразона N-изоамилизатина (IMPH). А также проведение аналогий с классическими твердотельными барьерными структурами по их оптическим и электрическим характеристикам. В качестве акцептора использовался FCM, полученный методом низкотемпературного крекинга [9]. Синтез органического прекурсора осуществляли по методике, представленной в ранее опубликованных работах [10, 11].
2. СОСТАВ ГЕТЕРОСТРУКТУР
Для определения состава фуллерен содержащей сажи и подтверждения молекулярной структуры IMPH
использовались методы рентгенофазового анализа и ИК спектроскопии. Запись рентгенограммы FCM и IMPH производилась на рентгеновском дифрактометре общего назначения ДРОН-3 (схема фокусировки
НАНОСИСТЕМЫ
СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ПРОВОДЯЩИЕ СВОЙСТВА 333 ПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ...
Рис. 1. Рентгенограмма образца FCM (основной график) и 4-метилфениягидразон N-изоамияизатина (вставка).
по Брэггу-Брентано с использованием графитового монохроматора) в угловой области 20 от 7° до 110°. Использовалась рентгеновская трубка с медным анодом ^(Ка) = 0.154184 пт. Первичный и вторичный пучок ограничивался щелями: горизонтальной — 0.25 тт, вертикальной — 6 тт, щелями Соллера — 0.5 тт. Скорость вращения детектора — 0.5°/тт, постоянная времени — 1-103 ¿трД. Скорость вращения образца —120 оборотов в минуту (ось в плоскости съемки) (рис. 1).
Процентное содержание 2.7% С60 (Buckmisterfullerene, Таблица) в общей доле 93% углеродной составляющей всего исходного материала и соответствующие пики на рентгенограмме (рис. 1) позволяют отнести исходный карбоновый порошок к фуллеренсодержащему материалу [9]. А рентгенофазовый анализ 1МРН в твердой
фазе показал, что органический прекурсор обладает тетрагональной сингонией со сторонами: а = 19.27609045 А; Ь = 19.27609045 А; с = 14.14478333 А. При этом простейшая пространственная группа Р4 может выстраиваться при углах: а = 90°; в = 90°; у = 90° (вставка рис. 1).
3. СПЕКТРОСКОПИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР
При спектральном анализе в видимом диапазоне (400-900 пт) был задействован призменный монохроматор с галогеновой лампой, с соответствующими фильтрами после нормировки на линии водорода. Каждый из составляющих функциональных слоев общей гетероструктуры отдельно осаждался на покровные стекла с соответствующими объемными долями. Нормированные на спектры исходных подложек зависимости интенсивностей прошедшего (Т) и
Таблица
Основные компоненты FCM
Международное название Массовая доля,% COD ID Международное название Массовая доля, % COD ID
Carbon Lonsdaleite 28.9 1100004 Buckmisterfullerene 2.7 9011073
Carbon 13.2 9012588 Supercubane 2.2 9012241
Carbon 12.9 2101499 Carbon 2.0 9012593
Carbon 12.2 9014004 Carbon 0.7 9012592
Carbon Graphite 3R 9.7 1101021 Carbon Graphite 2H 0.4 1011060
Carbon 7.7 9012594 Carbon 0.4 9012590
ГУСЕВ А.Н., МАЗИНОВ А.С., ТЮТЮНИК А.С., ГУРЧЕНКО В.С.
НАНОСИСТЕМЫ
-ню 450 яю 550 а» бво ?«> воо мо зоо
УА/а^епд^, пгп
2ИЮ
1Н0
Рис. 2. Оптические спектры 1МРН (а) — прохождение (1), отражение (2), пики поглощения (вставки). ИК спектры (Ь) —
1МРН (1) и FCM (2).
отраженного (К) сигналов имели не менее обусловлены валентными колебаниями С = 1.5-103 точек при длительности поворота С бензольных колец. Диапазон 1295-1054 призмы не менее 30 минут (рис. 2а). ст-1 - С-Н С-С, С-Н колебания. При 1128-
Относительно ровные спектры К и 744 ст-1 - деформационные колебания С-Н Т 1МРН пленок толщиной 2.2-2.3 цт групп в бензольных кольцах и алкильном
имели коротковолновый (420-500 пт) и длинноволновый (850-900 пт) экстремумы, дающие пики поглощения на 3-3.1 eV и люминесценции в области 1.4 eV (вставки рис. 2а).
Попытка предварительной оценки ширины запрещенной зоны с применением
заместителе.
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА
Для определения электрических параметров
гетеропереход был сформирован в виде
«сэндвич» структуры (вставка на рис. 3). В
качестве контактной группы использовались уравнения Таука, по аналогии [12], показала
г алюминий (А1) на сеталле, толщиной 120
наличие энергетического барьера, равного
пт, с удельным сопротивлением 40 О/ sq и оксид индия-олова (1ТО) с удельным сопротивлением 16-18 О/sq, имеющий
менее 82%. Методом
3.05 еУ. Пленки FCM, осажденные из раствора бензола, имели практические нулевые спектры пропускания и отражения,
лежащие на уровне шумов фотоумножителя с прозрачность не
^ ^ ^ А ^ ТТ\ /ГТЛТ Т Г^У/Л
1 1 полива из раствора 1МРН наносился на НО, коэффициентом поглощения еще меньшим,
чем у чистого фуллерена. а ГСМ - на алюминий. Замеры объемных
Характерной особенностью ИК спектров сопротивлений производились не менее
1МРН и FCM (рис. 2Ь, вставка) в области малых 10 раз с использованием анализатора
длин волн (3000-2500 ст-1) является наличие полупроводниковых приборов Кеу^
В1500. Образцы размещались в герметичной
нескольких полос поглощения, связанных с
колебаниями С-Н группы [11]. Интенсивность экранирующей камере с осветительной
пиков FCM в данном диапазоне в несколько матрицей при температуре 20-25 С. раз больше пиков 1МРН. В области более Токовые зависимости сборки
низких частот (2000-650 ст-1) для FCM выстраивались по усреднённому
присущи полосы 1375 и 1457 ст-1, которые восьмикратному точечному измерению при
можно отнести к С 3-Н группе, а пики 669, длительности развертки по напряжению
699 ст-1 - С 2-Н [13]. В диапазоне (2000-650 5, 10, 15 минут. Отношение прямого тока к
ст-1) для 1МРН характерно наличие пиков обратному на отрезке от -1 У до +1 У, при
1672 и 1558 ст-1, связанных с С = О и С = усреднении по пяти циклам, составило 104 с
N группами, пики в области 1610-1364 ст-1 выраженным гистерезисом в пол°жительн°й
НАНОСИСТЕМЫ
СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ПРОВОДЯЩИЕ СВОЙСТВА 335 ПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ...
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика гетероструктуры FCM — 4-метилфенилгидразон Nизоамилизатина (1-прямая ветвь; 2-обратная ветвь).
четверти ВАХ (рис. 3). По аналогии с классическими полупроводниковыми
приборами, для углеродно-органической гетероструктуры можно также вывести напряжения смещения при прямом включении 0.45-0.5 V с выходом на линейный участок по току с 4.1 ¡¡А (рис. 3). Тогда как достижение обратных токов 530 рА при напряжении —1 V может быть обусловлено неидеальностью построения области объемного заряда и наличием рекомбинационных уровней, которые сводят к нулю фоточувствительность FCМ-IMPH гетероструктуры, в сравнении с С60-4-метилфенилгидразон ^изоамилизатина [11].
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ключевым результатом проведенного исследования можно считать демонстрацию возможности построения потенциального барьера на основе фуллеренсодержащего материала и органического прекурсора 4- метилфенилгидразон ^изоамилизатина. Определение состава исследуемых материалов методом рентгенофазового анализа подтвердили молекулярные структуры образцов. При спектральном анализе в видимом диапазоне были получены характеристики отражения, поглощения и прохождения, а также вычислен энергетический барьер.
Исследование спектров ИК показало наличие пиков, характерных как для IMPH, так и для используемого FCM. Добавление органического соединения позволило значительно усилить проводящие свойства тонкопленочной структуры фуллеренсодержащего материала и достичь отношения прямого и обратного токов 4 порядка. Вид вольт-амперной характеристики свидетельствует о наличии потенциального барьера, обусловленного различной морфологией базовых
молекулярных систем, и требующий дополнительных исследований. В общем, проведенные результаты подтверждают перспективность исследований в области создания органической квантовой электроники, которая в совокупности с наноструктурированными углеродными материалами значительно расширит границы современного приборостроения. Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-3290038.
ЛИТЕРАТУРА
1. Cao X, Lau C, Liu Y, Wu F, Gui H, Liu Q, Zhou C. Fully Screen-Printed, Large-Area, and Flexible Active-Matrix Electrochromic Displays Using Carbon Nanotube Thin-Film Transistors. ACSNano, 2016, 10(11):9816-9822.
2. Chortos A, Koleilat GI, Pfattner R, Kong D, Lin P, Nur R, Bao Z. Mechanically Durable and Highly Stretchable Transistors Employing Carbon Nanotube Semiconductor and Electrodes. Advanced Materials, 2015, 28(22):4441-4448.
3. Романов НМ, Захарова ИБ, Малова ММ, Елистратова МА, Мусихин СФ. Влияние гамма-излучения на тонкие нанокомпозитные пленки MEH-PPV/С. Научно-технические ведомости СПГПУ, Физико-математические науки, 2018, 11(4):24-34.
4. Захарова ИБ, Зимиров ВМ, Романов
ГУСЕВ А.Н., МАЗИНОВ А.С., ТЮТЮНИК А.С., ГУРЧЕНКО В.С.
НАНОСИСТЕМЫ
НМ, Квятковский ОЕ, Макарова ТЛ. Оптические и структурные свойства пленок фуллерена с добавлением теллурида кадмия. Физика твердого тела,
2014, 56(5):1024-1029.
5. Izawa S, Shintaku N, Kikuchi M, Hiramoto M. Importance of interfacial crystallinity to reduce open-circuit voltage loss in organic solar cells. Appl. Phys. Lett, 2019, 115(6):153301.
6. Awartani O, Kudenov MW, Kline RJ, O'Connor BT. In-Plane Alignment in Organic Solar Cells to Probe the Morphological Dependence of Charge Recombination. Adv. Funct. Mater, 2015, 25(8):1296-1303.
7. Page ZA, Liu Y, Duzhko VV, Russell TP, Emrick T. Fulleropyrrolidine interlayers: Tailoring electrodes to raise organic solar cell efficiency. Science express, 2014, 346(6208):441-444.
8. Nimith KM, Satyanarayan Nagarajan, Govindarao Umesh. Enhancement in fluorescence quantum yield of MEH-PPV:BT blends for polymer light emittingdiode applications. Optical Materials, 2018, 80:143148; DOI: 10.1016/j.optmat.2018.04.046.
9. Работягов КВ, Шевченко АИ, Мазинов АС. Исследование структуры и физико-химических свойств пористых углеродных материалов, полученных низкотемпературным крекингом. Ученые записки Крымского федерального университета им. В.И. Вернадского, Серия «Биология, химия»,
2015, 1(67):125-131.
10. Cigan M, Jakusova K, Gaplovsky M, and Filo J, Donovalova J, Gaplovsky A. Isatin phenylhydrazones: Anion enhanced photochromic behavior. Photochem. Photobiol. Sci, 2015, 14:2064-2073.
11. Гусев АН, Мазинов АС, Шевченко АИ, Тютюник АС, Гурченко ВС, Брага ЕВ. Вольт-амперные характеристики и фотоэлектрический эффект гетероструктур фуллерен С60-4-метилфенилгидразон N-изоамилизатина. Письма в ЖТФ, 2019, 45(19):40-43.
12. Евстропьев СК, Кулагина АС, Евстропьев КС, Колобкова ЕВ, Никоноров НВ, Сошников ИП, Орешкина КВ, Хребтов АИ. Влияние молекулярного веса поливинилпирролидона на структуру, спектральные и нелинейно-оптические свойства композиционных материалов, содержащих наночастицы CdS/ZnS. Оптика и спектроскопия, 2018, 125(5):608-614.
13. Работягов КВ, Мазинов АС, Гурченко ВС, Тютюник АС, Шевченко АИ, Иванченко ИО, Арутинов НЭ. Сравнительная характеристика тонкопленочных фуллеренсодержащих структур. Ученые записки Крымского федерального университета имени В.И. Вернадского, Серия Биология. Химия, 2019, 5(2):210-218.
Гусев Алексей Николаевич
д.х.н, проф.
Крымский федеральный университет им.
В.И. Вернадского
Симферополь 295007, Россия
Мазинов Алим Сейт-Аметович
к.т.н, доцент
Крымский федеральный университет им.
В.И. Вернадского
Симферополь 295007, Россия
Тютюник Андрей Сергеевич
аспирант
Крымский федеральный университет им.
В.И. Вернадского
Симферополь 295007, Россия
Гурченко Владимир Сергеевич
аспирант
Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского Симферополь 295007, Россия [email protected].
