Научная статья на тему 'Вклад полевого механизма в термостимулированный ток в субмикронных пленках полидифениленфталида'

Вклад полевого механизма в термостимулированный ток в субмикронных пленках полидифениленфталида Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
191
62
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭЛЕКТРОАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРЫ / ТОНКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ / ЭЛЕКТРИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ДЕФЕКТЫ / ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ / ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННЫЕ ТОКИ / ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛИД / ELECTROACTIVE POLYMERS / THIN POLYMER FILMS / ELECTRICALLY ACTIVE DEFECTS / ACTIVATION ENERGY / THERMOSTIMULATED CURRENTS / POLYDIPHENYLENEPHTHALIDE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Пономарев А. Ф., Лачинов А. Н., Мошелев А. В.

В статье приводятся результаты исследования влияния электрического поля на перенос заряда в тонких пленках полидифениленфталида методом термостимулированного тока (ТСТ). Обнаружено сильное смещение пиков ТСТ в низкотемпературную область при увеличении разности потенциалов на полимерном образце. В работе оценивается применимость эффекта Френкеля–Пула и термоэлектронной эмиссии Шоттки для объяснения обнаруженного явления.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Пономарев А. Ф., Лачинов А. Н., Мошелев А. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FIELD EFFECT INFLUENCE TO THERMOSTIMULATED CURRENT OF THE SUBMICROMETER POLYDIPHENYLENEPHTHALIDE FILMS

At present high resistive organic polymeric semiconductors and dielectrics are widely used in electronics and other areas of science and technology. The work presents the results of electric field influence on charge transfer in thin polydiphenylenephthalide films by thermostimulated current technique (TSC). It has been discovered that a strong shift of TSC picks takes place in a low temperature region under potential difference increase applying to the polymer sample. Feasibility of the Pool-Frenkel effect and the Schottky emission for explanation is estimated.

Текст научной работы на тему «Вклад полевого механизма в термостимулированный ток в субмикронных пленках полидифениленфталида»

УДК 537.5

ВКЛАД ПОЛЕВОГО МЕХАНИЗМА В ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННЫЙ ТОК В СУБМИКРОННЫХ ПЛЕНКАХ ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛИДА

© А. Ф. Пономарев1*, А. Н. Лачинов2, А. В. Мошелев1

1 Башкирский государственный университет, Бирский филиал Россия, Республика Башкортостан, 452453 г. Бирск, ул. Интернациональная, 10.

Тел./факс: +7 (34784) 4 04 52.

E-mail: [email protected] 2Институт физики молекул и кристаллов УНЦ РАН Россия, Республика Башкортостан, 450075 г. Уфа, ул. пр. Октября, 151.

Тел./факс: +7 (347) 284 35 38.

E-mail: [email protected]

В статье приводятся результаты исследования влияния электрического поля на перенос заряда в тонких пленках полидифениленфталида методом термостимулированного тока (ТСТ). Обнаружено сильное смещение пиков ТСТ в низкотемпературную область при увеличении разности потенциалов на полимерном образце. В работе оценивается применимость эффекта Френкеля-Пула и термоэлектронной эмиссии Шоттки для объяснения обнаруженного явления.

Ключевые слова: электроактивные полимеры, тонкие полимерные пленки, электрически активные дефекты, энергия активации, термостимулированные токи, полидифениленфталид.

Полиариленфталиды в последние годы привлекают все большее внимание своими необычными электрическими свойствами. Поэтому особую актуальность приобретают исследования механизмов переноса заряда в данных полимерах. Для полимер -ных материалов является типичным наличие лову-шечных состояний в запрещенной зоне и их сильное влияние на транспорт носителей заряда. Одним из наиболее эффективных и удобных методов оценки параметров носителей заряда в полимере является метод ТСТ. Простые аналитические выражения [1] позволяют установить связь между параметрами электрически активных ловушек и экспериментальными зависимостями (положением, величиной, а так же формой соответствующего пика) ТСТ.

Вид экспериментальных кривых зависит от условий измерения спектра ТСТ, к которым относятся время и интенсивность фотовозбуждения [2], скорость нагрева образца и напряжение, приложенное к образцу в процессе его нагревания [3, 4]. По условиям проведения термостмулированного эксперимента первые два фактора не должны вносить существенных изменений в регистрируемую кривую ТСТ, в то же время изменение разности потенциалов, приложенной к электродам образца, в большинстве случаев приводит к существенным изменениям формы кривой ТСТ.

В связи с этим в настоящей работе проводилось экспериментальное изучение влияния величины разности потенциалов на образце на вид кривых ТСТ с целью установления возможного вклада полевого механизма в процессы переноса заряда в полидифениленфталиде (ПДФ), а также влияние электрического поля на параметры носителей заряда. Эксперимент заключался в измерении зависимостей ТСТ от температуры при различных напряжениях на образце.

В качестве объекта исследования был использован ПДФ [5]. Экспериментальный образец представлял собой многослойную структуру типа «сэндвич» металл-полимер-металл, аналогичную описанной в [6]. Толщина полимерной пленки измерялась зондовым микроскопом и составляла 1 мкм. В

качестве материала электродов использовался алюминий.

Рис. Зависимости термостимулированного тока от температуры при скорости нагревания 10 К/мин и ряде напряжений на образце.

На рис. представлены кривые ТСТ, полученные на образцах алюминий-ПДФ-алюминий при скорости нагревания 10 К/мин и ряде напряжений на образце (5, 10 и 25 В). На полученных зависимостях четко прослеживается сдвиг положения максимума пика ТСТ в область более низких температур при повышении напряжения на образце, что, согласно методу температурного положения максимума пика ТСТ [7], может свидетельствовать об уменьшении энергии активации термоионизации. Влияние величины электрического поля на положение пиков в спектре термостимулированных токов обычно связывают с термической ионизацией ловушек в присутствии электрического поля, известной как эффект Френкеля-Пула [8]. Чем сильнее электрическое поле, тем при более низкой температуре происходит ионизация. Максимумы пиков в спектрах ТСТ при этом должны смещаться в область низких температур, что и происходит в нашем случае.

* автор, ответственный за переписку

338

ФИЗИКА

В соответствии с моделью Френкеля-Пула, зависимость тока от напряжения должна иметь следующий вид:

(

I = е^п0 Е ехр

(Р-Рф

1/ Л е/2 Е

ткТ

(1)

/

где I - плотность тока; е - заряд электрона; щ -концентрация свободных термически освобождаемых носителей заряда; л - подвижность носителей заряда; Е - напряженность электрического поля; к-постоянная Больцмана, Т - температура; ф - эффективная работа выхода между уровнем Ферми металла и зоной проводимости полимера; т - параметр, который изменяется от 1 до 2 в зависимости от положения уровня Ферми; @ФП - постоянная Френкеля-Пула, теоретическое значение которой рассчитывается по формуле:

пее0

(2)

На сегодняшний день существует мнение о невозможности реализации механизма Пула-Френкеля в неупорядоченных органических матрицах из-за отсутствия в подавляющем большинстве органических материалов заметных концентраций заряженных транспортных центров. Тем не менее, многие авторы в своих работах по исследованию полимеров связывают влияние электрического поля именно с эффектом Френкеля-Пула [9].

Предполагая, что наблюдаемое в нашем случае уменьшение энергии активации связано с проявлением именно эффекта Френкеля-Пула, используя представленные на рис. зависимости, была рассчитана соответствующая данному уменьшению постоянная Френкеля-Пула.

Результаты расчетов приведены в табл.

Из данных табл. следует, что постоянная Френкеля-Пула, рассчитанная экспериментально, более чем в 2 раза отличается от теоретического значения. Поэтому трудно утверждать, что наблюдаемый сдвиг максимума пика обусловлен только эффектом Френкеля-Пула. Кроме того, в работе [10] были произведены оценки постоянной Френкеля-Пула из результатов измерения ВАХ, с целью установления возможного вклада полевого механизма в процессы переноса заряда в ПДФ. Средняя величина постоянной Френкеля-Пула, полученная в данной работе составила 2.6-10- эВ-(м/В)/2. Полученные значения коэффициента Френкеля-Пула коррелируют со значениями этого же коэффициента, оцененного из кривых ТСТ, однако они отличаются от теоретического. Поэтому, судя по этим данным, в проведенных экспериментах механизм переноса заряда, обусловленный эффектом Френкеля-Пула играет не основную роль, хотя и может в какой-то степени проявляться.

В настоящее время активно развивается новый теоретический подход, который учитывает смещение пика ТСТ в зависимости от приложенного электрического поля [11], связывая этот эффект с распадом геминальных пар. Под геминальной парой понимается два связанных кулоновским взаимодействием захваченных на ловушки носителей заряда

противоположного знака, которые возникают при фотовозбуждении образца, при условии, что энергия фотона имеет значение в пределах наименьшего возбужденного состояния при низких температурах и эффективное напряжение приложенное в течении фотовозбуждения является также малым для стимулирования распада геминальных пар на свободные носители заряда. Для того чтобы внести вклад в термостимулированный ток, носители должны не только быть освобождены из ловушек, но так же преодолеть кулоновский потенциал, созданный их «двойниками». Последний процесс требует дополнительной энергии активации, и вероятность освобождения сильно увеличивается с увеличением электрического поля. Температура пика ТСТ увеличивается с уменьшением поля из-за более низкой вероятности вырывания при слабых внешних полях. Кроме того, при возрастании электрического поля, пик ТСТ значительно возрастает в интенсивности.

Проявление данного механизма в случае термостимулированных токов, наблюдаемых в ПДФ сложно подтвердить. По внешним признакам полевые зависимости, наблюдаемые в полидифенилен-фталиде, аналогичны тем, которые наблюдались в работе [11] в поли(9,9-бис(2-этилгексил)флюорен-2,7-дииле). Однако, для образования геминальных пар важным условием является инжекция как электронов так и дырок в процессе возбуждения образца. Это условие не выполнялось в настоящей работе. Поэтому нельзя с большой достоверностью утверждать о проявлении рассматриваемого механизма применительно к полевым зависимостям ТСТ в тонких пленках полидифениленфталида.

В работе [12], также отмечалось смещение пика ТСТ в область более низких температур при увеличении внешнего электрического поля в поли-флуорене. Однако, в отличие от работы [11], в работе данных авторов отмечалось меньшее смещение по температурной шкале с увеличением поля и, кроме того, уменьшение интенсивности пика ТСТ с ростом электрического поля. Наблюдавшиеся полевые эффекты объясняются авторами перезахватом дырок на более глубокие состояния в случае термостимулированного дисперсионного переноса заряда через слои полимера.

Механизм, описанный в работе [12], скорее всего не применим к объяснению результатов, полученных в настоящей работе, поскольку характер полевых зависимостей термостимулированного тока различен.

Таким образом, смещение положения максимума кривых ТСТ с ростом приложенного к образцу напряжения в сторону низких температур на основе рассмотренных выше моделей объяснения не находит. В то же время необходимо отметить, что ток через образец обусловлен не только термоионизацией ловушек, но и вкладом инжекционных токов, которые в свою очередь зависят от приложенного электрического поля и степени заполнения ловушек. Инжекция носителей заряда в данном случае связана с термостимулированными явлениями, поскольку зависит от наличия свободных ловушечных состояний в полимере, возникающих в результате термоионизации.

3

е

Таблица

Оценка коэффициента Френкеля-Пула из двух разных кривых ТСТ, измеренных при различных напряжениях

Приложенные напряжения, В Вэкст

5, 10 10, 25 5, 25

Как показано в работе [13] за счет инжекции заряда на глубокие ловушки в приэлектродной области полимера (до 100 нм) величина электрического поля на границе полимер-металл существенно уменьшается. Следовательно, конфигурация электрического поля по толщине пленки изменяется таким образом, что величина напряженности поля в центральной части полимерной пленки значительно возрастет. Этот фактор может быть несущественным для полимерных образцов относительно большой толщины, но в данном случае приведенные в работе [13] толщины сопоставимы с параметрами исследованных пленок. Если учесть модель распределения поля согласно [13], то будем вынуждены использовать большие значения эффективной напряженности, что приведет к изменению значения коэффициента Френкеля-Пула.

Инжекционные токи, которые в свою очередь зависят от приложенного электрического поля и степени заполнения ловушек, так же определяют величину тока через образец. Зависимость тока в системе металл-ПДФ-металл от приложенного к образцу напряжения можно рассмотреть на основе механизма термоэлектронной эмиссии Шоттки. Данный механизм заключается в понижении потенциального барьера на границе металл-диэлектрик в присутствии электрического поля, что облегчает инжекцию носителей заряда из металла в диэлектрик и описывается следующим соотношением:

j = a:t2 exp I -íi—í^

kT

(3)

где А - постоянная Ричардсона, рр -высота барьера; рШ - постоянная Шоттки.

Постоянная рШ, входящая в уравнение (3) является неизменной для данного материала и определяется следующим образом

/ш =.

(4)

4жееп

Сравнивая (2) и (4) легко заметить, что

постоянная Шоттки отличается от постоянной

Френкеля-Пула в два раза и для полидифени-

ленфталида она равна вш = 2.15105 эВ-(м/В)/2 [14]. Значение этой теоретической постоянной сопоставимо со значениями, полученными экспериментально, для постоянной Френкеля-Пула из кривых ТСТ и ВАХ.

Таким образом, можно предположить, что в обоих экспериментах в указанных интервалах полей и температур помимо эффекта Френкеля-Пула существенный вклад в перенос заряда вносит термоэлектронная эмиссия Шоттки. Данный факт подтверждается и результатами представленными, в работе [15], где так же было показано, что при из-

•10-5, эВ-(м/В)/2 2.0 2.1 1.95

Вт

•10-5, эВ-(м/В)/2

4.3

мерении кривых ТСТ большую роль может играть инжекция носителей зарядов из электродов.

В заключении следует отметить, что полевые эффекты играют важную роль при переносе заряда в полимерной пленке. При всем разнообразии известных механизмов, описывающих поведение материалов при различных электрических полях, сложно выделить один, который бы точно смог объяснить все нюансы наблюдаемых результатов. С большой вероятностью могут проявляться одновременно не один, а сразу несколько механизмов. При этом можно лишь отметить доминирование одного конкретного при определенных условиях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гороховатский Ю. А., Бордовский Г. А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков. М.: Наука, 1991. 248 с.

2. Кашерининов П. Г., Матюхин Д. Г. Идентификация параметров примесных уровней в высокоомных полупроводниковых кристаллах с помощью термостимулированных токов при дозированном освещении образцов. // ФТП. 1998. Т.32. №6. С. 668-672.

3. Arkhipov V. I., Emelianova E. V., Schmechel R., von Seggern H. Thermally stimulated luminescence versus thermally stimulated current in organic semiconductors // Journal of Non-Cristalline Solids. 2004. V. 338-340. P. 626-629.

4. Nikitenko V. R., Kadashchuk A., Schmechel R, von Seggern H., Korosko Yu. Effect of dispersive transport and partial trap filling on thermally stimulated current in conjugated polymers // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. P. 103702-1- 103702-8.

5. Салазкин С. Н., Шапошникова В. В., Мачуленко Л. Н., Гилева Н. Г., Крайкин В. А., Лачинов А. Н., Синтез поли-ариленфталидов, перспективных в качестве “умных” полимеров // Высокомолекулярные соединения. С. А. 2008. Т. 50. №3. С. 399-417.

6. Пономарев А. Ф., Красильников В. А., Васильев М., Лачинов А. Н. Термостимулированное переключение в пленках электроак-тивных полимеров // ЖТФ. 2003. Т. 73. В. 11. С. 137-140.

7. Милнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках: Пер. с англ. М.: Мир, 1977. 562 с.

8. Frenkel J. On Pre-Breakdown Phenomena in Insulators and Electronic Semi-Conductors // Phys. Rev. 1938. V. 54. P. 647-655.

9. Werner A. G., Blochwitz J., Pfeiffer M., Leo K. Field dependence of thermally stimulated currents in Alq3. // J. Appl. Phys. 2001. V.90. №1. P. 123-125.

10. Ильясов В. Х., Лачинов А. Н., Мошелев А. В., Пономарев А. Ф. Оценка параметров носителей заряда полимера вблизи порога термостимулированного переключения.// ФТТ. 2008. Т. 50. В. 3. С. 547-551.

11. Nikitenko V. R., Kadashchuk A., Schmechel R, von Seggern H., Korosko Yu. Effect of dispersive transport and partial trap filling on thermally stimulated current in conjugated polymers // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. P. 103702-1- 103702-8.

12. Arkhipov V. I., Emelianova E. V., Schmechel R., von Seggern H. Thermally stimulated luminescence versus thermally stimulated current in organic semiconductors // Journal of Non-Cristalline Solids. 2004. V. 338-340. P. 626-629.

13. Закревский В. А., Сударь Н. Т. Электрическое разрушение тонких полимерных пленок // ФТТ. 2005. Т.47. В.5. С. 931-936.

14. Салихов Р. Б., Лачинов А. Н., Бунаков А. А. Перенос заряда в тонких полимерных пленках полиариленфталидов // ФТТ. 2007. Т. 49. В. 1. С. 179-182.

15. Лачинов А. Н., Мошелев А. В., Пономарев А. Ф. Влияние материала электрода в структуре металл-полимер-металл на спектр термостимулированного тока // ФТТ. 2009. Т. 51. В.3. С. 590-595.

3

e

Поступила в редакцию ? ?. ? ?. ? ? ? ? г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.