Научная статья на тему 'ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛИДА НА ИХ ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА'

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛИДА НА ИХ ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
82
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОЛИМЕРЫ / ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ / ПРОВОДИМОСТЬ / ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР / ГРАНИЦА РАЗДЕЛА

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Киан М.Ф., Лачинов А.Н., Юсупов А.Р., Алтыншина Г.Р.

В работе представлены результаты изучения электронных свойств тонких пленок полидифениленфталида при различных условиях их формирования от стадии растворения до стадии конечной твердой пленки. Экспериментальные образцы имели структуру металл - полимер - металл. В ходе изготовления образцов полимерные пленки были отожжены в присутствии атмосферы и в вакууме. В данной работе в качестве метода исследования был использован метод вольтамперных характеристик. Анализ полученных результатов был проведен в рамках модели инжекционных токов, ограниченных объемным зарядом. Это позволило оценить подвижности и концентрации носителей заряда. В результате проведенных исследований установлено, что наличие кислорода при формовании пленки приводит к более высокой проводимости. В данной работе обсуждаются возможные причины данного явления.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Киан М.Ф., Лачинов А.Н., Юсупов А.Р., Алтыншина Г.Р.

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

EFFECT OF THE FORMATION CONDITIONS OF THIN POLYDIPHENYLENEPHTHALIDE FILMS ON THEIR ELECTRONIC PROPERTIES

Nano thin films of polyarylenephthalides have unique electronic properties, the study of which is important not only for fundamental science, but also for practical use in organic electronics devices. However, so far, little attention was paid to studying the stage of polymer film formation and the effect of the environment on the electronic properties of nano-film devices. This paper presents the results of studying the electronic properties of polydiphenylenephthalide thin films under various conditions of their formation from the stage of dissolution to the stage of the final solid film. The experimental samples had a metal-polymer-metal structure. Polymer films with a thickness of 40-700 nm were prepared from solutions in cyclohexanone with various mass fractions of the polymer by spin coating method. During the preparation of the samples, the polymer films were dried in the atmosphere and in a vacuum chamber. In this work, current-voltage characteristics were used as the main research method. Analysis of the obtained data within the injection model made it possible to estimate the mobility and concentration of charge carriers. In addition, according to the Schottky model, the height of the potential barrier at the metal-polymer interface was calculated. As a result of the studies, it was found that the presence of oxygen during film formation leads to higher conductivity. It is appropriate to assume that it is oxygen, as one of the important components of the atmosphere (second in concentration after nitrogen), that affects the electrical conductivity of the polymer film. The authors discuss the possible causes of this phenomenon.

Текст научной работы на тему «ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛИДА НА ИХ ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА»

УДК 544.032

DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2021.1.14

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛИДА НА ИХ ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА

© М. Ф. Киан1, А. Н. Лачинов12*, А. Р. Юсупов1, Г. Р. Алтыншина2

1Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы

Россия, Республика Башкортостан, 450008 г. Уфа, ул. Октябрьской революции, 3а.

2Институт физики молекул и кристаллов УФИЦРАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

Тел.: +7 (347) 287 99 91.

*Email: lachinov_a@mail.ru

В работе представлены результаты изучения электронных свойств тонких пленок поли-дифениленфталида при различных условиях их формирования от стадии растворения до стадии конечной твердой пленки. Экспериментальные образцы имели структуру металл - полимер - металл. В ходе изготовления образцов полимерные пленки были отожжены в присутствии атмосферы и в вакууме. В данной работе в качестве метода исследования был использован метод вольтамперных характеристик. Анализ полученных результатов был проведен в рамках модели инжекционных токов, ограниченных объемным зарядом. Это позволило оценить подвижности и концентрации носителей заряда. В результате проведенных исследований установлено, что наличие кислорода при формовании пленки приводит к более высокой проводимости. В данной работе обсуждаются возможные причины данного явления.

Ключевые слова: полимеры, полимерные пленки, проводимость, потенциальный барьер, граница раздела.

Введение

Электропроводящие полимеры привлекают собой внимание не только в связи с необычными электронными свойствами, но и огромной перспективой практического использования [1-4]. Одна из проблем органической электроники - это стабильность свойств материалов при их длительной эксплуатации в условиях открытой атмосферы. В таких условиях многие перспективные с точки зрения полезных электронных свойств органические соединения подвержены деградации в результате окисления, взаимодействия с парами воды или световым излучением [5-7]. Часто для сохранения полезных свойств и увеличения срока службы электронных устройств используют различные способы защиты, исключающие или ограничивающие факторы нежелательного воздействия окружающей среды. Эта проблема чрезвычайно актуальна для наиболее широко используемых в электронике несопряженных соединений как низкомолекулярных, так и для высокомолекулярных.

Использование для целей электроники несопряженных соединений, среди которых имеются материалы с высокими эксплуатационными характеристиками по термостойкости, химической стабильности и другим параметрам, могло бы решить часть этих проблем при условии наличия в них нужных электронных свойств. В этой перспективе представляют большой интерес полимерные несопряженные материалы, в которых наблюдаются низкоразмерные эффекты, приводящие к высокой управляемой

проводимости органических материалов. Такие эффекты наблюдались в поливинилкарбазоле [8], полипропилене [9], полиэтилене [10] и других.

Среди последних выделяются полиариленфта-лиды, обладающие уникальными показателями по химической стабильности, термостойкости (температура начала разложения достигает 360 оС на воздухе, причем Tg выше этого параметра) и т.д. [11-13]. В то же время хорошо известно, что уникальные электронные свойства таких полимеров возникают в тонких пленках, толщина которых должна быть меньше некоторой критической. Как правило, эта толщина составляет менее 1 мкм [14-15]. Изготовление пленок можно производить различными методами, но их все объединяют стадии растворения полимера в органическом растворителе, полив пленки (метод центрифугирования, Лэнгмюра-Блоджетт, на твердой поверхности и т.п.) и удаление остатков растворителя методами сушки при повышенной температуре. Если процесс формования пленок происходит в условиях открытой атмосферы, то неизбежно происходит взаимодействие органического соединения с кислородом. Исходя из высокой химической стабильности несопряженных полимеров класса полиариленфталидов неявно предполагалось, что такое взаимодействие на стадии формования пленки может быть несущественным. Однако ряд исследований [16-18] показали, что кислород окружающей атмосферы может влиять на электрофизические свойства тонких пленок полиариленфталидов.

В связи с этим целью настоящей работы явилось изучение электронных свойств субмикронных

пленок полиариленфталидов в зависимости от условий их приготовления (в вакууме или открытой атмосфере).

Объекты и методы исследования

В качестве объекта исследования в работе был использован полимер класса полигетероариленов -полидифениленфталид (ПДФ), структурная формула которого представлена на рис. 1а. Синтез этих полимеров описан в [19-20]. Строение синтезированных полимеров было установлено комплексным использованием методов структурного анализа полимеров.

ПДФ обладает высокой тепло- и термостойкостью. Температура размягчения составляет 360 оС. Температура начала разложения (Тд - температура потери 1% веса) в аргоне и в воздухе равна 440 оС [21]. Исследование хемостойкости полиариленфталидов показало, что они устойчивы к кислотам, расплавам щелочей в т.ч. и при повышенных температурах. ПДФ обладает высокими пленкообразующими свойствами. Согласно [22], он способен формировать сплошные, однородные по толщине пленки вплоть до толщин в несколько нанометров при поливе их из раствора в циклогексаноне на металлические поверхности.

Образцы, которые использовались в работе, представляли собой многослойную структуру типа металл/полимер/металл, изготовленную на поверхности стеклянной пластины рис. 1б.

В качестве подложки использовалось предметное стекло, поверхность которого последовательно очищалась в ацетоне, этиловом спирте и дистиллированной воде. Очистка осуществлялась в ультразвуковой ванне. В качестве металла для электродов использовалась медь. Нанесение медных электродов проводили методом термодиффузионного осаждения в вакууме в условиях безмаслянной откачки.

а) б)

Рис. 1. а) Структурная формула полидифениленфталида (ПДФ), б) Схематичное изображение экспериментального образца: 1 - стеклянная подложка; 2 - нижний металлический электрод (Си); 3 - полимерная пленка полидифениленфталида (~ 40 нм < (1 < 700 нм);

4 - верхний металлический электрод (Си).

Полимерные пленки толщиной от 40 до 700 нм были изготовлены из растворов в циклогексаноне с различной массовой долей полимера методом центрифугирования на воздухе. Для удаления остатков растворителя проводили сушку пленки в два этапа. На первом этапе пленка сушилась при комнатной температуре в течение 30 мин. На втором этапе

сушка проходила при температуре, близкой к температуре кипения циклогексанона около 150 ОС в течение 45-60 мин. Сразу после изготовления полимерной пленки образцы разделялись на две партии. Первая партия образцов проходила сушку на воздухе, вторая - в вакууме при давлении 10-2 мм. рт. ст. Предполагалось, что при таких условиях влияние химического состава газов атмосферы на электронные свойства полимерных пленок будет существенно различно.

Для контроля электрофизических свойств полимерных пенок использовался метод вольт-амперных характеристик (ВАХ). Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 2. На многослойный образец электрическое напряжение подавалось при помощи управляемого источника напряжения GD Instek - PSM 6003. Ток, протекающий через образец, оценивался по значению падения напряжения на эталонном сопротивлении. Падение напряжения измерялось при помощи вольтметра Agilent 34401A (рис. 2). Процедуры накопления и обработки результатов измерений были компьютеризированы.

2

Рис. 2. Схема для измерения вольтамперных характеристик: 1 - источник напряжения (GW INSTEK- PSM 6003); 2 - эталонное сопротивление (100 кОм); 3 - вольтметр (Agilent 34401A); 4 - верхний металлический электрод; 5 - полимерная пленка; 6 - нижний металлический электрод; 7 - стеклянная подложка; 8 -компьютер.

Результаты измерений

Типичные ВАХ экспериментальных структур представлены на рис. 3. Анализ вольтамперных характеристик показывает, что проводимость пленок ПДФ, отожженных на воздухе и в вакууме, существенно отличается. При отжиге на воздухе проводимость структуры Си/полимер/Си почти в 10 раз выше по сравнению с проводимостью образцов, полученных в вакууме. Кроме того, асимметрия ВАХ, наблюдаемая для образцов, полученных на воздухе, практически отсутствует у структур, отожженных в вакууме. Возможно, последнее является следствием частичного окисления верхнего электрода, происходящего в процессе термического воздействия на пленочный электрод в условиях открытой атмосферы. Возникающая тонкая пленка CuO2 [23] на верхнем электроде приводит к асимметрии потенциальных барьеров в исследуемой структуре.

а)

1x10-5

1x10-6

1x10-7

< 6x10-8

ЬЧ

4x10-8

2x10-8

0

-30 -20 -10 0 10 20 30 U (V)

б)

1x10-5

1x10-6

1x10-7

6x10-8

ЬЧ

4x10-8

2x10-8

0

1 1 1

—•— 45 nm —•— 150 nm 400 nm -......-

-...... V Г......"

f

-..... i 1 \\ I .......-

V А ■ я 1 X i -......-

V...... ....... ffTT 1 -......-

-30 -20 -10 0 10 20 30 и (V)

Рис. 3. Типичные вольтамперные характеристики тонких полимерных пленок ПДФ: а - отожженные на воздухе и б - отожженные в вакууме. На вставках представлены толщины пленок.

2x10-6 2x10-6 A 1x10 6x10-7 0

0 3x1021 7x1021 10x1021 1/L3

Рис. 4. Зависимость тока, протекающего в структуре Си/ПДФ/Си, от толщины полимерной пленки. Измерения проводились при разности потенциалов ±20В. На вставке дано обозначение кривых. «О2» соответствует отжигу на воздухе, «Vacuum» - в вакууме, знак ± соответствует направлению протекания тока.

Полученные результаты свидетельствуют о сильной зависимости проводимости от толщины пленок. Этот результат можно ожидать при том условии, что в структуре металл/полимер/металл реализуется инжекционный механизм. Для этого механизма характерна толщинная зависимость тока вида

I ~ Ь-3, где Ь - это толщина полимерной пленки. Проведенный анализ показал, что зависимость I = ДЬ-3) хорошо аппроксимируется линейной функцией, хотя для точного анализа, безусловно, необходимо большее количество точек (рис. 4). Разность потенциалов, при которой производился анализ, соответствовала нелинейной области ВАХ.

Помимо толщинной зависимости, на инжекци-онный характер переноса заряда указывает нелинейный характер вольтамперных характеристик. Перестроение ВАХ в логарифмических координатах позволяет выделить омический участок при малых напряжениях, который описывается выражением (1):

/1 = ещци/Ь, (1)

где е - заряд электрона; П0 - равновесная концентрация заряда; д -подвижность носителей заряда; и -напряжение на электродах.

Омический участок ВАХ переходит в сверхлинейный при достижении напряжением определенного значения ип. При этом напряжении концентрация инжектированных носителей заряда сравнивается с концентрацией собственных носителей. ВАХ при и > ип описывается выражением (2):

h = zzoß-

(2)

где 3 - плотность тока; Ь - расстояние между электродами; е и £0 - диэлектрические проницаемости полимера и вакуума соответственно. Из (1) и (2), приравняв правые стороны уравнений при ип, можно получить выражение для концентрации собственных носителей заряда:

По = ££о^пМ2 (3)

и подвижности носителей заряда:

V = Д3/££оУп2. (4)

На рис. 5 представлены результаты проведенных оценок (3-4) подвижности "д" и концентрации носителей заряда "п" в зависимости от толщины полимерных пленок, отожженных на воздухе и в вакууме. Эти результаты свидетельствуют о том, что при отжиге на воздухе подвижность носителей заряда в полимерных пленках выше на порядок, по сравнению с пленками, отожженными в вакууме. Концентрация собственных носителей заряда зависит от толщины незначительно. Однако она несколько выше в пленках, отожженных вакууме.

Результаты, представленные на рис. 5, свидетельствуют о том, что толщина полимерной пленки также влияет на параметры носителей заряда. Увеличение толщины приводит к уменьшению подвижности. По трем толщинам сложно судить о конкретной закономерности, но необходимо отметить, что изменение наклона кривой происходит в области толщин, при которых происходит обнаруженное ранее изменение надмолекулярной структуры пленок от глобулярной к агрегатам молекул [24]. По-видимому, эта взаимосвязь структуры и параметров переноса заряда не случайна. Более того, эти результаты находятся в хорошем согласии с данными работы [25], в которой также было обнаружено влияние толщины полимерных пленок на электрофизические параметры переноса заряда в М/П/М структуре.

а)

5x10-10-4x10-10

^ in

3x10-

1=

^2x10-10-1x10-10

*.....- —

\ Vacuum ......—

\

\ —

--ISr- —

-.....—

0

100

200 300 L (nm)

400

б)

9x102 8x102 - 8x102 7x102 6x102

100

200 300 L (nm)

400

Рис. 5. Изменение подвижности (а) и концентрации носителей заряда (б) в структуре Си/ПДФ/Си при изменении толщины полимерных пленок, отожженных на воздухе (черная линия) и в вакууме (красная линия).

а)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10-:

10-6 10-7 g 10-8 " 10-9 10-10 10-11

б)

10 15 20 U (V)

10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11

10 15 20 и (V)

25 30

Рис. 6. Вольтамперные характеристики тонких полимерных пленок ПДФ, отожженных а - на воздухе и б - в вакууме в полулогарифмических координатах. Прямые линии представляют собой линейные аппроксимации областей насыщения токов и области их пересечения с осью ординат, соответствующие Ь.

а)

0,40 0,36 0,32

0,29 0,25

-------------

_______

_____

- Vacuum (

— O2 (+)

0

100

200 300 L (nm)

400

б)

0,40 0,36 i? 0,32 * 0,29 0,25

~Р ___ —

/

у/ —•— Vacuum (-)

—- о2 (-)

0

100

200 300 L (nm)

400

Рис. 7. Зависимость высоты потенциального барьера образцов от толщины полимерной пленки, отожженных на воздухе и в вакууме: а) при прямом напряжении и б) при обратном напряжении ф.

Транспорт носителей заряда в гетерострук-туре типа металл/полимер/металл может ограничиваться наличием потенциального барьера на границе раздела металл/полимер. Согласно модели Шоттки [Зи], высоту такого потенциального барьера фво можно оценить, используя следующее соотношение:

, кТ. (аа'т2\

^ = 71п (5)

где Т - температура; к - постоянная Больцмана; q - заряд электрона; А - площадь контакта; А * - постоянная Ричардсона; Ь - ток насыщения, который определяется как точка пересечения линии аппроксимации области насыщения ВАХ, построенной в полулогарифмических координатах (1п (I) - V) с осью токов (см. рис. 6).

На рис. 7 представлены зависимости высот потенциальных барьеров образцов от толщины полимерной пленки, отожженных на воздухе и в вакууме, полученные в соответствии с уравнением (5). Хорошо видно, что, во-первых, с увеличением толщины пленки потенциальный барьер увеличивается, и во-вторых, высота потенциального барьера у отожженных в вакууме образцов выше, чем у отожженных в открытой атмосфере. Разная высота потенциального барьера для образцов, отожженных на воздухе при разных направлениях тока, подтверждает высказанное выше предположение о возмож-

0

0

5

ном влиянии частичного окисления медного электрода и возникающей вследствие этого асимметрии в форме вольтамперных характеристик (рис. 3 а).

Заключение

В данной работе было исследовано влияние условий формирования тонких полимерных пленок на электронные свойства полиариленфталидов. Полученные данные показывают, что отжиг образцов в атмосфере приводит к улучшению проводимости пленок полидифениленфталида. Уместно предположить, что именно кислород, как одна из важных компонент атмосферы (вторая по концентрации после азота), оказывает влияние на электропроводимость полимерной пленки. При этом, как было указано в работе [16], с увеличением концентрации кислорода проводимость образцов подает. Предполагается, что существуют два типа кислородных ловушек; один тип ловушек возникает в процессе отжига пленки в атмосфере, а другой - в результате абсорбции кислорода из атмосферы при проведении измерений.

Первый тип ловушек проводит к улучшению проводимости, поскольку на воздухе возникают кислородные центры, связанные с молекулами полимера, которые способствуют увеличению подвижности носителей заряда. Это означает, что молекулы кислорода допируют полимер. В противном случае, абсорбционные кислородные центры формируют ловушки для носителей заряда, которые ухудшают проводимость пленок.

Предлагается учитывать факт влияния атмосферного кислорода на транспорт носителей заряда в пленках ПДФ при интерпретации результатов различных экспериментов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Namsheer K., Rout С. S. Conducting polymers: a comprehensive review on recent advances in synthesis, properties and applications // RSC Advances. 2021. Т. 11. №.10. С. 5659-5697.

2. Inzelt G. Conducting polymers: past, present, future // Journal ofElec-trochemical Science and Engineering. 2018. Т. 8. №1. С. 3-37.

3. Nezakati T. et al. Conductive polymers: opportunities and challenges in biomedical applications // Chemical reviews. 2018. Т. 118. №>14. С. 6766-6843.

4. Inzelt G. Conducting polymers: a new era in electrochemistry. Springer Science & Business Media, 2012.

5. Szuwarzynski M., Wolski K., Zapotoczny S. Enhanced stability of conductive polyacetylene in ladder-like surface-grafted brushes // Polymer Chemistry. 2016. Т. 7. №.36. С. 5664-5670.

6. Masuda T. Substituted polyacetylenes // Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 2007. Т. 45. №.2. С. 165-180.

7. Oh J. et al. Highly porous structured polyaniline nanocompo-sites for scalable and flexible high-performance supercapacitors // Nanoscale. 2019. Т. 11. №13. С. 6462-6470.

8. Ban C. et al. A universal strategy for stretchable polymer nonvolatile memory via tailoring nanostructured surfaces // Scientific reports. 2019. Т. 9. №.1. С. 1-7.

9. Shea J. J. Conductive polymer switching mechanism for high power current-limiting applications // The European Physical Journal Applied Physics. 2010. Т. 49. №.2. С. 22901.

10. Ениколопян Н. С. и др. Аномально низкое электрическое сопротивление тонких пленок диэлектриков // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 33. №.10. С. 508-511.

11. Салазкин С. Н. и др. Синтез полиариленфталидов, перспективных в качестве «умных» полимеров // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2008. Т. 50. №.3.

12. Салихов Р. Б., Лачинов А. Н. Электронные явления в поли-ариленфталидах // Аморфные и микрокристаллические полупроводники. 2010. № 2. С. 177-178.

13. Al-Mohamad A. et al. Thin organic films for electronics applications // Thin Solid Films. 1990. Т. 189. №.1. С. 175-181.

14. Lachinov A. N., Natal'ya V. Electronics of thin layers of wide-band polymers // Physics-Uspekhi. 2006. Т. 49. №.12. С. 1223.

15. Звукова Н. Д., Шапошникова В. В., Салазкин С. Н. Термостой-

кий полиариленфталид и способ его получения. М., 2017.

16. Юсупов А. Р. и др. Влияние кислорода на электропроводящие свойства тонких пленок полимерного диэлектрика // Физика твердого тела. 2019. Т. 61. №.3. С. 581-586.

17. Singh S. K., Crispin X., Zozoulenko I. V. Oxygen reduction reaction in conducting polymer PEDOT: Density functional theory study // The Journal of Physical Chemistry C. 2017. Т. 121. №.22. С. 12270-12277.

18. Aneesh Kumar K. V. et al. Influence of oxygen ion implantation on the free volume parameters and electrical conductivity of a polymer-based bakelite RPC detector material // Journal of Applied Polymer Science. 2017. Т. 134. №.24.

19. Золотухин М. Г. и др. Некоторые закономерности синтеза полиариленфталидов гомополиконденсацией п-(3-хлоро-3-фталидил)-бифенила // Высокомолекулярные соединения. 1984. Т. 26. №2.6. С. 1212-1217.

20. Zolotukhin M. G. et al. Poly (phthalidylidenearylene) s. Gelation in the homopolycondensation of 3-aryl-3-chlorophthali-des // Die Makromolekulare Chemie: Macromolecular Chemistry and Physics. 1993. Т. 194. №.2. С. 543-549.

21. Grushevskaya S. N. et al. Свойства полупроводниковых оксидов меди, сформированных на сплавах Cu-Au // Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy= Condensed Matter and Interphases. 2013. Т. 15. №.3. С. 253-265.

22. Johansson N. et al. A theoretical study of the chemical structure of the non-conjugated polymer poly (3, 3'-phthalidylidene-4, 4'-bi-phenylene) // Synthetic Metals. 1994. Т. 67. №.1-3. С. 319-322.

23. Карамов Д. Д., Лачинов А. Н., Корнилов В. М. Связь структуры пленок полидифениленфталида с их физическими свойствами // Известия РАН. Серия физическая. 2020. Т. 84. №5. С. 636-638.

24. Галиев А. Ф., Лачинов А. А., Карамов Д. Д., Лачинов А. Н., Юсупов А. Р., Киан М. Ф. Влияние материала электрода на электронное переключение в структуре металл/полимер/металл. // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2021. №6. С. 1-7.

25. Новоселов И. В. Взаимодействие полиариленфалидов и их аналогов с йодом. М., 1996.

Поступила в редакцию 23.06.2021 г.

DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2022.1.14

EFFECT OF THE FORMATION CONDITIONS OF THIN POLYDIPHENYLENEPHTHALIDE FILMS ON THEIR ELECTRONIC PROPERTIES

© M. F. Kian1, A. N. Lachinov12*, A. R. Yusupov1, G. R. Altynshina2

1Bashkir State Pedagogical University n. a. M. Akmulla 3a Oktyabrskoi Revolyutsii Street, 450008 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

2Institute of Molecule and Crystal Physics, Ufa Federal Research Center of RAS 71 Oktyabrya Avenue, 450054 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (347) 287 99 91.

*Email: lachinov_a@mail.ru

Nano thin films of polyarylenephthalides have unique electronic properties, the study of which is important not only for fundamental science, but also for practical use in organic electronics devices. However, so far, little attention was paid to studying the stage of polymer film formation and the effect of the environment on the electronic properties of nano-film devices. This paper presents the results of studying the electronic properties of polydiphe-nylenephthalide thin films under various conditions of their formation from the stage of dissolution to the stage of the final solid film. The experimental samples had a metal-polymer-metal structure. Polymer films with a thickness of 40-700 nm were prepared from solutions in cyclohexanone with various mass fractions of the polymer by spin coating method. During the preparation of the samples, the polymer films were dried in the atmosphere and in a vacuum chamber. In this work, current-voltage characteristics were used as the main research method. Analysis of the obtained data within the injection model made it possible to estimate the mobility and concentration of charge carriers. In addition, according to the Schottky model, the height of the potential barrier at the metal-polymer interface was calculated. As a result of the studies, it was found that the presence of oxygen during film formation leads to higher conductivity. It is appropriate to assume that it is oxygen, as one of the important components of the atmosphere (second in concentration after nitrogen), that affects the electrical conductivity of the polymer film. The authors discuss the possible causes of this phenomenon.

Keywords: polymers, polymer films, conductivity, potential barrier, interface.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Namsheer K., Rout C. S. RSC Advances. 2021. Vol. 11. No. 10. Pp. 5659-5697.

2. Inzelt G. Journal of Electrochemical Science and Engineering. 2018. Vol. 8. No. 1. Pp. 3-37.

3. Nezakati T. et al. Conductive polymers: opportunities and challenges in biomedical applications. Chemical reviews. 2018. Vol. 118. No. 14. Pp. 6766-6843.

4. Inzelt G. Conducting polymers: a new era in electrochemistry. Springer Science & Business Media, 2012.

5. Szuwarzynski M., Wolski K., Zapotoczny S. Polymer Chemistry. 2016. Vol. 7. No. 36. Pp. 5664-5670.

6. Masuda T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 2007. Vol. 45. No. 2. Pp. 165-180.

7. Oh J. et al. Highly porous structured polyaniline nanocomposites for scalable and flexible high-performance supercapacitors. Nanoscale. 2019. Vol. 11. No. 13. Pp. 6462-6470.

8. Ban C. et al. A universal strategy for stretchable polymer nonvolatile memory via tailoring nanostructured surfaces. Scientific reports. 2019. Vol. 9. No. 1. Pp. 1-7.

9. Shea J. J. The European Physical Journal Applied Physics. 2010. Vol. 49. No. 2. Pp. 22901.

10. Enikolopyan N. S. i dr. Anomal'no nizkoe elektricheskoe soprotivlenie tonkikh plenok dielektrikov. Pis'ma v ZhETF. 1981. Vol. 33. No. 10. Pp. 508-511.

11. Salazkin S. N. i dr. Sintez poliarilenftalidov, perspektivnykh v kachestve «umnykh» polimerov. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya A. 2008. Vol. 50. No. 3.

12. Salikhov R. B., Lachinov A. N. Amorfnye i mikrokristallicheskie poluprovodniki. 2010. No. 2. Pp. 177-178.

13. Al-Mohamad A. et al. Thin organic films for electronics applications. Thin Solid Films. 1990. Vol. 189. No. 1. Pp. 175-181.

14. Lachinov A. N., Natal'ya V. Physics-Uspekhi. 2006. Vol. 49. No. 12. Pp. 1223.

15. Zvukova N. D., Shaposhnikova V. V., Salazkin S. N. Termostoikii poliarilenftalid i sposob ego polucheniya [Heat-resistant poly-arylenephthalide and a method for its preparation]. Moscow, 2017.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

16. Yusupov A. R. i dr. Vliyanie kisloroda na elektroprovodyashchie svoistva tonkikh plenok polimernogo dielektrika. Fizika tverdogo tela. 2019. Vol. 61. No. 3. Pp. 581-586.

17. Singh S. K., Crispin X., Zozoulenko I. V. The Journal of Physical Chemistry Pp. 2017. Vol. 121. No. 22. Pp. 12270-12277.

18. Aneesh Kumar K. V. et al. Influence of oxygen ion implantation on the free volume parameters and electrical conductivity of a polymer-based bakelite RPC detector material. Journal of Applied Polymer Science. 2017. Vol. 134. No. 24.

19. Zolotukhin M. G. i dr. Nekotorye zakonomernosti sinteza poliarilenftalidov gomopolikondensatsiei n-(3-khloro-3-ftalidil)-bifenila. Vysokomolekulyarnye soedineniya. 1984. Vol. 26. No. 6. Pp. 1212-1217.

20. Zolotukhin M. G. et al. Poly (phthalidylidenearylene) s. Gelation in the homopolycondensation of 3-aryl-3-chlorophthalides. Die Makromolekulare Chemie: Macromolecular Chemistry and Physics. 1993. Vol. 194. No. 2. Pp. 543-549.

21. Grushevskaya S. N. et al. Svoistva poluprovodnikovykh oksidov medi, sformirovannykh na splavakh Cu-Au. Kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy= Condensed Matter and Interphases. 2013. Vol. 15. No. 3. Pp. 253-265.

22. Johansson N. et al. A theoretical study of the chemical structure of the non-conjugated polymer poly (3, 3'-phthalidylidene-4, 4'-bi-phenylene). Synthetic Metals. 1994. Vol. 67. No. 1-3. Pp. 319-322.

23. Karamov D. D., Lachinov A. N., Kornilov V. M. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya. 2020. Vol. 84. No. 5. Pp. 636-638.

24. Galiev A. F., Lachinov A. A., Karamov D. D., Lachinov A. N., Yusupov A. R., Kian M. F. Poverkhnost': rentgenovskie, sinkhrotronnye i neitronnye issledovaniya. 2021. No. 6. Pp. 1-7.

25. Novoselov I. V. Vzaimodeistvie poliarilenfalidov i ikh analogov s iodom [Interaction of polyarylenephalides and their analogs with iodine]. Moscow, 1996.

Received 23.06.2021.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.