Электронные явления в фотоактивных тонкопленочных полимерных структурах на основе комплекса [NiSalen] Пучков Михаил Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Полимерные материалы нашли широкое применение в производстве элементов современной электроники. Введение в структуру полимерных соединений металлов позволяет изменить схемы переноса носителей заряда (НЗ) в указанных материалах. Исследования в области синтеза металлополимеров привели к созданию большого числа высокомолекулярных систем со встроенными на молекулярном уровне в полимерную цепь атомами металлов, что по сравнению с механическим внедрением приводит к более высокому уровню взаимодействия металл -органическое окружение, определяющему макрофизические параметры материала. Полимеры с включениями металла представляют практический интерес ввиду высокой скорости переноса НЗ, фоточувствительности, а также возможности изменения электрофизических и оптических свойств путем варьирования природы металлического центра и его лигандного окружения. Металлополимерные пленки применяются при разработке элементов твердотельной электроники и оптоэлектроники, функционирование которых связано с явлениями электропереноса, поляризации и фотовозбуждения. С фундаментальной точки зрения изучение электронных процессов в металлополимерных структурах позволяет определить корелляцию между строением, системой связей и электрофизическими свойствами материала. Результаты таких исследований лежат в основе выбора ионов металла и органических лигандов для синтеза пленок полимера с заранее заданными параметрами.

Среди металлополимерных систем можно выделить группу материалов
с включением атомов переходных металлов, которые проявляют высокую
реакционную способность за счет возможности изменения зарядовых
состояний. В настоящей работе в качестве объекта исследования были
выбраны пленки металлополимера, включающего в себя металлический
центр (Ni) с окружением (лигандом) Salen [1], в качестве которого
используют азометины или основания Шиффа. В сравнении с полимерами
других типов данные высокомолекулярные соединения имеют больший
потенциал практического применения за счет простоты изготовления,
стабильности фазового состава и термостойкости. Перекрытие электронных
оболочек атома металла и атомов органического окружения, а также наличие
разветвленной системы ж-связей лиганда приводит к улучшению таких
свойств исследуемых металлополимерных пленок, как

фоточувствительность и электропроводность. Использование образцов на базе соединения атомов никеля с лигандом Salen обусловлено достаточной изученностью структуры мономерной молекулы и электрохимических свойств полимера на её основе. Особенностью исследуемого металлополимера, как представителя класса соединений на базе оснований Шиффа, является возможность существования в двух формах - окисленной и восстановленной, а также способность обратимо переходить из одного состояния в другое с сохранением электронной

структуры супрамолекулы, что определяет основные физические свойства. Изучение режимов синтеза и свойств образцов nojm[NiSalen], находящихся в электролитной среде [2], обнаружило различия в электро- и фотоактивности структуры полимера двух форм: для окисленного состояния характерен более высокий уровень проводимости и низкая фоточувствительность, пленки восстановленной формы отличаются меньшей скоростью переноса НЗ и фотоактивностью, проявляемой в обнаруженном фотовольтаическом эффекте.

Изучение процессов электропереноса, зарядообразования и механизмов фотоактивности в пленках поли[№8а1еп] позволяет определить корреляцию структуры окисленной и восстановленной форм с электрофизическими свойствами металлополимера.

Цель работы. Установление особенностей и механизмов электропроводности, зарядообразования и фотоиндуцированных явлений в тонкопленочных полимерных структурах на основе мономера [NiSalen] в постоянных и переменных электрических полях.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Выявление механизмов процесса электропроводности в пленках
iKwra[NiSalen].

2. Исследование фотоэлектрических характеристик исследуемых
металлополимерных структур.

3. Изучение закономерностей поведения диэлектрических свойств
тонкопленочных образцов исследуемого металлополимера.

4. Исследование фотополяризационных явлений в пленках
поли[№8а1еп].

Научная новизна. В отличие от работ, выполненных ранее, целью которых ставилось выяснение особенностей процесса полимеризации поли[№8а1еп] и влияния условий синтеза на рост полимерных пленок, в настоящей работе впервые:

1. Установлена повышенная проводимость образцов исследуемого металлополимера окисленной формы. Определены концентрация и подвижность носителей заряда в металлополимерной структуре. Показано, что электропроводность в изучаемом соединении может быть рассмотрена в рамках прыжкового механизма.

2. Релаксационный характер частотной дисперсии диэлектрических параметров отвечает распределению релаксаторов в изучаемой металлополимерной структуре.

3. Показано, что температурная зависимость диэлектрических
параметров пленки поли[№8а1еп] окисленного состояния
характеризуется гистерезисом.

4. В образцах металлополимера восстановленной формы обнаружена фотопроводимость в постоянном и переменном электрических полях, низкочастотный фотодиэлектрический отклик, температурное гашение данного эффекта и фотопамять в режиме измерения фотоемкости.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структура nonn[NiSalen] окисленной формы характеризуется
повышенной проводимостью, обусловленной большей степенью
делокализации гг-электронов в системе химической связи, по сравнению со
структурой полимера восстановленной формы.

2. В металлополимерных пленках имеет место прыжковый механизм
проводимости, реализуемый за счет переноса носителей заряда между
обобществленными 7г-орбиталями мономерных звеньев [NiSalen].

3. Обнаруженная фотопроводимость образцов металлополимера восстановленной формы определяется поглощением квантов света электронной подсистемой органического окружения металлического центра.

4. Ярковыраженная дисперсия диэлектрических характеристик металлополимерных пленок обусловлена асимметрией распределения электронной плотности в компонентах мономерной структуры.

5. Выявленные фотоиндуцированные изменения диэлектрических параметров пленочных структур поли[№8а1еп] определяются интегральным вкладом проводимости и диэлектрической поляризации.

Теоретическая значимость работы.

Результаты комплексного исследования электрофизических свойств пленок поли[№8а1еп] в темновом и световом режимах измерения вносят существенный вклад в понимание особенностей зарядообразования и электропереноса в металлополимерах на основе соединений атомов переходных металлов.

Практическая значимость работы. Данные, полученные при изучении процессов электропроводности и поляризации в металлополимерных структурах на основе комплекса [NiSalen], применимы при выборе полимерного материала для разработки и изготовления электронных компонентов. Обнаруженная фоточувствительность пленок исследуемого соединения в видимой области спектра определяет возможность их использования в производстве элементов твердотельной оптоэлектроники.

Результаты исследований электрофизических свойств пленок поли[№8а1еп] являются основой для изучения других, более сложных по структуре и составу металлополимерных соединений.

На базе экспериментальных установок, разработанных в ходе выполнения диссертационной работы, реализованы лабораторный научно-исследовательский практикум студентов факультета физики РГПУ им. А.И.Герцена и выполнение ими дипломных и магистерских исследований в рамках учебных программ по направлению «Физика конденсированного состояния».

Связь темы с планом научных работ. Диссертационная работа являлась частью научных исследований научно-исследовательской лаборатории физики неупорядоченных систем и проводилась в рамках госбюджетной тематики НИИ Физики РГПУ им. А.И. Герцена (заказ-наряд

Министерства образования и науки РФ №11/09-ЗН «Исследование механизмов поляризации и процессов переноса заряда в электро- и фотоактивных наноструктурированных материалах»).

Достоверность и научная обоснованность результатов и выводов диссертации обеспечивается: корректной формулировкой направлений исследования и их физической обоснованностью, адекватностью используемых методик поставленным задачам, сопоставлением с данными научно-технической литературы по проблеме исследования, применением для интерпретации полученных результатов современных модельных представлений, достаточным объемом экспериментальных результатов и их воспроизводимостью.

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах: IV Международной конференции «Диэлектрического общества» и IX Международной конференции «Диэлектрические и сопутствующие явления» (Познань, Польша, 2006 г.), VIII, IX и X международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006, 2007, 2008 г.г.), IX Международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 2007 г.), XXII Международной конференции по аморфным и нанокристаллическим полупроводникам (Колорадо, США, 2007 г.), XI Международной конференции «Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008)» (Санкт-Петербург, 2008 г.), III Международной конференции по физике электронных материалов ФИЭМ'08 (Калуга, 2008 г.), Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые, науке, технологиям и образованию» (Москва, 2008 г.) и научных семинарах кафедры физической электроники Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 17 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка используемой литературы. Работа содержит 126 страниц сквозной нумерации, 61 рисунок, 6 таблиц. Список литературы включает 124 наименования.

Похожие диссертации на Электронные явления в фотоактивных тонкопленочных полимерных структурах на основе комплекса [NiSalen]

Физические явления в структурах с дефиной инжекцией на основе компенсированных полупроводниковГаспарян, Фердинанд Вазгенович

Кооперативные явления при взаимодействии динамических и топологических солитонов с дефектами в различных модельных кристаллических решетках на основе ГЦК структурыЗахаров, Павел Васильевич

Электронная структура катализатора и комплекса на основе рутения по данным рентгеновской спектроскопии поглощенияАльперович, Игорь Гарриевич

Влияние дефектности структуры на явления переноса и оптические свойства нестехиометрических полупроводниковых соединений системы "MIVA-IIIB-XVIB"Милославский, Александр Григорьевич

Влияние эффектов беспорядка и электрон-фононного взаимодействия на кинетические явления в структурах малых размеровРудин, Александр Менделевич

Модулированные структуры, предпереходные явления и свойства металлических сплавов (Ni-Al) и оксидов Y(Eu)-Ba-Cu-OКузнецова Елена Игоревна

Влияние легирования на дефектную структуру и явления переноса в простых оксидах металлов, вольфраматах и оксишпинелях Журавлев Николай Леонидович

Равновесные структуры и необратимые явления при термоупругих мартенситных превращенияхПаскаль, Юрий Иванович

Кинетические явления в тонкопленочных структурах n-InSb, In1-xGaxSb, n-InSb-SiO2-p-SiНикольский Юрий Анатольевич

Эффект близости и когерентные явления в гибридных структурах сверхпроводник-нормальный металл-ферромагнетикГоликова Татьяна Евгеньевна