close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

oformlenie VKR

код для вставкиСкачать
Оглавление
Введение3
Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДОВ В ДИЭЛЕКТРИКАХ5
1.1. Методы измерения подвижности носителей зарядов5
1.2. Исследование транспорта носителей заряда в полимерной пленке методом CELIV.8
1.3. Анализ результатов полученных методом CELIV.9
1.4. Транспорт носителей заряда в диэлектриках12
Литература16
Введение
Актуальность. Измерение подвижности носителей заряда времяпролетным методом (ВП) используется на протяжении нескольких десятилетий для изучения органических полупроводников и диэлектриков. Он позволяет оценить подвижность заряда для электронов и дырок, и достаточно прост в интерпретации полученных результатов. Современные исследования в области полимерных полупроводниковых приборов фокусируется на свойствах одно- и многослойных тонкопленочных структур с толщинами менее 100 нм. Такие структуры представляют значительный интерес для исследования, так как являются основой для органических светодиодов, органических солнечных батарей и др. электронных устройств. Большинство электронных устройств на основе органических материалов состоит из многослойных пленочных структур с толщинами много меньшими 100 нм. Это существенно ограничивает метод ВП, так как из теории данного метода известно, что толщина полимерной пленки должна быть много больше и при этом пленка должна обладать скорее диэлектрическими свойствами. Важным ограничением ВП метода являются малые концентрации носителей заряда. Более того, измерения методом ВП не дают точных результатов, поскольку в большинстве случаев время диэлектрической релаксации намного меньше, чем время пролёта зарядов . Таким образом, измерение подвижности методом ВП, как правило, ограничивается концентрацией основных носителей n << 5 × 1022 м-3, для E = 3 × 107 В/м, D = 100 нм и ε = 3 [1].
В связи с этим, становится актуальным, использование новых экспериментальных методов оценки подвижности носителей заряда в многослойных пленочных структурах.
В качестве альтернативы времяпролетному методу измерения фототока, Юшка и соавторы предположили использование метода CELIV (вытягивание носителей заряда линейно увеличивающимся напряжением). Этот метод измерения подвижности носителей заряда можно использовать и при условии . Метод CELIV предполагает наличие однородной плотности распределения носителей заряда, при этом суммарная плотность заряда равна нулю, т.е. электроны и дырки компенсируют друг друга. Важно отметить, что метод CELIV применим для анализа подвижности носителей заряда при существенной разнице в подвижности электронов и дырок. [2]. Использование данной методики для измерения подвижности в полидифениленфталиде, явилось основной целью данной работы. Цель работы: Ознакомиться с теорией метода CELIV для измерения подвижности носителей. Собрать установку для измерения подвижности методом CELIV.
Задачи: 1. Подготовить установку для измерения подвижности методом CELIV и провести измерения на экспериментальных структурах.
2. Провести анализ полученных результатов и сравнить их с результатами ВП метода.
Глава 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДОВ В ДИЭЛЕКТРИКАХ
1.1. Методы измерения подвижности носителей зарядов
Подвижность носителей зарядов является важным параметром, определяющим кинетические характеристики носителей заряда в исследуемых материалах. В частности, эффективность фотоэлементов на основе сопряженных полимеров существенно снижается из-за низкой подвижности носителей заряда. Таким образом, данные о подвижности носителей зарядов позволяют определить эффективность полимеров для фотоэлементов и других практических применений. Существует несколько методов измерения подвижности, которые активно используемые в течение последних десятилетий (таблица 1.1.). Таблица 1.1.
Методы измерения подвижности носителей зарядов
МетодСтруктура образцаФорма сигналаΜСсылки1. TOF (времяпролетный)[5]2. OTFT (органические тонкопленочные транзисторы)
[10]3. JV (вольтамперные характеристики)[9]4. DISCLC (темновой инжекционный ток, ограниченный пространственным зарядом)[11]5. AV (спектроскопия полной проводимости)[8]6. CELIV (вытягивание носителей заряда линейно увеличивающимся напряжением)[12] Времяпролетный метод является одним из широко распространенных методов исследования транспорта носителей зарядов, который применялся для исследования целого ряда сопряженных полимеров и органических полупроводников. [9,14]. В этом методе, пакет носителей заряда генерируется световым импульсом и дрейфует через исследуемый материал под влиянием внешнего приложенного напряжения. Время прихода пакета носителей заряда измеряется при достижении противоположного электрода и рассчитывается по формуле (1.1)
где d - толщиной пленки, U - приложенное напряжение и ttr -время пролета. Для метода ВП требуется толстая пленка, что ограничивает этот метод при измерении подвижности в реальных тонких органических пленках используемых в электронных устройствах.
Хорошо известен метод полевого транзистора (FET) для измерения подвижности в полимерных пленках. [1,6]. Подвижность носителей заряда по FET рассчитывается по вольтамперным характеристикам канала проводимости. В этом методе, носители заряда дрейфуют по горизонтали вдоль канала. Этот метод измерения при высокой концентрации заряда в канале, как правило, дает завышенную подвижность носителей значений, которые в большинстве случаев не достигается в диодах и др. устройствах. В последнее время происхождение больших значений подвижности полученные методом FET объясняется концентрационной зависимостью носителей заряда. [2,8].
Другим довольно распространенным методом измерения подвижности в многослойных структурах, является метод SCLM, основанный на изучении тока ограниченного объемным зарядом. Метод достаточно прост, осуществляется инжекция заряда в объем полимерной пленки и по полученной вольтамперной характеристике проводится оценка подвижности носителей заряда. Эта методика не описывает переходные явления, так как она по своей природе является статической. Теория метода и методика оценки по SCLM описывается в работе [15]. Так в работах [7,16] этот метод был использован для изучения подвижности носителей заряда (дырок) в широких интервалах температур в сопряженных полимерах [17]. В последнее время данным методом были исследованы органические материалы, используемые в фотоэлементах и светодиодах.
В последнее время, зарубежными авторами для оценки подвижности носителей заряда активно используется метод CELIV предложенный Г.Юшкой еще в 80-х годах прошлого века [12]. В методе CELIV оценивается подвижность равновесных носителей заряда. Расчет проводится по времени соответствующему максимуму концентрации вытягиваемых носителей заряда (на кривой переходного тока, время оценивается по точке соответствующей максимуму плотности тока). В отличие от времяпролетного метода, этот метод не ограничивается толщиной пленки и позволяет проводить измерения подвижности и в тонких пленках. Одной из проблем, данного метода является низкая концентрация равновесных носителей заряда. В этой связи, был предложен модифицированный метод основанный на фотогенерации носителей заряда с последующей инжекцией в объем органической пленки носителей заряда. Модифицированный метод фото-CELIV более удобен для генерации и последующего вытягивания из объема линейно увеличивающимся полем носителей заряда. [13,18].
Рассмотрим более подробно теорию метода CELIV.
1.2. Исследование транспорта носителей заряда в полимерной пленке методом CELIV.
Согласно данному методу (рисунок 1.1), подаются два последовательных импульса линейно возрастающего напряжения (a) и с помощью осциллографа регистрируется кривая переходного тока (b). При этом вытягиваемый заряд, будет определяться по разнице этих двух нестационарных процессов при малом времени задержки (td) между импульсами. Второй импульс используют для контроля качества блокирующего контакта, а изменением td оценивают время релаксации заряда в экспериментальной структуре.
Рисунок.1.1. а) прикладываемый импульс напряжения [U(t)=At]; б) регистрируемые кривые переходного тока. В отличие от метода ВП носители заряда не генерируются световым импульсом, а используются равновесные носители заряда. В случае метода CELIV не наблюдается начальных всплесков тока смещения (в результате использования ступенчатого напряжения до светового импульса), которая обычно затрудняет измерения и оценку в ВП.
1.3. Анализ результатов полученных методом CELIV.
В теории данного метода расчет переходных токов проводится с использованием уравнения непрерывности и уравнения Пуассона.
(1.2)
Рассмотрим многослойную пленку толщиной d, при этом блокирующий электрод расположен в х=0. Концентрация равновесных носителей заряда n. При приложении линейно возрастающего напряжения, носители заряда в момент времени t извлекаются с глубины - l(t) где 0<l(t)<d.
Интегрируя уравнение Пуассона, получаем извлеченный заряд Q(t) в виде
(1.3)
где ε ε0 - относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемости соответственно; E(0,t) и E(d,t) электрическое поле в положениях 0 и d, соответственно.
Проинтегрировав уравнение непрерывности по толщине x получим
(1.4)
где σ = enμ (μ - подвижность).
На глубине (0 - l(t)) из-за неэкранированного заряда, электрическое поле линейно уменьшается, а в проводящей области (l(t)-d) электрическое поле однородно и равно E(d,t). Поэтому в случае линейно увеличивающегося напряжения U(t)=At получаем следующее
(1.5)
Используя уравнения (1.3) - (1.5) получим уравнение Рикатти для глубины l(t) в виде
(1.6)
Усредняя уравнение по толщине образца x получаем
(1.7)
Заменяя E(d,t) в формуле (1.4) и используя формулу (1.6) получим выражение для переходного тока
(1.8)
Переходный ток, определяемый по формуле (1.8) показан сплошной линией на Рис.1.1(б). В случае плохого блокирующего контакта или наличие частичной рекомбинации, ход кривой переходного тока будет слабо отличатся от кривой полученной при первом импульсе.
Объемная проводимость может быть определена по начальному наклону кривой переходного тока
(1.9)
а диэлектрическая проницаемость из формулы - j(0) = (εε0A)/d.
Когда τσ = εε0/σ >> ttr (где ttr соответствует полному времени пролета носителей заряда расстояния между электродами) извлеченный заряд слабо меняет распределение электрического поля, поэтому можно упростить формулу (1.8) как
(1.10а)
для и
для t > ttr(1.10б)
Таким образом, подвижность можно оценить по времени соответствующему максимальному току. (1.11)
Для τσ <<ttr
(1.12)
Итак: при оценке параметров транспорта носителей из CELIV рассматриваются три случая в зависимости от проводимости материала:
1. В случае малой проводимости, когда τσ"ttr (или ∆j"j(0)). Подвижность носителей заряда определяется непосредственно по максимуму кривых переходного тока CELIV.
(1.13)
где K=2/3 для объемной генерации и K=2 для поверхностной фотогенерации, tmax время когда ток достигает максимального значения.
2. В случае высокой проводимости, когда τσ"ttr (или ∆j"j(0)). Подвижность носителей заряда определяется как:
(1.14)
3. В случае средней проводимости, когда τσ ≈ ttr (или ∆j ≈ j(0)). Подвижность носителей заряда рассчитывается из следующего уравнения:
(1.15)
где (1 + 0.36∆j/j(0), поправочный коэффициент). [12]
Метод CELIV, активно применяется для изучения органических полупроводников. Возникает вопрос, как он может быть применим для изучения органических диэлектриков, с учетом формулы 1.14. Рассмотрим особенности транспорта носителей заряда в диэлектриках.
1.4. Транспорт носителей заряда в диэлектриках
Известно, что диэлектрики (изоляторы) - это вещества, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов. Термин "диэлектрик" происходит от греческого слова dia - через, сквозь и английского слова electric - электрический. Этот термин впервые ввел М. Фарадей в 1838 г. для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле. Как известно, резкой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток. Но если в веществе свободных зарядов в 1015-1020 раз меньше, чем в металлах, то в таких случаях слабой проводимостью вещества можно пренебречь и считать его идеальным диэлектриком. Почти все заряженные частицы внутри диэлектрика связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела. Они могут только незначительно смещаться относительно своих равновесных положений.
Согласно зонной структуре твердых тел, для диэлектрика характерно наличие полностью заполненной валентной зоны, отделенной от пустой зоны проводимости энергетическим промежутком в несколько электрон-вольт (запрещенной зоной). Ни в заполненной, ни в пустой зоне не может быть проводимости, если в диэлектрик не внести дополнительных носителей. Носители можно либо генерировать внутри диэлектрика (процессы, ограниченные объемом), либо инжектировать в него из металлического электрода (процессы, ограниченные инжекцией). Различные процессы, определяющие прохождение тока сквозь помещенный между двумя электродами диэлектрик (такая структура называется туннельным переходом), механически показаны на рисунке 1.2(А)[2].
1. Простейший механизм - это непосредственное квантомеханическое туннелирование электронов из одного электрода в другой (а). Рисунок. 1.2. Энергетические диаграммы: А - идеальный трапецеидальный барьер в системе металл(1) - диэлектрик - металл(2) при положительном смещении V электрода 1 относительно электрода 2; Б - асимметричный трапецеидальный барьер в условиях умеренного и большого напряжения смещения; В - произвольный потенциальный барьер с учётом сил изображения. 2. Носители можно инжектировать в зону проводимости (или валентную зону) диэлектрика посредством термоэлектронной эмиссии Шоттки, через потенциальный барьер на границе раздела диэлектрик - металл (б).
3. Носители могут туннелировать сквозь потенциальный барьер в диэлектрике (в) под действием сильного электрического поля (автоэлектронная или холодная эмиссия).
Процессы 2 и 3 аналогичны соответствующим процессам при эмиссии электронов из металла в вакуум.
4. Перенос носителей в зоне проводимости видоизменяется в зависимости от процессов рассеяния (г). Решеточное рассеяние, по-видимому, сказывается слабо, так как толщина диэлектрика мала.
5. С другой стороны, концентрация ловушек в атмосферных пленках должна быть высокой, в связи с чем процессы захвата носителей на ловушки (д) должны заметным образом влиять на электропроводность трехслойной.
6. При наличии ловушек возможно также туннелирование через ловушки (е).
7. То же самое относится к прыжковой проводимости по ловушкам (ж).
Если же концентрация ловушек мала, а контакты омические (т. е. уровень Ферми в контактном материале очень близко подходит к зоне проводимости диэлектрика, так что обеспечено неограниченное введение электронов проводимости), то прохождение тока должно зависеть главным образом от пространственного заряда.
При определенных упрощающих предположениях перечисленные механизмы поддаются количественному описанию. Однако анализ экспериментальных данных весьма сложен, потому что и - высоты барьеров на поверхностях раздела металл - диэлектрик; ψ - работа выхода из металла; ξ - уровень Ферми. Электроны переходят из второго электрода в первый под действием одного или нескольких из семи описанных ранее механизмов (а) - (ж); - обратный ток из первого электрода во второй.
Во многих случаях одновременно действует ряд механизмов[17]. Литература
1. Antoniadis H., Abkowitz M. A., and Hsieh B. R., Carrier deep-trapping mobilitylifetime products in poly(p-phenylene vinylene), Appl. Phys. Lett. 65, 1994, с. 2030-2032.
2. Blom P. W. M., M. J. M. de Jong, and J. J. M. Vleggaar, Electron and hole transport in poly(p-phenylene vinylene) devices, Appl. Phys. Lett. 68, 1996, с. 3308, 3310.
3. Chan K.H., So S.K., Using admittance spectroscopy to quantify transport properties of P3HT thin films, Journal of Photonics for Energy, 2011, 011112-7, Vol. 1. 4. Cheung C.H., Song W.J., and So S.K., Role of air exposure in the improvement of injection efficiency of transition metal oxide/organic contact. Organic Electronics 11, 2010, с. 89-94.
5. Cyrus Y.H. Chan, C.M. Chow, So S.K., Using transistor technique to study the effects of transition metal oxide dopants on organic charge transporters, Organic Electronics 12, 2011, с. 1454-1458.
6. Harrison K.H. Lee, Chan Kevin K.H., So S.K., Role of electron blocking and trapping layers in transport characterization of a photovoltaic polymer poly(3-hexylthiophene), Organic Electronics 13, 2012, с. 541-544. 7. Juska G., Arlauskas K., and Viliunas M., Extraction Current Transients: New Method of Study of Charge Transport in Microcrystalline Silicon, Phys. Rev. Letts., 2000, 84 4946.
8. Juška G., Arlauskas K., Viliunas M., Genevicius K., Osterbacka R., and Stubb H., Charge transport in p -conjugated polymers from extraction current transients, Phys. Rev. B 62, 2000, с. 16235-16238.
9. Kreouzis T., Poplavskyy D., Tuladhar S. M., Quiles M. C., Nelson J., Campbell A. J., and Bradley D. D. C., Temperature and field dependence of hole mobility in poly(9,9-dioctylfluorene), Phys. Rev. B 73, 2006, 235201(1) -235201(15).
10. Lampert M. A., and Mark P., Current Injection in Solids, Academic, New York, 1970.
11. Martens H. C. F., Brom H. B., and Blom P.W.M., Frequency-dependent electrical response of holes in poly(p-phenylene vinylene), Phys. Rev. B 60, 1999, с. 8489-8492.
12. Mihailetchi V. D., J. van Duren J. K., Blom P. W. M., Hummelen J. C., Rene A. J. Janssen, Kroon J. M., Rispens M. T., W. Jan H. Verhees, and M. M. Wienk, Electron transport in a methanofullerene, Adv. Func. Mater. 13, 2003, с. 43-46.
13. Золотухин М.Г., Ковардаков В.А., Салазкин С.Н., Рафиков С.Р., Некоторые закономерности синтеза полиариленфталидов гомополиконденсацией n-(3-хлоро-3-фталидил)-бифенила [Текст] / Высокомолек. Соед.-1984.-Т.26а.-№6.-с.1212-1217.
14. Новоселов И.В. Взаимодействие полиариленфталидов и их аналогов с иодом. [Текст] : дис ... канд. хим. наук. : 02.00.06 : защищена 15.03.96 / Новоселов Игорь Викторович ИОХ УНЦ РАН, Уфа - 1996, с. 135. 15. Рафиков С. Р., Толстиков Г. А., Салазкин С.Н., Золотухин М.Г.. Полигетероарилены для изготовления термостойких материалов и способ их получения А. с. 734989 СССР. / Бюл. Изобрет. - 1981. - № 20. - с. 259.
16. Салазкин С.Н., Золотухин М.Г., Ковардаков В.., Дубровина Л.В., Гладкова Е.А., Павлова С.С., Рафиков С.Р., Молекулярно-массовые характеристики полиариленфталида. / Высокомолек. соед. - 1987.-А29. - № 7. - с.1431-1436.
17. Юсупов А.Р., Тамеев А.Р., Лачинов А.Н., Любцов В.С., Ванников А.В., Влияние атмосферы на транспорт дырок в пленках полидифениленфталида, Письма в ЖТФ, 2012, том 38,вып. 24, с 18-25
3
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
114
Размер файла
1 466 Кб
Теги
vkr, oformlenie
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа