Введение к работе
Актуальность темы
Электрофизические свойства полимерных материалов исследуются в настоящее время очень интенсивно по нескольким направлениям. Это обусловлено и потребностями современной микро- и наноэлектроники, и уникальными возможностями целенаправленно менять свойства полимеров методами допирования, введения новых функциональных групп, изменения конформации макромолекул и т. д. Наряду с исследованием полимеров в качестве традиционных диэлектрических материалов осуществляются работы по изучению полимеров в качестве полупроводников и проводников. Впечатляющие успехи достигнуты при разработке электролюминесцентных устройств (полимерных светодиодов), полимерных транзисторов, элементов памяти. Во всех разработках особую важность приобретают размерные аспекты, связанные с процессами, происходящими на поверхностях и границах раздела. Из общих соображений очевидно, что свойства субмикронных и наноразмерных слоев полимера во многом определяются свойствами электродных материалов, на которых эти слои сформированы. Морфология поверхности электрода, качество ее очистки, процессы, происходящие в электроде, могут повлиять на механические, адгезионные, электрофизические свойства полимера.
Среди проблем, связанных с исследованием механизма переноса заряда в тонких (субмикронных) слоях диэлектриков, особое место занимает круг явлений, связанный с эффектами переключения и памяти. Эти эффекты проявляются в виде резкого перехода исследуемой структуры из низкопро-водящего в высокопроводящее состояние, причем состояние структуры можно контролировать напряжением или током. Обнаруженные в 60-х годах прошлого века в халькогенидных стеклообразных полупроводниках, аморфных пленках окислов и тонких пленках полимеров, они представляют значительный интерес по масштабу открывающихся технологических возможностей.
Несмотря на большой объем экспериментальных результатов, накопленных за несколько десятилетий исследований, до сих пор нет единого мнения при ответе на вопрос: возможна ли высокая проводимость в тонких пленках полимеров, каковы условия ее возникновения и каков физический механизм переноса заряда в этом случае? Обусловлено это, по-видимому, наличием часто противоречивой информации, включая и многочисленные теоретические построения. Таким образом, вопрос о формировании и свойствах высокопроводящего состояния и механизме высокой проводимости полимерных тонкопленочных систем остается открытым. В связи с этим
предпринята попытка разностороннего экспериментального исследования эффекта переключения в тонких пленках полимеров на примере одного их класса - полигетероариленов.
Основной акцент данной работы был сделан на исследовании влияния различных внешних воздействий на состояние проводимости системы металл-полимер-металл. Обьгано считается, что эффект переключения, как резкое изменение проводимости, может происходить в сильных электрических полях. В настоящей работе была сделана попытка расширить рамки этого явления и продемонстрировать возможность формирования и свойства высокопроводящего состояния в полимерной пленке, индуцированного давлением, вариацией граничных условий, электронной и ионной бомбардировкой.
Использование различных внешних воздействий предполагает не только проведение электрофизических исследований, но и учет разнообразных факторов, могущих повлиять на интерпретацию результатов. В результате такой подход к проблеме позволяет выйти на новый уровень понимания природы эффектов переключения, приводящих к состоянию высокой проводимости в тонких пленках полимеров.
Цель работы
Исследование совокупности физических явлений и процессов, приводящих к реализации эффектов переключения в тонких (субмикронных) пленках полигетероариленов.
В рамках поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Формулировка физического состояния структуры металл-диэлектрик-металл с учетом глубины проникновения объемного заряда и шнурования инжекционного тока.
-
Подбор и апробация диэлектрического слоя, удовлетворяющего критериям постоянной толщины, термической и механической стабильности, технологичности.
-
Экспериментальное исследование эффектов переключения, вызванных различными внешними воздействиями.
-
Разработка и экспериментальная проверка физической модели, которая позволяет объяснить эффекты переключения в полимерных пленках свойствами внутренней (надмолекулярной) структуры полимерных пленок.
-
Экспериментальная проверка некоторых следствий из предложенной модели.
Научная новизна
Экспериментально обнаружено, что эффекты электронного переключения в тонких пленках полигетероариленов вызываются энергетически малыми внешними воздействиями. В качестве таких воздействий были использованы одноосное давление, изменение агрегатного состояния одного из электродов, структурные превращения в одном из электродов, электронная бомбардировка.
Проведено комплексное исследование методами просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии морфологии и структуры полимерных пленок, подвергнутых переключению в высокопро-водящее состояние при помощи различных внешних воздействий.
Впервые показано, что проводящие каналы, визуализированные разными методами, локализованы на межглобулярных границах полимерной пленки. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность целенаправленного создания проводящего канала в любой точке полимерной пленки.
Исследование электрофизических свойств полимерных пленок вблизи порога переключения позволило предложить модель перехода в высоко-проводящее состояние. Модель предполагает локальную модификацию энергетической структуры полимера, вызванную инжекцией заряда из электрода. В рамках инжекционной модели была изучена динамика электронных состояний вблизи порога переключения в высокопроводящее состояние.
Был впервые обнаружен и экспериментально исследован перенос заряда в структурах металл-полимер-вакуум и полупроводник-полимер-вакуум (электронная эмиссия). Показано, что эмиссия электронов является следствием локального переключения.
Благодаря возможностям сканирующей туннельной микроскопии показана взаимосвязь эффектов переключения и эмиссионных свойств. Впервые методами сканирующей туннельной микроскопии реализована возможность управления зарядовыми процессами в кремний-полимерных структурах.
Новое научное направление
Физика зарядовых процессов в субмикронных приэлектродных слоях неупорядоченных органических диэлектриков.
Защищаемые положения
1. Изменение условий инжекции на границе раздела металл-полимер приводит к резкому увеличению проводимости в системе металл-
полимер-металл (эффекту переключения) при субмикронной толщине полимерного слоя.
-
Проводимость в системе металл-полимер-металл анизотропна, что обусловлено шнурованием инжекционного тока. Токовые шнуры (проводящие каналы) локализованы на межглобулярных границах полимерной пленки. Свойства проводящих каналов обусловлены взаимной ориентацией боковых фрагментов макромолекулы.
-
Следствием эффектов переключения является электронная эмиссия в структурах металл-полимер-вакуум и полупроводник полимер-вакуум.
-
Следствием эффектов переключения является возможность записи информации при исследовании структур металл-полимер и полупроводник-полимер методом сканирующей туннельной микроскопии.
Практическая значимость работы
Во многом обусловлена потребностями современной микроэлектроники. Использованные в работе физические подходы и модели для описания эффектов переключения носят достаточно общий характер. Исследование и сравнение разных видов воздействия на полимерную пленку, приводящих к возникновению высокопроводящего состояния, способствуют развитию теоретических представлений о механизме электронного переключения в разных классах объектов.
Реализуемые в полимерной пленке эффекты электронного переключения позволяют использовать структуры металл-полимер-металл в качестве энергонезависимых элементов памяти.
Результаты исследования инжекционных процессов на границе металл-полимер при фазовом или структурном переходе в металле позволяют использовать это явление для неразрушающей диагностики структурных превращений в металлах.
Результаты исследования эмиссионных свойств структур с полимерными покрытиями открывают возможности для создания новых типов не-накаливаемых катодов, плоских дисплеев и катодолюминесцентных источников света.
При СТМ-исследовании кремний-полимерных структур осуществляется локальное воздействие на структуру и регистрируется результат воздействия в масштабе, близком к атомарному, что дает возможность записывать, перезаписывать и хранить информацию.
Апробация работы
Результаты работы были представлены на конференциях и симпозиумах разного уровня. В частности, IV Всесоюзный симпозиум «Неоднородные электронные состояния» Новосибирск'91, 1991; EMRS Conference, 1991, Strasbourg; Int. conference on electronic materials-ICEM 92, Strasbourg; ICSM'92, Geteborg, Sweden, 1992; 3-rd IUMRS Int. Conf. on Advanced Materials, Tokyo, 93, Japan; MRS-93, Fall Meeting, Boston, 1993; EMRS-spring meetting 1994, Strasbourg, France; ISCM'94, Seoul, 1994, Korea; Int. Conf. of Science and Technology of Synthetic Metals, 1996, Snowbird, USA; International Conference on Science and Technology of Synthetic Metals (ICSM'98), Nantes, France, 1998; 7th Int. Symp. «Nanostructures: Physics and Technology», St. Petersburg, Russia, 1999; Advanced Research Workshop «Investigations and Applications of Severe Plastic Deformation», Moscow, Russia, 1999; совещание «Зондовая микроскопия-2000», Нижний Новгород, 2000; Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик 2000; Towards molecular electronics 25-30 June 2001, Srem (Poland); Int. Workshop «Scanning Probe Microscopy-2002», Nizhny Novgorod, 2002, Russia; Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia, Symposium and Summer School, Moscow, 2002; симпозиум «Ha-нофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2005; V Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», 2006, Санкт-Петербург; 6th Inter. Conf. Electronic Processes in Organic Materials (ICEPOM-06) Gurzuf, Ukraine, 2006; VII Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии»,
-
Кисловодск, Россия; VI Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», 2008, Санкт-Петербург; IV International Conference on Molecule Electronics ELECMOL'08 December 8-12,
-
Grenoble; Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 16-20 марта 2009; Eupoc2009-EPF Europolymer Conference. May 31 - June 4, 2009 - Gargnano Lago di Garda; XVI Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, РЭМ'2009, 31 мая - 1 июня 2009, Черноголовка.
Публикации
По теме диссертации опубликовано: 1 учебное пособие (в соавторстве), 44 статьи в отечественных и зарубежных рецензируемых научных изданиях (37 статей в перечне, рекомендованном ВАК), получено 3 патента.
Личное участие автора в получении научных результатов
Состоит в постановке задачи исследований, выборе объектов и методов их исследования, проведении экспериментов и обработке полученных результатов, интерпретации экспериментальных данных на основе теоретических моделей, обсуждении полученных результатов и написании статей.
Объем и структура работы
