Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 11
1.1. Влияние ионизирующего облучения на физические свойства твердых тел 11
1.1.1 Взаимодействие радиационного облучения различной природы с веществом 11
1.1.1.1. Прохождение электронов через вещество 12
1.1.1.2. Взаимодействие у-излучения с веществом 15
1.1.1.3. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество 16
1.2. Взаимодействие облучения высокой энергии с молекулярными органическими кристаллами 17
1.3. Эффекты и механизмы влияния ионизирующего облучения на электрические свойства фуллеренов 26
1.4. Фотовольтаические эффекты и вольтаические эффекты, индуцированные ионизирующим облучением 33
1.5. Физические свойства фуллеренов 40
1.5.1 Электронная структура Сбо 40
1.5.2 Оптические свойства фуллеренов 41
1.5.3 Электрические свойства фуллеренов 46
1.6. Структура донорно-акцепторных комплексов на основе фуллерена Сбо 49
1.6.1. Структура комплекса TBPDA2C60 49
1.6.2. Структура комплекса TBPDA*(C6o)2- 50
1.6.3. Структура комплекса LCV-Ceo-CeHsCl 51
1.7. Перспективы использования фуллеренов в технике, электронике, химии и
нанотехнологиях 53
1.8. Постановка целей и задач исследования 60
ГЛАВА 2. Методика исследования 62
2.1. Методика получения образцов 62
2.2. Методика измерения 64
2.3. Выводы 66
ГЛАВА 3. Влияние малоинтенсивного ионизирующего облучения на проводимость монокристаллов С60 67
3.1 Экспериментальные данные о влияние малоинтенсивного ионизирующего облучения на проводимость монокристаллов Сбо 61
3.2. Модели влияния малоинтенсивного ионизирующего облучения на проводимость монокристаллов Сво 77
3.4. Выводы 88
ГЛАВА 4. Обнаружение и исследование радиационно-вольтаических эффектов, возникающих под действием малоинтенсивного рмэблучения в донорно-акцепторных комплексах на основе фуллерена С60 89
4.1. Радиационно-вольтаические эффекты в донорно-акцепторных комплексах на основе фуллерена Сбо 89
4.2. Модели, объясняющие возникновение радиационно-вольтаических эффектов в донорно-акцепторных комплексах на основе фуллерена Сбо - №5
4.3. Выводы 108
Общие выводы по работе 109
Литература
- Взаимодействие радиационного облучения различной природы с веществом
- Методика измерения
- Модели влияния малоинтенсивного ионизирующего облучения на проводимость монокристаллов Сво
- Модели, объясняющие возникновение радиационно-вольтаических эффектов в донорно-акцепторных комплексах на основе фуллерена Сбо
Введение к работе
Актуальность темы.
Фуллерены, фуллериты и их химические производные являются перспективными материалами для применения в области нанотехнологий, спинтроники и одноэлектроники [1]. В частности, в [2, 3] сообщалось об их практическом применении в качестве рабочего материала в фотопреобразователях солнечной энергии и датчиках излучения различной природы. Твердотельные датчики ионизирующего облучения и преобразователи солнечной энергии сейчас делаются, главным образом, на базе ионных и ковалентньгх кристаллов. Перспективным считается создание солнечных батарей и сенсоров на основе молекулярных фуллеренсодержащих материалов, которые будут обладать сходными характеристиками, а также некоторыми преимуществами, например гибкостью полученных элементов [4].
Для исследования фотогальванических эффектов в полупроводниках традиционно в виде источника возбуждения электронной подсистемы образцов используют свет различного диапазона длин волн. Однако из-за малой глубины проникновения света вглубь образца (для фуллеренсодержащих материалов 1 мкм) такой источник возбуждения позволяет исследовать материал только в приповерхностном слое. Для исследования объемных свойств целесообразно использовать не свет, а другое излучение с более высокой проникающей способностью. Например: у-, р- или протонное излучение. Из всех вышеперечисленных излучений Р-излучение обладает несколькими сравнительными достоинствами: во первых, облучение электронами интенсивностью # 107 CM V и флюенсом F 10n см"2 не приводит к деструктуризации фуллеренсодержащих материалов в отличие от протонного и у-излучения [5-9]; во вторых, механизмы возбуждения электронной подсистемы органических кристаллов светом и Р излучением достаточно близки, что позволит применять модели возникновения различных фотогальванических эффектов и для радиационно-гальванических явлений.
В этой связи большой принципиальный и практический интерес вызывают исследования влияния малоинтенсивного облучения на электрические свойства фуллеритов и донорно-акцепторных комплексов (ДАК) на основе фуллеренов, а также обнаружение и исследование радиационно-вольтаических явлений в фуллеренсодержащих структурах. Кроме того, анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании действия ионизирующего облучения на проводимость фуллеренов и их комплексов, позволит прогнозировать электронно-оптические свойства новых фуллеренсодержащих материалов и оптимизировать их синтез. Таким образом, актуальность работы определяется:
- перспективностью исследования влияния малоинтенсивного (К \0 см с") ионизирующего Р-облучения на электропроводность фуллерена Сбо;
- высокой вероятностью обнаружения радиационно-гальванических эффектов с большим квантовым выходом в ДАК на основе фуллерена Сбо;
- возможностями использования новых типов молекулярных комплексов на основе фуллерита Сбо в оптоэлектрических приборах.
- перспективами получения новых типов молекулярных комплексов на основе фуллерита Сбо с заданными радиационно-зависимыми свойствами.
Цель настоящей работы заключалась в изучении закономерностей влияния малоинтенсивного р-облучения на электропроводность монокристаллического фуллерита Сбо, а также в обнаружении и исследовании радиационно-вольтаических явлений, индуцированных р-облучением в ДАК на основе фуллерита Сбо- В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследования:
1. Создать экспериментальные условия для исследования влияния ионизирующего Р-облучения с интенсивностью К 107 CM V1 и средней энергией электронов 0,5 МэВ на проводимость молекулярных кристаллов. 2. Исследовать влияние малоинтенсивного ионизирующего р-облучения на электропроводность фуллерита Сбо- Определить основные характеристики радиационно-стимулированной проводимости монокристаллов Сбо.
3. Исследовать возможность возникновения радиационно-вольтаических эффектов в ДАК на основе фуллерита Сбо- Определить основные особенности обнаруженных эффектов.
4. На базе полученных экспериментальных результатов предложить механизмы влияния ионизирующего р-облучения с интенсивностью К 107 CM"V на проводимость фуллерита Сбо, а также возможные модели возникновения радиационно-вольтаических эффектов в комплексах на его основе.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: Обнаружено, что электрические свойства, в частности, электропроводность фуллерита Сбо чувствительна к малоинтенсивному ионизирующему облучению. Показано, что данный эффект можно объяснить с помощью модели многокаскадной ионизации молекул монокристалла электронами внешнего возбуждения. Обнаружено влияние слабого магнитного поля (МП) (индукция В = 0,4 Тл) на радиационно-стимулированную проводимость фуллерита Сбо.
Обнаружен радиационно-вольтаический эффект, индуцированный ионизирующим Р облучением с интенсивностью К 3-Ю6 CM V В нескольких молекулярных комплексах фуллерена Сбо с насыщенными аминами: LCV (лейко кристаллический фиолетовый или
4,4 ,4"-метилдинтрис(М,М-диметиланилин)), TBPDA (КД№,№-тетрабензил-и фенилендиамин), TMPDA (МДМ .К -тетраметил-и-фенилендиамин). Исследована зависимость величины обнаруженного эффекта от интенсивности р-излучения. Определена температурная зависимость наблюдаемого эффекта. Показано, что радиационно-вольтаический эффект в данных материалах имеет анизотропный характер. Предложены возможные механизмы возникновения данного эффекта в ДАК на основе фуллерита Сбо Научная ценность заключается в обнаружении радиационно-индуцированной проводимости фуллерита Сбо и радиационно-вольтаического эффекта при воздействии малоинтенсивного ионизирующего р-облучения на монокристаллы Сбо и ДАК на их основе.
Практическая значимость. Полученные результаты дают возможность использования фуллеренсодержащих комплексов в качестве рабочего материала в датчиках ионизирующего Р-излучения с интенсивностью К 107 см"2с" и флюенсом 11 F 10 см . Полученные зависимости изменения проводимости фуллерита Сбо и величины радиационно-вольтаического эффекта в ДАК на его основе от интенсивности 0-излучения могут быть использованы при проектировании датчиков ионизирующего излучения на основе вышеперечисленных материалов. Температурные зависимости обнаруженных эффектов позволят учесть температурный дрейф при изготовлении датчиков ионизирующего излучения на основе исследуемых материалов. Явление влияния МП на радиационную проводимость фуллерита Сбо может быть использовано для бесконтактного селективного управления его радиационно-стимулированной проводимостью.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих конференциях и семинарах:
- Всероссийский симпозиум "Современная химическая физика" (Туапсе, 2003, 2004, 2006).
- XXII Всероссийская школа-симпозиум молодых ученых по химической кинетике (Москва 2004).
- Международный симпозиум «Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах» (Беларусь, Минск, 2004,2006).
- II Всероссийская конференция «Прикладные аспекты химии высоких энергий» (Москва 2004). Biennial International Workshop «Fullerenes and Atomic Clusters», (Russia, St. Petersburg, 2005).
- IX International Conference «Hydrogen materials science of carbon nanomaterials» (Ukraine, Sevastopol, 2005).
- IV Международная конференция «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 2007).
Основные публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ (4 статьи и 8 тезисов международных и всероссийских конференций и симпозиумов). На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Обнаруженный эффект чувствительности проводимости фуллерита Сбо к малоинтенсивному ионизирующему ( -облучению. Выявленный термоактивационный характер данного эффекта с энергией активации для гранецентрированной (ГЦК) фазы Еще = 0,22 эВ и простой кубической (ПК) фазы пк = 0 07 эВ. Линейная зависимость радиационно-стимулированной проводимости от интенсивности возбуждающего облучения.
2. Обнаруженный эффект влияния слабого МП с индукцией В 0,5 Тл на проводимость фуллерита Сбо, индуцированную малоинтенсивньгм ионизирующим облучением.
3. Возникновение радиационно-вольтаического эффекта при воздействии малоинтенсивного ионизирующего р-облучения на фуллеренсодержащие комплексы LCV-Ceo CeHsCl, TBPDA (C6o)2 и TMPDA Ceo- Энергия активации данного эффекта для исследуемых молекулярных комплексов: ЬСУ Сбо СбНбСІ - 0,19 эВ, ТВРЭА (Сбо)2-0,31 эВ и TMPDA-Ceo - 0,13 эВ. Нелинейная зависимость наблюдаемого эффекта от интенсивности ионизирующего р-облучения. Анизотропия эффекта возникновения тока при воздействии малоинтенсивного ионизирующего облучения.
4. Модель влияния малоинтенсивного р-облучения на проводимость монокристаллов Сбо связанная с многокаскадной ионизации молекул решетки электронами внешнего излучения. Модели, объясняющие возникновение радиационно-вольтаического эффекта в донорно-акцепторных комплексах при воздействии (З-облучения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и списка цитированной литературы, содержащего 114 наименования. Полный объем составляет 121 страниц машинописного текста, в том числе 45 иллюстраций.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертационной работе. В работах опубликованных в соавторстве, автору принадлежит разработка, создание и отладка экспериментальных установок, проведение экспериментов, математическая обработка экспериментальных данных, а также участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.
Взаимодействие радиационного облучения различной природы с веществом
При прохождении любых заряженных частиц, у-квантов или нейтронов через вещество в нем создается большое число разнообразных дефектов, приводящих в той или иной форме к перераспределению плотности электронов в облученном материале. Это в первую очередь вызвано тем, что одним из основных процессов взаимодействия излучения с веществом является ионизация, сопровождающаяся образованием большого числа электронов и дырок. Механизмы образования радиационных дефектов детально рассмотрены в монографиях [10-13].
В зависимости от электропроводности вещества, подвергнутого воздействию ионизирующего излучения, время жизни возникших заряженных образований может изменяться в широких пределах. Оценка этого времени (время релаксации зарядов т) выполняется обычно по выражению т = єє0 /а, где а— удельная электропроводность; є и єо — диэлектрические постоянные данного материала и вакуума соответственно. Так, для диэлектрика с удельной электропроводностью, равной 1017 (Ом/м)"1 и s = 5, т. составляет около Ю5 с. Это прямо указывает на возможность длительного сохранения электрических зарядов, тем или иным способом введенных в диэлектрик. Для металлов время релаксации измеряется долями секунды, например при а = 1 См/м и т 10"10 с.
Прохождение электронов через вещество Электроны являются основными носителями заряда в твердых материалах. Поэтому в результате облучения ускоренными электронами какого-либо вещества изменяются его электрофизические свойства. Определенным образом на различные эффекты оказывают влияние энергия электронов и процессы ее диссипации в облучаемой среде.
Условно возможный диапазон энергии электронов разделяется на три области: диапазон нерелятивистской энергии до 0,5 МэВ; область релятивистской энергии от 0,5 до 10 МэВ; диапазон ультрарелятивистских энергий 10 МэВ [14]. Иногда, говоря о скоростях, различают соответственно медленные, быстрые и сверхбыстрые электроны. В обычной практике радиационно-физических или радиационно-химических экспериментов наиболее часто используются электроны с энергией от нескольких сотен килоэлектронвольт до 5-6 МэВ, т.е. быстрые электроны, взаимодействие которых с веществом и рассматривается в этом разделе. С точки зрения процессов заряжения большое значение также имеют медленные электроны.
Для монокристаллов вследствие коррелированного рассеяния заряженных частиц кристаллической решеткой наблюдаются эффекты анизотропии процессов взаимодействия электронов с твердым телом [15]. Однако эффекты, связанные с направленным рассеянием электронов, не учитываются. Такое ограничение сделано сознательно, поскольку, во-первых, использование интегральных параметров взаимодействия электронов с веществом автоматически расширяет интервал рассматриваемой энергии электронов (медленных и быстрых); во-вторых, теория формирования объемного заряда при коррелированном рассеянии электронов совершенно не разработана и, в-третьих, недостаточно широко представлены экспериментальные данные, подтверждающие эффекты анизотропии (кристаллографической) распределения объемного заряда в облученных электронами монокристаллах. Конечно, можно с уверенностью сказать, что такие эффекты должны существовать, и в дальнейшем они будут обнаружены и тщательно исследованы. Косвенные данные в пользу этого предположения уже имеются [15-17].
Взаимодействие ускоренных электронов с твердым телом представляет собой сложный каскадный процесс, сопровождающийся структурными изменениями в кристаллической решетке. К числу основных, первичных радиационных эффектов относятся возбуждение, ионизация и смещение атомов. Электроны и атомы, выбитые из своих мест в результате первичных процессов, обычно производят дальнейшее возбуждение, ионизацию и различные нарушения упорядоченного расположения атомов и молекул в узлах кристаллической решетки. В общем случае наиболее важны следующие процессы, определяющие потерю энергии электронов: упругое рассеяние, при котором изменяется направление движения электрона; возбуждение связанных электронов, находящихся на внешних оболочках атомов; ионизация внешних и внутренних электронных оболочек атомов; появление тормозного излучения; смещение атомов или ионов; ядерные реакции.
В рассмотренном интервале энергии решающими эффектами обычно являются возбуждение связанных электронов, находящихся на внешних оболочках атомов, и ионизация внешних и внутренних оболочек атомов. Например, при энергии электронов до 1 МэВ лишь около 5% поглощенного излучения приходится на упругие столкновения, приводящие к смещению атомов [14].
Методика измерения
Для исследований использовались монокристаллические образцы Сбо, выращенные в ИФТТ РАН. В качестве исходного материала применялись мелкокристаллические порошки Сбо. Чистота порошка контролировалась методом масс-спектроскопии. Содержание Сбо в нем было более 99.95 %. Исходный порошок помещался в кварцевую ампулу, которую вакуумировали до давления 10"5 торр и нагревали до 250 С. При динамическом вакууме в течении нескольких часов происходила очистка порошка от органических растворителей. Затем он подвергался вакуумной сублимации. Очищенный порошок опять помещался в ампулу, которая вакуумировалась до давления 10 6 торр и запаивалась. Процесс выращивания проводился в следующих условиях: температура сублимации - 500 С, температура кристаллизации - 480 С, время роста кристалла - 8 часов. Получались монокристаллы, имеющие естественную для кубических гранецентрированных кристаллов огранку и средний линейный размер 3-5 мм. Как правило, использовали образцы правильной огранки, что позволяло однозначно определить кристаллографические плоскости кристаллов в ГЦК-фазе.
Для исследований донорно-акцепторных комплексов на основе фуллерена Сбо использовали образцы, выращенные в ИПХФ РАН. Основным способом синтеза молекулярных комплексов фуллеренов является выпаривание растворов, содержащих фуллерен и донор. Выпаривание проводят в инертной среде, поскольку на поверхности молекулы фуллерена может адсорбироваться молекулярный кислород, который блокирует подход донора к фуллерену.
Для синтезов, как правило, используют растворители, в которых фуллерен хорошо растворяется: сероуглерод (7.9 мг-мл 1), бензол (1.5 мг-мл 1), толуол (2.9 мг-мл ), хлорбензол (5,7 мг-мл 1). Со многими из этих растворителей фуллерен образует сольваты C60(Sol)x. В реакционной системе донор-Сбо-растворитель при выпаривании протекают две конкурирующие реакции: Dn(C60)m(Sol)l C6o+Sol+D -+ C60(Sol)x Sol - растворитель; D - донор; n=l-6, m=l-3,1=0-4, x=0,4-4.
Чтобы сдвинуть равновесие в сторону образования комплекса (поскольку растворитель присутствует в значительном избытке по сравнению с донором), иногда необходим большой избыток донора по отношению к фуллерену (до 100:1). Соединения фуллеренов выделялись осаждением или охлаждением насыщенных растворов. ЬСУ Сбо СбНзСІ, TBPDA-(C6o)2 и TMPDA-Сбо были получены медленным выпаривание растворов фуллерена Сбо и соответствующего насыщенного амина в хлорбензоле в течение одной-двух недель в атмосфере аргона. Для приготовления молекулярных комплексов использовали фуллереновый мелкокристаллический порошок, с содержанием Сбо 99,98%. Схема экспериментального комплекса для исследования влияния слабоинтенсивного ионизирующего р-облучения представлена на рисунке 2.1.
Характеристикой проводимости служил ток /, протекающий через индиевые контакты, которые крепились на одной грани образца при помощи серебряной пасты. К контактам прикладывалось постоянное напряжение 5-20 В (см рис 2.1). Омичность контактов специально проверяли как в режиме проводимости, так и при протекании индуцированного тока. Сопротивление внешней цепи при всех измерениях было намного меньше сопротивления образца, которое составляло 109 Ом. Ток измеряли при помощи электрометра сопряженного с компьютером. Как следует из сказанного в главе 1, влияние ионизирующего излучения на свойства фуллерита Сбо достаточно широко исследовано в диапазоне интенсивностей
К 10 см с , флюенсом F 10 см" и дозой Q 10 Кл/см на физические свойства фуллеренов (в частности на электропроводность) недостаточно изучено. Согласно литературным данным, в этой области не наблюдается заметного изменения структуры фуллеритов под действием ионизирующего облучения. Электрические свойства фуллеренсодержащих материалов являются наиболее значащими, при возможном применении данных материалов в наноэлектронике, одноэлектронике, спинтронике и т.п. Таким образом, данная глава посвящена актуальной на сегодняшний день задаче: исследованию возможности влияния малоинтенсивного ионизирующего Р-облучения на проводимость фуллерита Сбо, а также изучению основных закономерностей обнаруженных эффектов.
При проведении экспериментов по исследованию влияния малодозового р-облучения на проводимость монокристаллов Сбо в температурном диапазоне 229-320 К, т.е в гранецентрированной (ГЦК) и простой кубической (ПК) фазах, были получены следующие результаты.
Обнаружен эффект обратимого увеличения проводимости монокристаллов Сбо под действием малоинтенсивного (К 106 CM V И F 109 СМ"2) ионизирующего р-облучения. Так, при воздействии Р-излучения с интенсивностью К 0,9-106 CM V1 наблюдался рост проводимости монокристаллов Сбо до 50...55%. Зависимость относительной прибавки проводимости AOR/G ОТ времени облучения / характеризуется насыщением, возникающим через /si 12 мин после начала облучения (рис. 3.1). После прекращения облучения ток релаксирует за tx\ 1 ч до первоначального значения.
При повторных облучениях той же поверхности с суммарным флюенсом до F 10 см" эффект воспроизводился, и изменений количественных и качественных характеристик радиационного тока не наблюдалось. Из данного факта можно сделать вывод об устойчивости фуллерита Сбо к малоинтенсивному ионизирующему излучению. Полученные результаты подтверждают ранее известные данные о неизменности структуры фуллеренсодержащих материалов под действием р-излучения с интенсивностями меньше 107 CM V1 [5-9].
Модели влияния малоинтенсивного ионизирующего облучения на проводимость монокристаллов Сво
При рассмотрении возможных моделей малоинтенсивного Р-облучения на проводимость монокристаллов Сбо в первую очередь следует отметить тот факт, что данный эффект не может быть связан с инжекцией электронов из источника облучения вглубь образца. Действительно, прибавку тока при дополнительной инжекции электронов можно оценить как: Д/=Мге- =5,45-106-1,6-10"19-0,047=10"13 А (3.1) No = 5,45"106 с"1 - количество электронов, испускаемых источником в единицу времени, е = 1,6"10 19 Кл-заряд электрона, к = 0,047 - коэффициент, отражающий, какая часть ионизирующих частиц попадает на образец, площадью 0,1 см2, находящийся на расстоянии 1 см от источника излучения.
Полученное при данной оценке увеличение тока, обусловленное инжекцией электронов облучения вглубь образца, на несколько порядков меньше прибавки тока, наблюдаемой в эксперименте (Д/о = 10" -10" А). Количественной моделью, объясняющей данный эффект, может служить модель многокаскадной ионизации молекул решетки фуллерита электронами внешнего возбуждения [38].
Собственная полоса поглощения, всегда имеющая отчетливо выраженную длинноволновую границу, в принципе может иметь и коротковолновую, определяемую наибольшей энергией частицы, возможной при переходах между двумя зонами — валентной и проводимости.
Однако есть основания предполагать, что во многих случаях зона проводимости смыкается (или перекрывается) с вышележащими разрешенными зонами, образуя сплошной спектр, простирающийся безгранично. В этом случае и кривая поглощения простирается далеко в область высоких энергий, причем на поглощение, определяемое переходами между валентной зоной и зоной проводимости, при достаточно высокой энергии излучения начинает накладываться поглощение, связанное с переходами в зону проводимости из глубоких нижележащих зон или уровней. Это усложняет явление. Однако весьма существенное усложнение при смещении в область высоких энергий излучения возникает еще раньше по другой причине. Действительно, если, например, при поглощении кванта ho (рис. 3.10, а) переведенный в верхнюю зону электрон обладает энергией Є, большей чем ширина запретной зоны Дє, то такой электрон может, передав часть своей энергии другому электрону валентной зоны, перевести его в зону проводимости (переход а).
При этом первый электрон, уменьшив свою энергию (переход б), остается в зоне проводимости. В результате поглощение одного кванта энергии приводит из-за вторичного процесса ударной ионизации к освобождению двух электронов и двух дырок (вместо одной пары электрон-дырка в обычном случае), т.е. возникает процесс каскадного «размножения».
Если, далее, увеличивать энергию частиц, то становятся возможными множественные процессы ударной ионизации, когда созданные при первичном акте поглощения электрон и дырка образуют при ударной ионизации добавочные пары электрон-дырка, причем энергия этих электронов и дырок достаточна для того, чтобы в свою очередь при ударной ионизации образовывать новые пары, и т. д.
На рисунке 3.11 показана схема, объясняющая модель многокаскадной ионизации молекул решетки фуллерита Сбо электронами внешнего возбуждения. Оценим прибавку тока, обусловленную многокаскадной ионизацией молекул решетки фуллерита электронами внешнего возбуждения. Она равна (Е) (3.2) Ы Ип-е-—-к 1(ГА : ir 6 „-І где Щ = 5,45 10 с" - количество электронов, испускаемых источником в единицу времени; е= 1,6" 10 19Кл-заряд электрона; Е = 0,536 МэВ - средняя энергия электронов, испускаемых источником; к = 0,047 - коэффициент, отражающий, какая часть ионизирующих частиц попадает на образец, площадью 0,1 см2, находящийся на расстоянии 1 см от источника излучения; Е = 7,62 эВ - энергия ионизации молекулы Сбо [76]. Полученные результаты соотносятся с данными, наблюдаемыми в эксперименте А/ 10"8А.
Процесс изменения проводимости под действием Р-облучения можно объяснить, если учесть, что проводимость определяется концентрацией неравновесных носителей заряда, следующим образом. В момент начала облучения образца стационарное значение радиационно-стимулированной проводимости достигается лишь через некоторое время после начала облучения. Аналогично этому при прекращении облучения проводимость исчезает не мгновенно (рис. 3.1). Следует выяснить, как зависит от времени неравновесная проводимость в процессе релаксации, каково эффективное время установления стационарных значений проводимости, какова связь между характером процессов релаксации и механизмом неравновесной проводимости.
Поскольку в каждый момент времени дырочная и электронная [76] составляющие неравновесной проводимости А8 пропорциональны неравновесным концентрациям электронов - An и дырок - Ар, мы будем интересоваться релаксацией концентрации An (или Ар). Изменение числа носителей (например, электронов) в единицу времени t и единице объема есть разность между числом освобождаемых носителей, которая может быть записана и виде An=Puif, и числом рекомбинирующих носителей ф-квантовый выход, определяется числом пар, образуемых одним квантом, -коэффициент поглощения излучения, / -интенсивность облучения).
Модели, объясняющие возникновение радиационно-вольтаических эффектов в донорно-акцепторных комплексах на основе фуллерена Сбо
Одну из причин возникновения радиационно-вольтаических эффектов в исследуемых ДАК можно описать при помощи модели, объясняющей природу фотовольтаического эффекта в композитах проводящих полимеров с фуллеренами [112].
Индуцированный перенос электронной плотности с донора на акцептор приводит к образованию разделенных зарядов с большим временем жизни за счет пространственной делокализации электрона на объемной молекуле Сбо и последующему движению электрона по фуллеренновой области вследствие эффективного перекрывания молекулярных орбиталей соседних молекул.
Поведение электрона на молекуле Сбо описывается как поведение частицы в ассиметричной потенциальной яме. Асимметрия этой ямы обусловлена влиянием молекулы донора. Вследствие высокой упорядоченности взаимного расположения молекул донора и молекул Сбо асимметричные потенциальные ямы в исследуемых комплексах также будут упорядочены. Стенки асимметричной ямы для попавшей в нее частицы обладают неоднородной прозрачностью по одному из направлений [53]. Как следствие этого для частицы будет преобладать одно направление рассеяния из асимметричной потенциальной ямы, что и приведет к возникновению электрического тока. Применяя данную модель для объяснения наблюдаемых эффектов, следует ожидать появления анизотропии величины электрического тока, что и было обнаружено нами для всех исследуемых комплексов. На рисунке 4.12 показана зависимость плотности индуцированного тока от угла (р между слоями ДАК и контактами, через которые проходит ток. Надо заметить, что результаты, представленные на рисунке 4.12, носят чисто качественный характер и показывают только факт анизотропного характера радиационно-вольтаического эффекта. Для более детальной (количественной) интерпретации данных результатов необходимы дальнейшие исследования с применением методов рентгено-структурного анализа. Предложенную модель подтверждает нелинейная зависимость радиационно-гальванического эффекта, индуцированного ионизирующим р-облучением от интенсивности возбуждающего облучения [113].
Другой возможной причиной возникновения радиационно-вольтаического эффекта может быть ЭДС Дембера. Причиной ее возникновения, возможно, является анизотропия некоторых физических свойств исследуемых ДАК вследствие упорядоченности взаимного расположения молекул донора и молекул Сбо [38].
В пользу предположения о вкладе ЭДС Дембера в наблюдаемый радиационно-вольтаический эффект говорит тот факт, что ЭДС Дембера возникает преимущественно в полупроводниках с низкой проводимостью. Исследуемые материалы, как было сказано выше, обладают низкой, по сравнению с классическими полупроводниками (кремний, германий), проводимостью. Уменьшение ЭДС с ростом проводимости полупроводника можно пояснить с помощью следующих простых соображений. Возникающий при эффекте Дембера градиент концентраций носителей заряда и пропорциональный ему ток диффузии заряженных частиц jo нарушает нейтральность и создает электрическое поле Е и пропорциональный ему ток проводимости J E -ОЕ. В стационарных условиях JD-J E,JD оЕ. Очевидно, что при прочих равных условиях (при заданном jo) чем больше проводимость полупроводника а, тем меньше то демберовское поле, которое необходимо, чтобы осуществить равенствоу о= оЕ.
Другой важной особенностью эффекта Дембера является его зависимость от разности подвижностей электронов и дырок в материале, чем сильнее отличаются подвижности тем больше ЭДС Дембера. При равенстве подвижностей ЭДС Дембера равно нулю.
Вклад того или иного механизма в величину наблюдаемого радиационно-гальванического эффекта требует дальнейших исследований.
Следует отметить, что времена нарастания и релаксации радиационно-стимулированной проводимости в ДАК, как и в фуллерите Сбо, являются достаточно большими для электронных процессов. Такие времена нарастания и релаксации радиационно-наведенной проводимости могут быть связаны с наличием ловушек свободных носителей заряда вблизи зоны проводимости. В таком случае, в начале облучения происходит их заполнение, а после прекращения облучения постепенное термическое опустошение. Полученное значение энергии активации радиационно-стимулированной проводимости комплекса 3 (0,13 эВ) близко по значению к положению центров захвата свободных носителей заряда в зоне проводимости (
![Электронные явления в фотоактивных тонкопленочных полимерных структурах на основе комплекса [NiSalen]](/i/i/4390/373683.png "Электронные явления в фотоактивных тонкопленочных полимерных структурах на основе комплекса [NiSalen] Пучков Михаил Юрьевич")
