Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В настоящее время в мире наблюдается повышенный интерес к изучению свойств модифицированных органических полимеров, обусловленный перспективами их практического применения. Работы в этом направлении ведутся в научных центрах Германии, Франции, США, Японии и многих других стран, в том числе России и Беларуси. В рамках этих исследований уже продемонстрирована возможность кардинального изменения свойств тонких пленок полимеров и придания им полупроводникового и металлического типа проводимости в результате их структурной перестройки. Тем не менее, до настоящего времени остается открытым ряд вопросов, связашплх со структурой полимеров, модифицировашіьіх как ионной имплантацией, так и другими способами, например, диффузией, термообработкой и так далее. Остается невыясненным и детальный механизм переноса заряда в таких полимерах. Таким образом, актуальность выполненной работы определяется как необходимостью выяснения некоторых свойств полимеров, модифицированных ионной имплантацией и последующей диффузией, так и перспективами использования полимерных материалов с заданными свойствами в создаїши промышленных элементов и электрошгых устройств. Необходимо также отметить, что замена полупроводшжовых материалов полимерами в промышленном производстве особешю актуальна в условиях Беларуси, где отсутствуют природные ресурсы полупроводниковых материалов, в то время как полимеры производятся предприятиями Беларуси.
В работе исследовалось влияние внешних воздействий - ионной имплантации, диффузии и их последовательного примеиеігия - на злектрофизігіеские свойства тонких пленок полиэтилена. При ионной бомбардировке полиэтилена превращения его полимерной матрицы носят наиболее простой характер, поскольку не осложняются процессами перестройки и деградации функционалысых групп и соответствующими эффектами памяти об исходной химической структуре полимера, т.о. полиэтилен выбран в качестве объекта исследований как своего рода модельный материал. При выборе условий ионной обработки учитывалось широкое применение технологии ионной имплантации различных примесей в полупроводником про-
2 мышлешюм производстве. При выборе легирующих примесей при проведении диффузии учитывалась как доступность материалов (FeCl3 и йода), так и экологическая безопасность проведения диффузии. Различие ковалентных и атомных радиусов налетающих ионов, энергий и доз при имплантации позволило варьировать структурные изменения углеродной матрицы полиэтилена, варьируя тем самым и его электрофизические свойства.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Исследования проводились в рамках госбюджетных тем Белгосуниверситета «Электронные процессы в иошоимплантированных полимерах и формирование на их основе ш-норазмерных структур с управлением свойствами» (№ государственной регистрации 19963447), «Исследовать физико-химические свойства полимеров, модифицированных ионной имплантацией и допированием» (№ государственной регистрации 19963439), а также темы «Разработать пршщипы управления парамапштньши свойствами и процессами переноса носителей заряда в облученных или пиролизо-ванных углеродных системах» (№ государственной регистрации 19963448).
Цель и задачи исследования. Целью работы являлась разработка способов и методов управления электрофизическими свойствами модифицироваїшого полиэтилена! При выполнейии работы ставились следующие задачи:
-
отработка различных режимов диффузии в полиэтилен, имллантироваїшьш различными ионами при различных условиях;
-
наоснове результатов, полученных в ходе исследований, разработать модельные представления о механизме переноса заряда в системах ионноимплантировашю-го полиэтилена, легированного FeCb.
: 'Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлся полиэтилен. Предметом исследования являлось изучение электрических и спектроскопических свойств объекта исследования, обработанного различными способами.
Методология и методы проведенного исследования. В ходе проведения исследований была разработана методика проведения диффузионного легирования полиэтилена из водного раствора FeCb, отличающаяся простотой и высокой эффективностью. При измерениях были использованы стандартные методы исследования веществ и их физических свойств - ИК и УФ-спектроскоиия, ЭПР-
спектроскопия, Резерфордовское обратное рассеяние (RBS), электрические измерения проводились по стандартной двухконтактной методике.
Научная новизна и значимость результатов заключается в следующем:
впервые разработана и применена на практике методика диффузионного легирования полиэтилена из водного раствора FeCl3;
определены пороговые значения дозовой нагрузки полиэтилена при его имплантации различными ионами в разных режимах, применяемых в отечественном промышленном производстве;
впервые обнаружено, что химическое легирование исходного полиэтилена ионами Fe+ и СЇ из водного раствора FeCb не оказывает влияния на его электрофизические свойства;
получили дальнейшее развитие представления о появлении в модифицированном ионной имплантацией слое полимера квантово-размерного эффекта, обусловленного ростом систем сопряжения и формированием сети сопряженных двойных связей вследствие облучения полимера ионами;
впервые обнаружена независимость распределеїшя по глубине атомов примеси, вводимой путем диффузионного легироваїшя, от типа внедренных при предварительной обработке материала ионов и дозовой нагрузки;
определено, что распределение атомов примеси, вводимой путем диффузии из водного раствора FeCb, подчиняется закону Фика с коэффициентом диффузии 10"|5см2/с;
впервые установлено отношение концентраций атомов Fe и С1 в модифициро-вашюм слое полиэтилена после его диффузионного легирования, равное 3:1, отличающееся от стехиометрического соотношения Fe:Cl в водном растворе FeCb, что говорит о раздельной диффузии железа и хлора (в виде катионов и анионов) в полиэтилен;
предложена модель механизма процесса переноса носителей заряда в модифицированном ионной имплантацией и последующим диффузионным легированием слое полиэтилена, которая уштывает корреляцию количества центров захвата легирующей примеси с дозой имплантации и атомной массой ионов.
4 Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты дают возможность дальнейшего развития представлений о принципах и технологии использования полимерных материалов в качестве сырья для электронной промышленности, что позволит в будущем получить положительный экономический эффект. Использованные в исследованиях материалы и условия имплантации и легирования дают возможность разработки технологии внедрения полимерных материалов в промышлешюсть при использовании стандартного оборудования и сырья. Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
Впервые установленные закономерности раздельной диффузии ионов железа и хлора в имплантированном ионами слое полиэтилена после легирования из водного раствора FeCly. установившееся распределение атомов Fe и О по глубине слоя подчиняется закону Фика; центрами захвата атомов легирующей примеси выступают свободные радикалы, образующиеся в процессе фрагментации молекул полиэтилена иошгой бомбардировкой; количество центров захвата возрастает монотонно до дозы 101 см'2.
-
Модель электрофизических процессов, протекающих в модифицированном ионной имплантацией приповерхностном слое полиэтилена после легирования, учитывающая корреляцию количества центров захвата легирующей примеси с дозой имплантации и атомной массой ионов, описывающая особенности экспериментальной зависимости проводимости модифицироваїшого слоя в широком диапазоне доз имплантации..
Личный вклад соискателя. Все приведенные в диссертации результаты получены лично соискателем и проанализированы с научным руководителем. Соавторы опубликованных работ принимали участие в подготовке образцов, проведении экспериментов и обсуждении результатов. Обработка и интерпретация данных, выводы сделаны автором лично.
Апробация и опубликовашюсть результатов диссертации. Основные результаты работы были представлены на MRS Symposium «Electrical, optical and magnetic properties of organic solid state materials» (Boston, MA, USA, 29 Nov. - 3 Dec. 1993), International Conference «Macrotest 1995» (Czech Republic, Lazne Bohdanec, 6-9 June 1995), международной 52-й научно-технической конференции БГПА «Технические ВУЗы - Республике», 18-21 ноября, 1997. - Минск, Беларусь,
5 1997, II международной конференции «Взаимодействие излучений с твердым телом», 23-25 сентября 1997 г., г. Минск, II международной Научно-технической Конференции «Современные средства связи», 22-26 сентября 1997 г., Нарочь, Беларусь, Symposium «Electrostatic and Electron-Ion Technology», Sept. 18-19, 1997., Augustov, Poland. Содержание работы отражено в 17 научных статьях и публикациях. Общее количество стршшц опубликованных материалов - 48.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, основных выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 130 страниц, в том 'шсле иллюстраций и 3 таблицы. Список использованных источников включает 176 наименований.
