Электронный транспорт в проводящих плёнках Ленгмюра-Блоджетт на основе квазиодномерных комплексов с переносом заряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Пятайкин, Иван Иванович

• Пятайкин, Иван Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пятайкин, Иван Иванович

Введение.

Глава 1. Проблема изучения электронного транспорта в проводящих ЛБ системах.

1.1 Проводящие ЛБ плёнки: основные сведения и краткий обзор литературы.

1.2 Транспортные свойства ЛБ систем.

1.3 СВЧ резонаторная и акустические методики исследования электронного транспорта в плёнках.

1.4 Электрические шумы как средство исследования транспорта.

Глава 2. Исследование внутрикристаллитного транспорта в плёнках по затуханию ПАВ.

2.1 Экспериментальная установка и методика измерений.

2.2 Анализ экспериментальных данных.

2.3 Структура плёнок и модель электронного транспорта в них.

2.3.1 Эффекты электронной локализации в квазиодномерной системе с примесями. Теория Нахмедова, Пригодина и Самухина.

2.3.2 Определение Ь и вида зависимости ур11(т).

2.3.3 Аппроксимация экспериментальных данных при Т < Тмо.

2.3.4 Квазиметаллический характер проводимости плёнок при Т>ТМП.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронный транспорт в проводящих плёнках Ленгмюра-Блоджетт на основе квазиодномерных комплексов с переносом заряда»

Проводящие плёнки Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) на основе поверхностно -активных комплексов с переносом заряда (КПЗ) интенсивно исследуются в настоящее время в связи с возможностью их применения в тонкоплёночных (1-2 нм) устройствах молекулярной электроники (МЭ) [1, 2]. Высокая проводимость плёнок - необходимое условие их использования в качестве материалов активных устройств МЭ и для формирования межсоединений внутри молекулярных микросхем. В результате интенсивных исследований последнего времени электропроводность плёнок удалось повысить почти на два порядка величины: с 0.5. 1 S/cm в начале 90-х годов до 40 S/cm в 2001 г. Следует однако заметить, что по величине проводимости, даже наиболее совершенные ЛБ системы пока ещё в три-четыре раза уступают соответствующим объёмным кристаллам органических проводников, и это обстоятельство сужает сферу их применения в МЭ.

Среди причин, ограничивающих электропроводность ЛБ плёнок, можно выделить две основные. Во-первых, это их поликристаллическая структура, как следствие наличие межкристаллитных барьеров и температурно-активированный транспорт через них. Во-вторых, сама величина внутрикристаллитной проводимости в плёнках существенно ниже тех значений, которые наблюдается в родительских объёмных кристаллах. В контексте сказанного ясно, что детальное изучение электронного транспорта на уровне отдельных кристаллитов и установление причин, ограничивающих величину внутрикристаллитной проводимости, является актуальной задачей. Её решение может, во-первых, способствовать прогрессу в улучшении электропроводности плёнок в целом, и во-вторых, привести к обнаружению новых физических явлений, поскольку из-за пониженной размерности ЛБ систем механизм проводимости в них может иметь ряд особенностей, отсутствующих в объёмных кристаллах.

Несмотря на большое научное и практическое значение исследований внутрикристаллитного транспорта в ЛБ плёнках, работы, посвящённые этому вопросу, немногочисленны, главным образом из-за серьёзных трудностей, обусловленных спецификой ленгмюровских систем (их поликристалличностью, исключительной тонкостью, невозможностью отделения плёнок от поддерживающих их подложек). Актуальность настоящей диссертационной работы связана с тем, что в ней предложен легко реализуемый бесконтактный метод изучения внутрикристаллитной проводимости ЛБ плёнок, позволивший установить основные закономерности электронного транспорта в них, и позволивший обнаружить его особенности, связанные с пониженной размерностью структуры плёнок.

Помимо проводимости, другой важной характеристикой, определяющей перспективность использования материала в электронных устройствах, является присущий ему уровень избыточного шума. Как известно, этот вид шума ограничивает параметры устройств полупроводниковой электроники. Поэтому установление шумовых характеристик ЛБ плёнок позволяет оценить возможность их применения в качестве материалов активных элементов МЭ. К моменту начала работ по данной теме (середина 90-х годов), сведения об электрических шумах проводящих ЛБ систем в литературе отсутствовали. Таким образом, измерение уровня шумов в плёнках представляется весьма актуальным. Следует также отметить, что поскольку флуктуации содержат информацию о динамике системы вблизи состояния равновесия, шумовые измерения довольно информативны при определении параметров, характеризующих электронный транспорт. 5

Поэтому исследование шумов в ЛБ плёнках актуально как с практической, так и с фундаментальной точки зрения.

Цель работы заключалась в исследовании электронного транспорта в ЛБ плёнках на основе КПЗ (С^Нзз-ТС^Эо.ДСпНзз-ОМТТРЭо.б [поверхностно-активный комплекс на основе смеси 1.5:1 гептадецилдиметил-тетратиафульвалена (СпНзз-ОМТТБ) и гексадецилтетрацианохинодиметана (С1бНзз-ТШО)].

Основными задачами исследования являлись изучение механизма внутри-кристаллитной проводимости и шумовых характеристик ЛБ плёнок указанного состава.

Для решения первой задачи необходимо было разработать метод измерений, обладающий достаточной чувствительностью и в то же время свободный от ограничений, присущих существующим высокочастотным методам исследования электронного транспорта, и развить методику определения величин, характеризующих транспорт в плёнках, по данным этих измерений. При решении второй задачи представлялось важным не только измерить спектральную плотность (СП) шумов, но и попытаться выявить конкретные физические механизмы низкочастотного избыточного шума и связать его характеристики с пониженной размерностью структуры плёнок.

Научная новизна. Все основные результаты, позволившие сформулировать выносимые на защиту научные положения, носят приоритетный характер. Впервые:

• установлен физический механизм внутрикристаллитной проводимости ЛБ плёнок на основе квазиодномерных КПЗ; показано, что из-за локализации электронных состояний низкотемпературный перенос тока определяется прыжковым механизмом, а в области высоких температур, где локализация подавлена, температурный ход проводимости близок к металлическому;

• продемонстрировано, что использование концепции электронной локализации в квазиодномерной системе с примесями позволяет объяснить обнаруженные в работе особенности температурной зависимости внутрикристаллитной проводимости исследованных ЛБ плёнок и определить количественные характеристики электронного транспорта в них;

• исследован 1//шум в проводящих ЛБ плёнках;

• предложена количественная модель, позволившая установить связь спектральной плотности У/ шума с другими экспериментальными характеристиками образцов квазиодномерных поликристаллических материалов;

• разработан бесконтактный экспериментальный метод исследования внутрикристаллитной проводимости ЛБ плёнок, основанный на измерении затухания поверхностных акустических волн (ПАВ) в пьезоэлектрических линиях задержки (ЛЗ), покрытых исследуемой плёнкой.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, приложения, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Пятайкин, Иван Иванович

Основные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

А1. Chernov V., Galchenkov L., Ivanov S., Monceau P., Pyataikin I., Saint-Paul M. Attenuation of surface acoustic waves by conducting Langmuir-Blodgett films of charge-transfer complexes (Ci6H33-TCNQ)o.4-(Ci7H35-DMTTF)o.6 // Solid State Commun. — 1996. — 97, № 1. — C. 49 - 51.

A2. Galchenkov L.A., Ivanov S.N., Pyataikin I.I., Chernov V.P., Monceau P. 1 If noise in conducting Langmuir-Blodgett films // Phys. Rev. В — 1998. — 57, № 20. —С. 13220- 13226.

A3. Galchenkov L.A., Ivanov S.N., Pyataikin I.I., Chernov V.P. Strong localization in conducting Langmuir-Blodgett films of quasi-one-dimensional charge-transfer complexes // Solid State Commun. — 2003. — 127, № 8. — C. 577 - 582.

A4. Галчёнков JI.A., Иванов C.H., Пятайкин И.И. Электронная локализация в проводящих плёнках Ленгмюра-Блоджетт // ФТТ — 2004. — 46, № 6. — С. 1098- 1107.

А5. Галчёнков Л.А., Пятайкин И.И. l/f шум в проводящих плёнках Ленгмюра-Блоджетт на основе квазиодномерных комплексов с переносом заряда // Радиотехника и Электроника — 2007. — 52, № 7. — С. 869 - 879.

Заключение

В настоящей работе экспериментально исследован механизм проводимости в плёнках Ленгмюра-Блоджетт на основе КПЗ (С^Нзз-ТСМОЭо.ДСпНзз-ОМТТР)о.6.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пятайкин, Иван Иванович, 2007 год

1. Talham D.R. Conducting and magnetic Langmuir-Blodgett films // Chem. Rev. — 2004. — 104, № 11. — C. 5479 - 5501.

2. Иванов C.H., Галчёнков JI.A., Надь Ф.Я. Физические свойства систем пониженной размерности: Квазиодномерные проводники и плёнки Ленгмюра-Блоджетт // Радиотехника и электроника — 1993. — 38, № 12. —С. 2249-2277.

3. Нахмедов Э.П., Пригодин В.Н., Самухин А.Н. Прыжковый перенос в квазиодномерной системе со слабым беспорядком // ФТТ — 1989. — 31, №3. — С. 31 -44.

4. Блинов Л.М. Лэнгмюровские пленки // УФН — 1988. — 155, № 3. — С. 443-480.

5. Gaines G.L., Jr. Insoluble Monolayers at Liquid-Gas Interfaces. — N.Y.: Wiley-Interscience, 1966. — 386 c.

6. Ruaudel-Teixier A., Vandevyver M., Barraud A. Novel conducting LB films // Mol. Cryst. Liq. Cryst. — 1985. — 120, № 1-4. — C. 319 322.

7. Troitsky V.I., Berzina T.S., Sotnikov P.S., Ujinova T.V., Neiland O.Ya. Conducting Langmuir-Blodgett films of mixture of two charge transfer complexes // Thin Solid Films — 1990. — 187, № 2. — C. 337 348.

8. Carter F.L. (Ed.) Molecular Electronic Devices. — N.Y.: Marcel Dekker, 1982. —400 c.

9. Берзина T.C., Троицкий В.И., Янусова Л.Г. О структурных изменениях в проводящих плёнках Ленгмюра-Блоджетт смесигексадецил-TCNQ и гексадецил-BEDT-TTF II Биологические мембраны — 1990. — 7, № 11. — С. 1165 1172.

10. Berzina T.S., Troitsky V.l., Stussi E., Mulè M., Rossi D. Conducting Langmuir-Blodgett films of hexadecyl-BEDT-TTF charger-transfer salts with inorganic compounds // Synth. Met. — 1993. — 60, № 2. — C. Ill — 114.

11. Ohnuki H., Nöda T., Izumi M., Imakubo T., Kato R. Observation of metallic conductivity down to 14 К in Langmuir-Blodgett films based on BEDO-TTF and behenic acid // Phys. Rev. В — 1997. — 55, № 16. — С. R10225 R10228.

12. Kahlich S., Schweitzer D., Heinen I., Lan S.E., Nuber В., Keller HJ., Winzer К., Helberg H.W. (BED0-TTF)2Re04-(H20) a new organic superconductor // Solid State Commun. — 1991. — 80, № 3. — С. 191 -195.

13. Rustichelli F., Dante S., Mariani P., Myagkov I.V., Troitsky V.l. Surface-potential studies of monolayers of surfactant donor and acceptor molecules // Thin Solid Films — 1994. — 242, № 1-2. — C. 267 272.

14. Kistenmacher T.J., Phillips Т.Е., Cowan D.O. The crystal structure of the 1:1 radical cation-radical anion salt of 2,2'-bis-l,3-dithiole (TTF) and 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ) // Acta Crystallogr. Sect. В — 1974. — 30, № 3. — С. 763 768.

15. Буравов Л.И., Щёголев И.Ф. Метод измерения проводимости малых кристаллов на частоте 1010 Гц. // ПТЭ — 1971. — 16, № 2. — С. 171 -173.

16. Shchegolev I.F. Electric and magnetic properties of linear conducting chains // Phys. Status Solidi — 1972. — A12, № 1. — C. 9 45.

17. Helberg H.W., Dressel M. Investigations of organic conductors by the Schegolev method // J. Phys. I France — 1996. — 6, № 12. — C. 1683 -1695.

18. Richard J., Vandevyver M., Lesieur P., Barraud A., Holczer K. Electronic transport properties in conducting Langmuir-Blodgett films // J. Phys. D: Appl. Phys. — 1986. — 19, № 12. — C. 2421 2430.

19. Holcroft В., Roberts G.G., Barraud A., Richard J. Surface-acoustic-wave device incorporating conducting Langmuir-Blodgett films // Electron. Lett. — 1987. — 23, № 9. — C. 446 447.

20. Lee S., Chi C., Koren G., Gupta A. Acoustic study of УВагСизО.* thin films // Phys. Rev. В — 1991. — 43, № 7. — С. 5459 5467.

21. Ikegami К., Kuroda S., Saito К., Saito M., Sugi M., Nakamura T., Matsumoto M., Kawabata Y., Saito G. Anomalous low-temperature behavior of Langmuir-Blodgett films of (TMTTF)3-(tetradecylTCNQ)2 // Synth. Met. — 1991. — 27, № 3-4. — С. B587 B592.

22. Буздин А.И., Булаевский jt.H. Органические сверхпроводники // УФН 1984. — 144, № 3. — С. 415 437.

23. Tomic S., Fontaine F., Jérôme D. Search for narrow-band noise under pulsed electric fields in the nonlinear conduction regime of tetrathiafulvalene tetracyanoquinodimethane // Phys. Rev. В — 1988. — 37, № 14. — С. 8468- 8470.

24. Галчёнков Л.А., Иванов С.Н., Надь Ф.Я., Чернов В.П., Берзина Т.С.,

25. Троицкий В.И. Проводящие плёнки Ленгмюра-Блоджетт комплексов с96переносом заряда поверхностно-активных производных DMTTF и TCNQ: электрические свойства и структура в зависимости от состава // Биологические мембраны — 1990. — 7, № 10. — С. 1105 -1110.

26. Delhaés P., Yartsev V.M. Electronic and spectroscopic properties of conducting Langmuir-Blodgett films: in Spectroscopy of New Materials / Ed. by Clark R.J.H., Hester R.E. — Chichester: Wiley. 1993. — Vol. 22.1. C. 199-289.

27. Дыхне A.M. Проводимость двумерной двухфазной системы // ЖЭТФ1970. — 59, № 1(7). — С. 110 -115.

28. Galchenkov L.A., Ivanov S.N., Nad' F.Ya., Chernov V.P., Berzina T.S., Troitsky V.I. Temperature-dependence of conductivity of charge-transfer complex CI6H33-TCNQ-C17H35-DMTTF LB-films // Synth. Met. — 1991.42, №1-2. — C. 1471 1474.

29. Гоголин A.A., Мельников В.И., Рашба Э.И. Проводимость в неупорядоченной одномерной системе, вызванная электрон-фононным взаимодействием // ЖЭТФ — 1975. — 69, № 1(7). — С. 327 -349.

30. Пригодин В.Н., Фирсов Ю.А. Андерсоновский переход в квазиодномерной неупорядоченной системе // Письма в ЖЭТФ — 1983. —38, №5. —С. 241 -243.

31. Wang Z.H., Ray A., MacDiarmid A.G., Epstein A.J. Electron localization and charge transport in poly(o-toluidine): A model polyaniline derivative // Phys. Rev. В — 1991. — 43, № 5. — С. 4373 4384.

32. Jérôme D., Schulz H.J. Organic conductors and superconductors // Adv. Phys. — 1982. — 31, № 4. — C. 299 490.

33. Starikov E.B. A comparative three-dimensional Hartree-Fock crystalorbital study of double-stack organic charge-transfer (semi)conductors:97

34. TTF-TCNQ, TTF-DCNQI, and TTF-2,5-Me2-DCNQI // Int. J. Quantum Chem. — 1998. — 66, № 1. — C. 47 68.

35. Conwell E.M. Band transport in quasi-one-dimensional conductors in the phonon-scattering regime and application to tetrathiofulvalene-tetracyanoquinodimethane // Phys. Rev. В — 1980. — 22, № 4. — С. 1761- 1780.

36. Khanna S.K., Ehrenfreund E., Garito A.F., Heeger A.J. Microwave properties of high-purity tetrathiofulvalene-tetracyanoquinodimethan (TTF-TCNQ) // Phys. Rev. В — 1974. — 10, № 6. — С. 2205 2220.

37. Wei Т., Kalyanaraman P.S., Singer K.D., Garito A.F. Low-temperature specific heats of tetrathiafulvalene-tetracyanoquinodimethane (TTF-TCNQ) and its derivatives // Phys. Rev. В — 1979. — 20, № 12. — С. 5090 5093.

38. Bright A.A., Garito A.F., Heeger A.J. Optical conductivity studies in a one-dimensional organic metal: Tetrathiofulvalene tetracyanoquinodimethan (TTF) (TCNQ) // Phys. Rev. В — 1974. — 10, № 4. — С. 1328 1342.

39. Berlinsky A.J. Organic metals // Contemp. Phys. — 1976. — 17, № 4. — C. 331 -354.

40. Булаевский JI.H., Гинзбург В.Л., Жарков Г.Ф., Киржниц Д.А., Копаев Ю.В., Максимов Е.Г., Хомский Д.И. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости / Под ред. Гинзбурга В.Л. и Киржница Д.А. — М.: Наука. 1977, —400 с.

41. Ishibashi S., Kohyama М. Ab initio pseudopotential calculation for TTF-TCNQ and TSeF-TCNQ // Phys. Rev. В — 2000. — 62, № 12. — С. 7839- 7844.

42. Lee К., Menon R., Yoon C.O., Heeger A.J. Reflectance of conducting polypyrrole: Observation of the metal-insulator transition driven by disorder // Phys. Rev. В — 1995. — 52, № 7. — С. 4779 4787.

43. Гоголин A.A., Золотухин С.П., Мельников В.И., Рашба Э.И., Щёголев И.Ф. Совместное влияние структурного беспорядка и фононов на проводимость солей TCNQ // Письма в ЖЭТФ — 1975. — 22, № 11. — С. 564 569.

44. Ishizaki Y., Izumi М., Ohnuki Н., Kalita-Lipinska К., Imakubo Т., Kobayashi К. Formation of two-dimensional weak localization in conducting Langmuir-Blodgett films // Phys. Rev. В — 2001. — 63, № 13.1. С. 134201-1 134201-5.

45. Горьков Л.П., Дорохов О.Н., Пригара Ф.В. Структура волновых функций и проводимость на переменном токе в неупорядоченных одномерных проводниках // ЖЭТФ — 1983. — 85, № 4(10). — С. 1470- 1488.

46. Скоуфилд Дж. Метод измерения спектра низкочастотных флуктуаций сопротивления на переменном токе // Приборы для научных исследований — 1987. — 27, № 6. — С. 44 54.

47. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. — М.: Мир. 1989. —540 с.

48. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. — М.: Мир. 1986. —399 с.

49. Коган Ш.М. Низкочастотный токовый шум со спектром типа 1 If в твёрдых телах // УФН — 1985. — 145, № 2. — С. 285 328.

50. Dutta P., Horn P.M. Low-frequency fluctuations in solids: 1//noise // Rev. Mod. Phys. — 1981. — 53, № 3. — C. 497 516.

51. Weissman M.B. 1 If noise and other slow, nonexponential kinetics in condensed matter // Rev. Mod. Phys. — 1988. — 60, № 2. — C. 537 571.

52. Hooge F.N. l//noise // Physica B+C — 1976. — 83, № 1. — C. 14 23.

53. Bruschi P., Nannini A., Serra G., Stussi E. Temperature behaviour and 1 // noise of poly-alkoxythiophene and polypyrrole thin film microstructures // Thin Solid Films — 1996. — 289, № 1-2. — C. 242 249.

54. Barraud A., Florsheimer M., Mohwald H., Richard J., Ruaudel-Teixier A., Vandevyver M. Morphology and crystalline nature of a Langmuir-Blodgett film of a TCNQ charge transfer salt // J. Colloid and Interface Sci. — 1988. — 121, №2, — C. 491 -507.

55. Поуп M., Свенберг Ч., Электронные процессы в органических кристаллах. М.: Мир, 1985. т. 1: 543 е., т. 2: 462 с.

56. Шкловский Б.И., Эфрос A.JI. Электронные свойства легированных полупроводников. — М.: Наука. 1979. — 416 с.

57. Bloch A.N., Carruthers T.F., Poehler Т.О., Cowan D.O. The organic metallic state:some physical aspects and chemical trends: in Chemistry and Physics of One-Dimensional Metals / Ed. by Keller H.J. — N.Y.: Plenum Press. 1976. — C. 47 85.

58. Liu Y.L., Lin H.Q. Influence of Coulomb interaction and impurity scattering on lattice dimerization in a one-dimensional system // Phys. Rev. В — 2000. — 61, № 19. — С. 12574 12577.