Электрофизические свойства линейно-цепочечного углерода (карбина) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор литературы

§1.1. Структура линейно-цепочечного углерода.

§ 1.2. Солитоны в полиацетилене.

ГЛАВА 2. Методика выращивания пленок линейно-цепочечного углерода экспериментальная часть).

ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение

§3.1. Исследование электропроводности поперек цепочек.

§ 3.2. Инжекционные и полевые свойства.

§3.3. Эмиссионные свойства.

§ 3.4. Частотные зависимости тока инжекции.

Актуальность темы. Существует множество аллотропных модификаций углерода, однако объяснение этого феномена отсутствует. Карбин или линейно-цепочечный углерод является наиболее интригующей и наименее исследованной аллотропной sp'-гибридизованной формой углерода [1-7]. Карбин обладает уникальным строением, благодаря чему, можно ожидать сверхпроводимость [8], фотопроводимость [9] или даже ферромагнетизм [10]. Однако исследования карбина затруднены из-за того, что существует большое количество политипов, в которых изменяется длина линейного фрагмента и отсутствует кристалл макроскопического размера. Появление методики роста плёнок ориентированного карбина из углеродной плазмы с использованием стимуляции поверхности роста ионами инертного газа усилило интерес к карбину [1, 11-13]. Эти пленки (как минимум до толщины 1 ООО А) представляют собой двумерно-упорядоченный (гексагонально) набор параллельных линейных углеродных цепочек, нормально ориентированных к поверхности подложки, и могут быть представлены как квази-одномерная среда [13]. В таких пленках представляется возможным провести исследование механизмов межцепочечного взаимодействия, удерживающих цепочки длиной до нескольких тысяч атомов от переплетения, что актуально для понимания принципов самоорганизации низко-размерных углеродных систем.

Не исследованы свойства зарядо-топологических солитонов, с которыми связана термодинамическая стабильность цепочек карбина [2]. До настоящего момента, экспериментальное исследование свойств солитонов проводилось в основном с использованием сопряженных полимеров. Наиболее информативными и практически значимыми являются исследования зарядово-транспортных свойств солитонов. Однако, механизм межсолитонного перескока электронов до конца не прояснен, несмотря на множество теоретических и экспериментальных работ, из-за беспорядочного переплетения цепочек в сопряженных полимерах. Карбин, выращиваемый методом [11-13], представляет собой высокоупорядоченную среду, в которой может быть осуществлен чисто межсолитонный механизм проводимости.

Цель работы. Целью работы являлось исследование механизмов, обуславливающих определенные электрофизические свойства пленок ориентированного карбина. В связи с этим ставились следующие задачи:

• Создание микроструктуры контактов, позволяющей измерять свойства проводимости поперек цепочек карбина.

• Исследование свойств проводимости поперек цепочек.

• Исследование инжекционных и эмиссионных свойств карбина и определяющих их механизмов. Выяснение роли межцепочечного перескока электронов.

• Разработка зонной и структурной моделей пленок ориентированного карбина.

Научная новизна:

• Впервые предложена модель солитонной кристаллической решетки, объясняющая проблемы стабилизации углеродных цепочек.

• Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что обнаружен новый эффективный механизм инжекции носителей в диэлектрические пленки толщиной до 0.6 мкм как минимум, основанный на «встроенном» в пленки карбина поле, загибающем зоны диэлектрика к уровню Ферми источника инжектируемых носителей.

• С использованием плоского инжектирующего контакта простой конструкции, в пленках SiC>2 впервые получен объемный ток плотностью до 0.4 А/см2, при напряженности приложенного поля порядка 105 В/см. Впервые из такой конструкции также получена холодная эмиссия электронов в вакуум.

• Рассчитанная с использованием полученных экспериментальных данных, в рамках модели термоэлектронной эмиссии, работа выхода карбина имеет наименьшее значение среди всех углеродных материалов: 0.4 эВ.

• Результаты экспериментов позволяют сделать вывод об обнаружении нового универсального механизма уменьшения контактных барьеров на границе с карбином, основанного на «встроенном» в карбин поле, не зависящем от зонных параметров материала подложки. Предложена зонная модель этого механизма.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для разработки светоизлучающих приборов нового поколения, а так же для создания принципиально новой элементной базы для микроэлектроники. Разработанные модели открывают новые перспективы создания кристаллов карбина макроскопических размеров, поскольку из них ясен механизм аморфизации пленок карбина с ростом толщины.

Личный вклад. Все приведенные результаты получены автором лично или с его непосредственным участием.

Защищаемые положения. На защиту выносятся:

• Электрические свойства карбина: проводимость вдоль и поперек цепочек.

• Контактные явления в пленках карбина: на границе с диэлектриком и на границе с вакуумом.

• Структура, позволяющая получить объемный ток в пленках диэлектрика, а также холодную эмиссию электронов в вакуум.

• Зонная модель механизма уменьшения контактных барьеров на границе с карбином.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах в следующих институтах: Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова, Институт Проблем Технологии Микроэлектроники РАН (Черноголовка), Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН.

Публикации:

1] Ю.Е. Праздников, А.Д. Божко, М.Б. Гусева, и Н.Д. Новиков, Вестник

МГУ, 5, 37 (2004).

2] Yu. E. Prazdnikov, A. D. Bozhko, and N. D. Novikov, Journal of Russian Laser Research, 26 (1) (2005), 55.

3] Ю.Е. Праздников, А.Д. Божко, Н.Д. Новиков, Краткие сообщения по физике, 4 (2005), 3.

4] Yu. Е. Prazdnikov, L. S. Lepnev, A. D. Bozhko, N. D. Novikov, Journal of Russian Laser Research, 26 (3), 245.

5] Ю.Е. Праздников, JI.C. Лепнев, А.Д. Божко, Н.Д. Новиков, Краткие сообщения по физике, 9 (2005), 25.

6] Доклад на 37-м общемосковском коллоквиуме по физическим и физико-химическим свойствам карбина и других форм углерода («Сладковские чтения»). Апрель 2006. А

выводы

Предложена модель слоистой структуры пленок карбина за счет образования солитонной решетки.

Проведенные контрольные эксперименты позволяют сделать вывод о новом механизме инжекции носителей в диэлектрические пленки толщиной до 0.6 мкм как минимум.

С использованием плоского контакта простой конструкции, получен объемный ток плотностью до 0.4 А/см2 в пленках Si02 толщиной 0.1 мкм. С какой конструкции также получена холодная эмиссия электронов в вакуум.

Рассчитанная в рамках модели термоэлектронной эмиссии работа выхода имеет меньшее значение, чем в других углеродных материалах: 0.4-1.6 эВ.

Предложена зонная модель понижения контактных энергетических барьеров на границе с карбином.

БЛАГОДАРНОСТИ

В заключение хочу выразить благодарность моему научному руководителю: проф. Гусевой М.Б., научному консультанту д.ф-м.н. Лепневу Л.С., к.х.н. Т.А. Сладковой, заведующему Отделом люминесценции ФИАН проф. Витухновскому А.Г., проф. Георгобиани А.Н., к.ф-м.н. Божко А.Д, к.ф-м.н. Новикову Н.Д., Лимоновой Т.Ф. и другим сотрудникам Физического факультета МГУ и Физического института им. Лебедева РАН за доброжелательное отношение, внимание и помощь в процессе работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Продемонстрированы возможности практического применения карбина: в качестве высокоэффективного инжектора, а так же в качестве основы для создания полевого транзистора. Механизм транспорта электронов в исследованных образцах - из плёнки карбина в диэлектрик Si02 требует дальнейших исследований. Эксперименты по инжекции носителей (обоих знаков) в диэлектрик показали большое время жизни эффективных электродов-инжекторов на основе пленок карбина, даже при использовании очень тонких плёнок (~2 нм). Тонкие плёнки обладают лучшей инжектирующей способностью чем толстые, а так же более выраженным полевым эффектом, что, возможно, указывает на то, что практически значимая полиморфная фаза карбина получается в непосредственной близости от поверхности подложки. Этот эффект был отмечен ранее [13] как увеличение степени аморфизации при увеличении толщины плёнки (организующее свойство поверхности), однако не был описан ни качественно ни количественно.

Разработанная структурная модель впервые предполагает возможность существования кристалла образованного квазичастицами - зарядово-топологическими солитонами. Такой кристалл обладает необычными свойствами проистекающими из свойств самих солитонов (спин-зарядовая конверсия, специфическая кинетическая энергия). В этой модели получили качественное объяснение многие необычные свойства карбина, такие как характерная ступенчатая зависимость сопротивления пленки от ее толщины и аномальная инжекционная/эмисионная способность пленок карбина.

1. Y. P. Kudryavtsev, S. Е. Evsykov, V. G. Babaev, et al., Carbon, 30 (2), 213 (1992).

2. R. B. Heimann, S. E. Evsyukov, L. Kavan, Carbyne and Carbynoid Structures, Kluwer, Dordrecht (1999).

3. A. Baeyer, Ueber Polyacetylenverbindungen, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 18, 674(1885); 18, 2269(1885).

4. A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin, V. V. Korshak, et al., Inventor's Certification, No. 107 (December 7, 1971), Priority date November 4, 1960.

5. E. A. Goresy and G. Donnay, Science, 161, 363 (1968).

6. Y. P. Kudryavtsev, S. Evsyukov, M. Guseva, et al., Chemistry and Physics of Carbon, Marcel Dekker, New York, 25, 5 (1997).

7. C. S. Casari, A. Li Bassi, L. Ravagnan, et al., Phys. Rev. B, 69, 075422 (2004).

8. W.A. Little, Phys. Rev., 134 (1964) 1416

9. M.J. Rice, S.R. Philpot, A.R. Bishop and D.K. Campbell, Phys. Rev. B, 34(6) (1986)4139.

10. A. Misurkin and A.A. Ovchinnikov, Russ. Chem.Rev., 46 (10) (1977) 967.

11. Guseva M.B., Babaev V.G., Novikov N.D. PCT Patent, International Application Number PCT/IB96/01487, December 18 (1996); WO 97/25078, July 17(1997).

12. US Patent 6.454.797 B2, US Patent 6.335.350 Bl.

13. В.Г. Бабаев, М.Б. Гусева, Н.Ф. Савченко, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 3 (2004), 16.

14. R.B. Heimann and J. Kleiman, Crystals: Growth, Properties and Applications, 11, Springer, Berlin, 1988, 1.

15. В.И. Касаточкин, B.B. Савранский, Б.Н. Смирнов, B.M. Мельниченко, Доклады Академии Наук СССР, 217 №4 (1974) стр. 796-798.

16. В.И. Касаточкин, М.Е. Казаков, В.В. Савранский, А.П. Набатников, Н.П. Родимов, Доклады Академии Наук СССР, 201 №5 (1971), стр. 11011105.

17. М. Van Thiel and F.H. Ree, J.Appl. Phys., 62 (1987) 1761; Ph. Gerhard and K.H. Homann, J.Appl. Chem., 94 (1990), 5381.

18. В.И. Касаточкин, Jl. Штеренберг, M. Казаков и др., Докл. Академ. Наук СССР, 209 (1973), 388.

19. G.P. Vdovykin, Meteoritics, 7 (1972), 547.

20. R. Hayatsu, R.G. Scott, M.H. Studier, R.S. Lewis and E. Anders, Science, 209(1980), 1515.

21. A.G. Whittaker, E.J. Watts, R.S. Lewis and E. Anders, Science, 209 (1980), 1512.

22. K. Akagi, M. Nishiguchi, H. Shirakawa, Y. Furukawa and I. Harada, Synth. Metals, 17 (1987), 557.

23. M. Shimoyama, H. Niino and A. Yabe, Macromol. Chem., 193 (1992) 569.

24. Yu.P. Kudryavtsev, D.P. Erchak et al., EPR in carbyne, submitted to Chem. Phys. Lett., 1992.

25. R.B. Heimann, J. Kleiman andN.M. Salansky, Nature, 306 (1983) 164.

26. V.M. Melnitchenko, Yu.N. Nikulin and A.M. Sladkov, Carbon, 23(1) (1985), 3.

27. R.B. Heimann, J. Kleimann and N.M. Salansky, Carbon. 22(2) (1984) 147.

28. R.B. Heimann, Diamond and related materials, 3 (1994) 1151.

29. L. Pauling, The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, New York, 1960.

30. A. Seeger and P.Schiller, in W.P. Mason (ed.), Physical Acoustics, Voll. Ill, Academic Press, New York, 1966, p. 361.

31. A.M. Sladkov, Sov. Sci. Rev., Sect. B3 (1981) 75.

32. D.W. Ewing and G.V. Pfeiffer, Chem. Phys. Lett., 86 (1982) 365.

33. S.W. McElvany, M.M. Ross and J.H. Callahan, Acc. Chem. Res., 25 (1992) 162.

34. R.E. Smalley, Acc. Chem. Res., 25 (1992) 98.

35. D P Ertchak et al 1999 J. Phys.: Condens. Matter 11 855-870.

36. Д.А. Бочвар и др., Журнал структурной химии, 28 (1987), №4, 23

37. Е.М. Попов, Г.А. Коган, Упехи химии, 37 (1968), 256

38. R. В. Heimann, Diamond Relat. Mater., 3 (1994), 1151.

39. Electronic Properties of Polymers / Ed. H. Kuzmany, M. Mehring, S. Roth. Berlin (1992). 420 p.

40. Poly conjugated Materials / Ed. G. Zerbi. Amsterdam (1992). 443 p.

41. Conjugated Polymers / Ed. G.L. Bredas, R. Silbey. Dordrecht (1991). 398 p.

42. H. Stubb, E. Punkka, J. Paloheimo. Mater. Sci. Eng. 10, 85 (1993).

43. Handbook of Conducting Polymers / Ed. Т.Е. Scotheim. N. Y. (1986). 1417 p.

44. R.H. Baughmann, S.L. Hsu, G.P Pez, A.J. Signorelli. J.Chem. Phys. 68, 12, 5405 (1978).

45. C.R. Fincher, C.-E. Chen, A.J. Heeger, A.G. Mac Diarmid, G.B. Hastings. Phys. Rev. Lett. 48, 2, 100 (1982).

46. W.P. Su, J.R. Schrieffer, A.G. Heeger. Phys. Rev. B22, 4. 2209 (1980).

47. W. Markowitsch, G. Leising. Synth. Met. 51, 25 (1992).

48. W. Markowitsch, F. Kuchar, K. Seeger. In: Electronic Properties of Polymers and Related Compounds / Ed. H. Kusmany, M. Mehring, S. Roth. Berlin (1985). P. 78.

49. H. Thomann, L.R. Dalton. In: Handbook of Conducting Polymers / Ed. Т.Е. Scotheim. N. Y. (1986). P. 1157.

50. S. Kivelson. Phys. Rev. B25, 6, 3798 (1982).

51. A.J. Epstein. In: Handbook of Conducting Polymers /Ed. Т.Е. Scotheim. N. Y. (1986). P. 1041. .

52. Н. Мотт, Э. Дэвис. Электронные процессы в некристаллических веществах. М. (1982). 662 с.

53. Y. Wada, J.R. Schrieffer. Phys. Rev. B18, 8, 3897 (1978).

54. К. Maki. Phys. Rev. B26, 4, 2178, 2181 (1982).

55. A. Terai, Y. Ono. Synth. Met. 55-57, 4672 (1993).

56. P. Bernier. In: Handbook of Conducting Polymers / Ed. Т.Е. Scotheim. N.1986). P. 1099.

57. T.C. Журавлева. Успехи Химии 56,1,128 (1987).

58. I.B. Goldberg, H.R. Crowe, PR. Newman, A.J. Heeger, A.G. Mac Diarmid. J. Chem. Phys. 70, 3, 1132 (1979).

59. B.R. Wienberger, S. Kaufer, A.J. Heeger, A. Pron and A.G. MacDiarmid, Phys. Rev. В 20, 223 (1979).

60. R. Hosemann, Ber. Bunsenges. (in German), 74 (8/9), 755 (1970).

61. К. C. Kao, W. Hwang, Electrical transport in solids, Oxford-N. Y.-Toronto-Sydney-Paris-Frankfiirt, Pergamon Press.

62. Asa Johansson and Sven Stafstrom, Phys. Rev. B, 65, 045207 (2002).

63. J. R. Heath, Q. Zhang, S. C. O'Brian, et al., J. Am. Ceram. Soc., 109, 3591987).

64. J. G. Simmons, J. Phys. Chem. Solids, 32, 1987 (1971); 32 2581 (1971).

65. A. Modinos, Field, Thermionic, and Secondary Electron Emission Spectroscopy, Plenum Press, New York (1984), pp. 13-24.

66. Ю.Е. Праздников, А.Д. Божко, М.Б. Гусева, и Н.Д. Новиков, Вестник МГУ, 5, 37 (2004).

67. Ming-Chi Kan, Jow-Lay Huang, James С. Sung, et al., Carbon, 41, 2839 (2003).

68. A. N. Obraztsov, A. P. Volkov, Al. A. Zakhidov, et al., Appl. Surf. Sci., 215, 214 (2003).

69. G. N. Fursey, D. V. Novikov, G. A. Dyuzhev, et al., Appl. Surf. Sci., 215, 135 (2003).

70. A.C. MarshallII Surf.Sci, 517 (2002), 186-206.