Автореферат (Влияние заряженных центров на транспорт носителей заряда в молекулярно допированных полимерах)

На правах рукописиГРАЧ ЕВГЕНИЙ ПЕТРОВИЧВЛИЯНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЦЕНТРОВ НА ТРАНСПОРТ НОСИТЕЛЕЙЗАРЯДА В МОЛЕКУЛЯРНО ДОПИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРАХ01.04.07 - Физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукАвтор:Москва - 2015Работа выполнена на кафедре физической химии и экологии Национальногоисследовательского университета «Высшая школа экономики».Научный руководитель:доктор физико-математических наук,Тютнев Андрей ПавловичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,Тамеев Алексей Раисович, ИФХЭ РАН, г. Москвакандидат физико-математических наук,ОрмонтМихаилАлександрович,физическийфакультет МГУ им.

М.В. Ломоносова, г. МоскваВедущая организация:Институт химической физики РАН, г. МоскваЗащита состоится «25» марта 2015 г. в 15 часов 00 минут на заседаниидиссертационного Совета Д 212.130.04 в НИЯУ МИФИ по адресу: 115409,г. Москва, Каширское шоссе, 31.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.Автореферат разослан “____” _________ 2015 г.Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в двух экземплярах,заверенных печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.Ученый секретарь диссертационного советад.ф.-м.н., профессорЧернов И.И.2Актуальность темы.Молекулярно допированные полимеры (МДП) представляют собойтвердый раствор низкомолекулярного соединения (допанта) в полимере-связке.Молекулы допанта распределены случайным образом в объеме полимера.

Взависимости от потенциала ионизации или сродства к электрону в МДПреализуется или дырочный, или электронный тип транспорта носителей заряда. Внастоящее время подобные полимеры широко используются в качестветранспортных слоев носителей заряда в изделиях оптоэлектроники.МДП являются идеальным объектом для изучения прыжкового транспортаэлектронов и дырок в неупорядоченных органических средах, так как в этихматериалах легко изменять как среднее расстояние между молекулами допанта(варьируя их концентрацию), так и химическую структуру или полярность среды.Для определения подвижности носителей заряда (основной характеристикитранспорта носителей заряда) традиционно использовали оптический вариантвремени пролета как при прямой ионизации молекул допанта в тонком (порядка0,2 мкм) приповерхностном слое, так и при инжекции подвижных носителейзаряда (обычно, дырок) из специального генерационного слоя. На времяпролетныхкривых, как правило, наблюдали горизонтальное или слегка наклонное плато, подлительности которого определяли подвижность.

Подобное плато ассоциировалисустановлениемквазиравновесноготранспортадырокспостояннойподвижностью. Интерпретацию полученных данных проводили с использованиеммодели гауссова беспорядка.Разработанная в МИЭМ радиационно-индуцированная методика временипролета, использующая пучки моноэнергетических электронов в диапазонеэнергий от 1 до 50 кэВ, позволила существенно расширить экспериментальныевозможностиизучениятранспорта носителейзаряда в неупорядоченныхорганических системах и получить ряд новых результатов.3Оказалось, что в образцах МДП с плоским плато при их облученииэлектронами низких энергий порядка 4–6 кэВ (пробег не более 0,8 мкм) припереходе к объемному облучению не обнаружено характерного треугольногосигнала, предсказываемого теорией (времяпролетная кривая в действительностиблизка к гиперболе).

Вместе с тем выяснилось, что плато закономерно образуетсяпри облучении образца МДП электронами со все возрастающей энергией, когдавремяпролетная кривая последовательно изменяется от горбообразной домонотонно спадающей типа гиперболы, формируя горизонтальное плато принекоторой промежуточной энергии. Таким образом, плато оказалось артефактомвремяпролетной методики с оптической или электронной генерацией носителейзаряда в приповерхностном слое образца (в оптическом варианте речь может идтии об инжекции зарядов из специального генерационного слоя).Но применение радиационно-индуцированной методики времени пролетавызвало серьезную критику, связанную с тем обстоятельством, что еенеотъемлемой частью является генерация электронов и дырок в объеме образца.Обычно дырки обладают повышенной подвижностью, а малоподвижныеэлектроны выступает в роли заряженных (отрицательных) центров, роль которыхв этом вопросе еще не изучена.

Этот вопрос важен и для физикиконденсированного состояния. В связи с этим настоящая диссертация посвященарешению актуальной задачи – детальному изучению влияния заряженных центровна транспорт носителей заряда в МДП.Цель работы.Определение влияния заряженных центров на транспорт носителей заряда вМДП с применением радиационно-индуцированной методики времени пролета иразработка физико-математической модели этого явления.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.4 Проанализированы существующие модели транспорта носителей заряда вМДП. Разработана методика контролируемого введения заряженных центров вобразец МДП и исследовано их влияние на транспорт носителей заряда вмолекулярно допированных полимерах. Проведен цикл экспериментальных исследований по теме диссертации. Созданафизико-математическаямодель,описывающаявлияниезаряженных центров на транспорт носителей заряда в МДП. Проведеносравнениевыводовтеориисполученнымиэкспериментальными результатами.Научная новизна.1.

Предложен метод контролируемого введения заряженных центров,состоящий в облучении образца в электрическом поле электронами, пробегкоторых значительно превышает его толщину. За счет выноса подвижныхносителей заряда (дырок в нашем случае) в объеме образце происходитнакопление зарядов противоположного знака (электронов), которые и выступаютв качестве отрицательных заряженных центров.2. Впервые обнаружен эффект аномального влияния объемного облученияобразцов МДП с приложенным электрическим полем на форму времяпролетныхкривых, состоящий в значительном возрастании тока при коротких (допролетных)временах, противоречащий привычным представлениям радиационной химии овлиянии дозы на радиационную электропроводность.3. Предложена физико-математическая модель влияния заряженных центровна транспорт носителей заряда в МДП, базирующаяся на двухслойной структуреМДП с гауссовым распределением ловушек по энергии и учитывающая в явномвиде поле объемного заряда и мономолекулярную рекомбинацию.

В рамках5предложенной модели отмеченный в п. 2 аномальный эффект получилестественное объяснение.4. Установлено, что введение заряженных центров существенно изменяетформу времяпролетной кривой, и выявлен характер этих изменений в зависимостиот концентрации этих центров.5. Определены параметры предложенной модели для поликарбоната,допированного 30% (по массе) тритолиламина, транспорт дырок в которомявляется неравновесным.Практическая ценность.1. Разработана лабораторная методика, позволяющая в едином цикле, безразгерметизации, проводить исследования транспортных свойств молекулярнодопированных полимеров в широком диапазоне энергий воздействующихэлектронов.2. Для поликарбоната, молекулярно допированного различными добавками,экспериментально изучено влияние заряженных центров на его транспортныесвойства,определеныусловияэксперимента,позволяющиеустранитьнежелательные искажения, вносимые этими центрами в форму времяпролетныхкривых, и повысить точность определения подвижности носителей заряда в этихматериалах.3.

Экспериментальные результаты по измерению подвижности носителейзаряда в перспективных для применения в множительной технике молекулярнодопированных полимерах рекомендованы для использования разработчиками этойтехники.Полученные практические результаты диссертационной работы являютсяважным приложением для фото- и радиационного материаловедения, и могутбыть использованы для повышения производительности оптоэлектронныхустройств нашими партнерами в лаборатории фирмы “Eastman Kodak” (США).6Основные положения, выносимые на защиту.1. Разработаннуюэкспериментальнуюметодику,позволяющуюконтролируемо вводить заряженные центры (в случае дырочно-проводящих МДП– это электроны) в любой концентрации практически от нуля и до предельновозможной в конкретных условиях радиационного облучения.2. Результаты исследований влияния заряженных центров на транспортносителей заряда в МДП при использовании трех вариантов радиационноиндуцированной методики времени пролета (приповерхностная, объемная ирегулируемая толщина зоны генерации носителей зарядов).3.

Физико-математическуютранспортносителейзарядамодельвМДП,влияниязаряженныхбазирующуюсянацентровнаформализмемногократного захвата с гауссовым распределением ловушек по энергии длядвухслойной структуры образца МДП и учитывающую как поле объемногозаряда, образование которого связано с введением заряженных центров, так имономолекулярную рекомбинацию.Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались наXIX–XXII Международных конференциях "Радиационная физика твердого тела",г. Севастополь, 2009–2012 гг., а так же на научно-технических конференцияхстудентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, г. Москва, 2010 – 2012 гг.Публикации.