Электрофизические свойства линейно-цепочечного углерода (карбина)

• Автор: Праздников, Юрий Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 92 с. : ил.

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
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Актуальность темы. Существует множество аллотропных модификаций углерода, однако объяснение этого феномена отсутствует. Карбин или линейно-цепочечный углерод является наиболее интригующей и наименее исследованной аллотропной Бр'-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 1000 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 8Ю2 впервые получен объемный ток плотностью до
0.4 А/см2, при напряженности приложенного поля порядка 10э 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.
Островковая пленка металла использовалась как контактная микроструктура второго типа. Для того, чтобы получить наименьшее расстояние между контактами было решено использовать островковую пленку металла в качестве «контактов». Расстоянием между контактами в этом случае является промежуток без металла, или другими словами, окно в металле. Островковая плёнка А1 напылялась на поверхность диэлектрика методом термического испарения в вакууме; площадь напыления была порядка 0.5 см2. Типичная картина островковой пленки толщиной 500 А в сканирующем электронном микроскопе представлена на рис.ібв. Диапазон толщин островковой плёнки выбирался от минимальной, при которой начинается перколяция островков (иначе отсутствовала бы возможность проводимости между контактами-островками), до почти полной потери островковости (сужения межконтактного промежутка до нуля). Из картин островковых пленок различных толщин была произведена оценка среднего размера окна в металле: от 100 до 10 А при изменении толщины островковой пленки от 100 до 1000 А соответственно. Мы предполагали островки эквипотенциальными.
Качество диэлектрической пленки, после того как на ней был выращен карбин, проверял ос ь следующим образом. Методом ионного травления была удалена пленка карбина. После этого на поверхность диэлектрика напылялась сплошная пленка А1 площадью порядка 0.5 см2. Ток через вЮг толщиной 0.1 мкм, при напряжении ±100 В относительно кремниевой подложки не превышал 10'у А, что подтвердило изолирующие качества диэлектрика.
Вольтамперные характеристики (ВАХ) и температурная зависимость тока через диэлектрик в образцах первого типа измерялись с использованием центрального контакта как источника инжектируемых носителей. Потенциал боковых контактов поддерживался таким же, как и центрального для исключения эффекта поля направленного поперек