Оптические исследования тонких пленок молекулярных органических полупроводников фталоцианинового ряда

• Автор: Колосько, Анатолий Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Глава 1. Металлофталоцианины - общие свойства
1Л. Молекулы металлофталоцианинов
1.2. Пленки металлофталоцианинов
а. Кристаллическая структура пленок МРс
б. Влияние условий напыления и постобработки пленок МРс
1.3. Электронная структура молекул МРс
1.4. Спектроскопия поглощения и люминесценция пленок МРс
а. Спектры поглощения МРс
б. Люминесценция пленок Pc
1.5. Анизотропия оптических свойств пленок МРс
1.6. Электрические свойства и анизотропия проводимости МРс
а. Электропроводность
б. Фотопроводимость
в. Влияние структуры пленок МРс на их проводимость в МОП структурах 45 Выводы из обзора литературы и постановка задачи
Глава 2. Методики создания и исследования пленок МРс
2.1. Приготовление пленок МРс
а. Синтез порошков
б. Создание пленок методом термического вакуумного напыления
2.2. Спектроскопия анизотропного отражения
а. Что такое RAS?
б. Схема и особенности методики RAS
в. Оптические неточности спектров анизотропного отражения
2.3. Моделирование спектров анизотропного отражения
а. Отражение света от слоистой структуры - трехфазная модель
б. Возникновние в спектрах АО производноподобных пиков
2.4. Метод постоянного фототока
2.5. Спектральная фотолюминесценция
Выводы из обзора экспериментальных методик
Глава 3. Оптические исследования пленок МРс
3.1. Особенности спектров АО пленок МРс
а. Вклад оптической анизотропии подложки в спектры АО
б. Проявление молекулярных переходов в спектрах АО
в. Зависимость спектров АО от наклона молекул к подложке
г. Влияние на спектры АО упорядоченности молекул в пленке
д. Вращение образца вокруг оси луча
е. Корректировка экспериментальных спектров АО
Выводы из параграфа 3
3.2. Влияние природы подложки и ее рельефа на характер
упорядочения молекул МРс
а. Ориентирующее влияние кристаллических подложек
б. Влияние типа подложки на спектры АО пленок РбРс
в. Влияние типа подложки на спектры АО пленок СиРс
г. Влияние типа подложки на спектры АО пленок РЬРс
д. Влияние ІТО покрытия на спектры АО пленок МРс на стекле
е. Влияние модификации контакта ІТО на АО пленок СиРс
Выводы из параграфа 3
3.3. Влияние толщины пленки на характер упорядочения молекул МРс
а. Пленки СиРс на стекле
б. Пленки РбРс на ОаАБ(100)
в. Пленки РЬРс на 81(100)
Выводы из параграфа 3
3.4. Влияние толщины на спектры АО пленок МРс с плавным
изменением толщины
а. Пленки РёРс с плавным изменением толщины на ОаАз( 100) и стекле
б. Пленки СиРс с плавным изменением толщины на ОаАэДОО) и стекле ... 111 Выводы из параграфа 3
3.5. Влияние структуры молекул на характер упорядочения молекул МРс
а. Влияние молекулярных заместителей на спектры АО пленок СиРс
б. Влияние заместителей на спектры ФЛ и МПФ пленок СиРс
Выводы из параграфа 3
Заключение
Список литературы
Приложения.
Приложение 1. Связь электронных свойств МРс со спектрами АО
а. Электронные переходы в диэлектрике под воздействием линейно поляризованного монохроматического света
б. Азимутальная зависимость сигнала АО для одного сорта диполей
в. Азимутальная зависимость сигнала АО для нескольких типов диполей
г. Азимутальные зависимости диэлектрической восприимчивости пленокМРс
д. Производноподобные пики в спектрах АО
Приложение 2. Расчет толщины пленки с клинообразным профилем

Актуальность темы.
За последние десятилетия в области полупроводниковой электроники произошел значительный научно-технический прогресс. Развитие технологии тонкопленочных структур позволило создать приборы, которые получили широкое распространение на рынке массового потребления: транзисторы, диоды, газовые датчики, солнечные элементы и др. В связи с этим возникли новые исследовательские направления, призванные упростить технологию создания тонких пленок и удешевить используемые материалы.
Одним из таких направлений является органоэлектроника, которая разрабатывает электронные приборы на основе дешевых, экологически чистых и удобных для обработки органических веществ. Развитие этого направления стало возможным после открытия органических веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами.
Большой интерес в этой связи представляют металлофталоцианины (МРс, где М - металл), показывающие в твердой фазе повышенную проводимость [1]. Пленки металлофталоцианинов широко используются в различных областях. Их используют для создания нелинейных оптических устройств , оптических переключателей [3], оптических фильтров [4], тонкопленочных транзисторов [5, ,7,8]^ дИОДОВ и фотодиодов [7’8’9’10], буферных, инжекционных слоев в электронных структурах 18,11,12,1 фотовольтаических преобразователей и солнечных элементов 18,14’15’ 1б>’7]) фотокопировальных аппаратов и принтеров |181, газовых датчиков [19>20-21^ акхивных слоев в лазерных СБ-дисках [133’1341 и др.
Электрические и оптические свойства пленок МРс могут варьироваться в широких пределах и зависят от ряда факторов. В первую очередь на свойства этих пленок влияет структура формирующих их молекул. Возможности изменения структуры молекул МРс практически безграничны, что позволяет синтезировать соединения с различными уникальными свойствами.
Существенное влияние на структуру пленок МРс и их физико-химические свойства оказывают также методы их получения. Наиболее дешевыми и пригодными для полупроводниковой электроники являются пленки, полученные методом термического вакуумного напыления. Условия напыления определяют кристаллическую структуру пленки, ее толщину, геометрический профиль и однородность. Определяющими факторами являются также тип подложки и качество интерфейса подложка-пленка. Различные методы последующей обработки пленок также могут значительно изменить их характеристики.
Для изучения свойств полупроводниковых пленок обычно проводят следующие типы исследований: структурные (атомно-силовой микроскопией, сканирующей электронной микроскопией, методом дифракции рентгеновских лучей и др.), электрические (построение вольт амперных характеристик, сканирующая туннельная микроскопия) и оптические (спектроскопия

Подготовка камеры и напыление пленки. Перед напылением при помощи форвакуумного насоса (1) откачивался воздух из диффузионного насоса (2) 30 -40 мин. Затем тем же форвакуумным насосом производилась дегазация камеры и достигался предварительный низкий вакуум (10'3-10"4 торр) от 0,5 до 5 ч. После этого включался диффузионный насос и достигался высокий вакуум (10' -10"7 торр). Степень создаваемого вакуума контролировалась газоразрядной лампой (3) - для низкого вакуума и емкостной лампой (4) - для высокого вакуума.
Затем включался электронагреватель (5) источника (6) и при достижении определенной температуры (550 - 600°С) открывалась заслонка между источником и подложкой (7) (на рис. не показана) - начиналось напыление пленки. Температура источника постоянно контролировалась термопарой (8) и поддерживалась на заданном уровне. Температура подложки оставалась комнатной. После напыления нагреватель выключался и камера остывала до комнатной температуры, рабочий объем откачивался до давления МО'4 торр, чтобы перекрыть клапаны диффузионного насоса и отключить его. Выполнялось изъятие образца, готового для проведения дальнейших экпериментов.
Толщина пленки задавалась временем напыления и в процессе создания пленки не контролировалась. Отметим, что напыление пленки толщиной 1 мкм в описанной установке производится за один день, толщины же более 1 мкм получаются многоразовым напылением.
Физика процесса напыления. В процессе осаждения тонкой пленки МРс поток молекул МРс, сформированный у поверхности источника рабочего, вещества, переносится через область переноса рабочего вещества (остаточная атмосфера или низкий вакуум) в плоскость подложки. Поток рабочего вещества формируется термическим испарением, т.е. нагреванием источника до температур десорбции молекул.
В качестве источника в установке используется эффузионная ячейка Кнудсена. Она представляет собой цилиндрический тигель с внутренним диаметром 1 - 2 см и длиной 5-10 см. Верхняя часть тигля закрыта тонкой диафрагмой с диаметром отверстия ~ 0,5 см. Внутрь тигля помещается рабочее вещество - порошок МРс, который нагревается до температуры испарения 550 -600°С. Температура ячейки контролируется термопарой, что позволяет создавать постоянный поток рабочего вещества и задавать скорость роста пленки.
При указанных значениях температуры Т,1ОТ давление насыщенного пара вещества источника рнас составляет 1 -10 Па, тогда как давленгие высокого вакуума в камере рост = 10'5 - 10"3 Па. Таким образом, выполняется условиер,шс » Рост, что характерно для процесса термического испарения [351.
В зависимости от соотношения расстояния между источником и подложкой (/г) и средней длины свободного пробега (L) различают два режима напыления: напыление в высоком вакууме (h « L) и напыление в низком вакууме (h » L).
Для технологий молекулярно-лучевой эпитаксии и в частности для эпитаксии металлоогранических соединений (МОМВЕ - metal organic molecular