Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 642-644

Известны различные виды огромного магнетосопротивления (ОМC): гигантское, туннельное анизотропное, органическое, инжекционное [1‒7]. В большинстве работ при интерпретации учитывается высокая чувствительность спиновых электронных возбужденных состояний к внешнему магнитному полю. В последнее время стали учитывать влияние сверхтонкого взаимодействия [6, 7] и взаимодействие спина электрона с полем большого количества ядерных спинов [8, 10].

В структуре магнитный металл/полимер/немагнитный металл (МПН) также наблюдается ОМС [11]. В этой структуре выделяют два вида влияния магнитного поля на перенос носителей заряда. Первое – это явление переключения, индуцированное магнитным полем [12]. Оно характеризуется изменением проводимости структуры на несколько порядков при достижении магнитным полем критической величины В_thr [13]. Второе, менее исследованное магнеторезистивное явление связано с изменением проводимости в магнитных полях, меньших В_thr [14].

В связи с этим целью настоящей работы было экспериментальное исследование ОМС в структуре МПН в области магнитных полей, меньших В_thr.

Объект исследования – многослойная структура ферромагнетик /полимер/немагнитный металл. В качестве ферромагнетика использовались пластины поликристаллического никеля толщиной 0.5 мм. В качестве немагнитного металла – пленки меди толщиной 100 нм. В качестве полимера использовался полидифениленфталид (ПДФ). Толщина полимерных пленок составляла 400 ± ± 15 нм. Магнитное поле было направлено перпендикулярно поверхности образца.

На рис. 1 представлены результаты измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) структуры МПН в линейных (рис. 1а) и логарифмических (рис. 1б) координатах в зависимости от величины внешнего магнитного поля. ВАХ являются нелинейными вида I ~ kUⁿ. При малых напряжениях n = 1, при больших – n > 1. При наличии магнитного поля регистрируется эффект с отрицательным коэффициентом магнетосопротивления (КМС).

Максимальная величина КМС достигает 48%. Анализ представленных на рисунке ВАХ позволяет прийти к заключению, что в структуре МПН перенос носителей заряда ограничен объемным зарядом. Потому для анализа механизма переноса носителей заряда в зависимости от внешних условий была использована модель инжекционных токов [15].

При отсутствии магнитного поля сверхлинейный участок ВАХ возникает при минимальных напряжениях. Это свидетельствует о близости на контакте квазиуровня Ферми металла и области ловушек в полимерно й пленке, по которой происходит транспорт носителей заряда в полимере.

Согласно теории токов, ограниченных объемным зарядом, вольтамперные характеристики на начальном участке описывается известным соотношением:

где J – плотность тока, L – расстояние между электродами, U – приложенное напряжение (U < U_t, где U_t – напряжение перехода от линейного к сверхлинейному участку), n₀ – равновесная концентрация носителей заряда, μ – подвижность носителей заряда.

После достижения U_t на сверхлинейном участке ВАХ описывается другим соотношением [15]:

Изменение наклона ВАХ происходит, когда концентрация инжектированных носителей начинает превышать концентрацию собственных. По положению данной точки на ВАХ можно провести оценку равновесной концентрации собственных основных носителей заряда, а также значения максимально возможной подвижности носителей заряда. Таким образом, получаем выражение для концентрации:

Подвижность носителей рассчитывалась по следующей формуле:

где ε – диэлектрическая проницаемость полимера, ε₀ – диэлектрическая постоянная.

Оценки подвижностей по формуле (4) показали, что с увеличением магнитного поля подвижность носителей заряда уменьшается. Эта зависимость представлена на рис. 2а. В работе [16] содержится утверждение, что в несопряженных полимерах при определенных условиях можно наблюдать огромное магнетосопротивление, характеризуемое изменением подвижности носителей заряда в магнитном поле. Оценка изменения концентрации собственных носителей заряда при воздействии магнитного поля показала (рис. 2б), что влияние магнитного поля незначительно. Это может говорить о том, что согласно модели, представленной в [17], период допирования является минимально возможным.

Таким образом, показано, что полимер ПДФ по основным признакам хорошо соответствует структуре гипотетического полимерного материала, описанного в работе [16].

Квантовомеханические расчеты показывают, что при инжектировании носителей заряда возникают новые состояния с уровнем ловушки ниже уровня LUMO, что можно рассматривать в терминах этой модели как электронные состояния гостя. Они возникают в результате взаимодействия избыточного заряда с фталидной группировкой. Это подобно ситуации модели самодопирования, когда допированное состояние формируется за счет взаимодействия отдельных фрагментов макромолекулы с зарядом, инжектированным в объем полимера.

Протяженная структура ПДФ и большое количество боковых фрагментов позволяет говорить об одномерном характере протекании тока вдоль полимерной цепи. Наличие фталидных групп в ПДФ способствует уменьшению частоты прыжка между соседними мономерами k_hop.

Работа выполнена при поддержке ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 год”, номер гранта 075-15-2019-1651.