Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 682-684

Полимерные материалы обладают уникальным сочетанием механических, физико-химических и электронных свойств [1]. Одной из особенностей полимерных материалов является то, что один и тот же полимер в зависимости от способов изготовления или сочетания с другими материалами может приобретать различные полезные свойства [2, 3]. В связи с этим цель настоящей работы заключалась в исследовании влияния на электропроводность и фотопроводимость тонких пленок ПДФ производных молекул фуллерена.

Структурная формула ПДФ приведена на рис. 1. В настоящей работе в качестве легирующей примеси были использованы производные фуллерена С₆₀(AAR-1339-1) и С₆₀(AAR-1343-1) (рис. 2). Экспериментальные образцы представляли собой трехслойную структуру вида ITO (оксид индия и олова) – полимер–Al. Тонкие пленки полимера формировали методом центрифугирования. Алюминиевые электроды осаждались методом термодиффузионного напыления. Для измерения электрофизических свойств использовали вольтамперные характеристики (ВАХ). Для оценки параметров носителей заряда был использован метод, основанный на токах, ограниченных пространственным зарядом (ТОПЗ) [4]. Оценку величины потенциального барьера проводили с использованием метода, основанного на модели барьера Шоттки [5, 6].

Рис. 1.

ВАХ образца ITO/ПДФ/Al (1 – темновой, 2 – фото (УФ)). Без добавления фуллеренов. В обычных координатах слева и в двойных логарифмических координата справа.

Рис. 2.

ВАХ структур на основе ПДФ с добавками С60 (AAR-1339-1) (образец № 1) и С60 (AAR-1343-1) (образец № 2). Влияние освещения на ВАХ легированных полимерных образцов: а – ВАХ структур на основе ПДФ, легированных С60 (AAR-1339-1) 1, 3, 4 – темновые измерения; 2, 5 – при УФ облучении; б – ВАХ структур на основе ПДФ, легированных С60 (AAR-1343-1): 1, 3 – темновые измерения, 2 – при УФ-облучении.

Производные фуллерена, используемые в работе, обладают фоточувствительностью, поэтому измерения ВАХ проводили в двух режимах: темновом и при ультрафиолетовом облучении (УФ). Для измерения ВАХ был использован источник-измеритель Keithley 2400 и УФ-лампа мощностью 25 Вт с λ_max = 365 нм, расстояние между источником освещения и образцом составляло 10 см.

На рис. 1 в обычных и двойных логарифмических координатах представлены ВАХ экспериментальной структуры на основе ПДФ. Как можно видеть из рисунка, облучение полимерного нелегированного образца оказывает очень слабое влияние на величину протекающего тока. Представленные на рис. 2 результаты измерений на структурах с фуллеренами демонстрируют разное влияние освещения на проводимость образцов. Так, для образца № 1 при облучении ток увеличивается при прямом смещении и уменьшается при обратном смещении. На образце № 2 при освещении ток уменьшается и при прямом, и при обратном смещении.

В табл. 1 представлены результаты оценки подвижности носителей заряда в рамках модели ТОПЗ [4] и результаты оценки потенциальных барьеров на границе металл/полимер. Согласно полученным результатам, подвижность носителей заряда при введении фуллеренов С60 (AAR-1339-1 и AAR-1343-1) существенно уменьшается по сравнению с подвижностью носителей заряда в исходном полимере. Оценить подвижность носителей заряда при темновом измерении на образце № 1 не удалось из-за отсутствия в измеряемом диапазоне напряжений перехода ВАХ на сверхлинейный участок. Подвижность носителей заряда на образце № 2 при освещении уменьшается в ~5 раз, а концентрация носителей заряда увеличивается в ~8 раз. По-видимому, фуллерены С60 (AAR-1339-1 и AAR-1343-1) формируют дополнительные ловушечные состояния с различными значениями энергий в запрещенной зоне.

Расчет потенциальных барьеров на границе металл/полимер показал, что введение фуллеренов приводит к увеличению потенциального барьера на 0.2 эВ по сравнению с чистым ПДФ. В то же время УФ-освещение образца № 1 приводит к незначительному уменьшению барьера (таблица), а образца № 2 – к увеличению потенциального барьера, что хорошо коррелирует с результатами измерения ВАХ. Необходимо учитывать, что введение таких достаточно активных акцепторов как фуллерены может повлиять на энергетику комплекса ПДФ + фуллерен. При этом изменение электронного сродства комплекса может существенным образом модифицировать транспорт носителей заряда внутри пленки и характеристики потенциального барьера. В соответствии с моделью Свораковского [7, 8] примесные электронные состояния будут формироваться практически вблизи середины области запрещенных энергий. Это может существенным образом повлиять на транспорт носителей заряда в полимерной пленке и на параметры потенциального барьера на границе металл/полимер.

Таким образом, в работе показано влияние производных фуллеренов на электрофизические параметры пленок ПДФ. Установлен разный вклад в электропроводность экспериментальных структур при фотовозбуждении.

Работа выполнена при поддержке грантом Республики Башкортостан молодым ученым (договор 30ГР) на оборудовании ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы” (проект № 075-15-2019-1651).