Krūvininkų judrio organiniuose fotopuslaidininkiuose tyrimas

Darbo užduotis

1 Stebėti mažo krūvio dreifo kinetines prieklausas pateiktame organinio fotopuslaidininkio sluoksnyje esant skirtingiems elektrinio lauko E stipriams.

2. Pagal charakteringą lūžį dreifo kinetikose nustatyti dreifuojančių krūvininkų lėkio trukmes ir apskaičiuoti dreifinį judrį .

3. Pavaizduoti priklausą lg~E1/2.

4. Padaryti išvadas.

Mažo krūvio lėkio trukmės metodas krūvininkų judrio tyrime

organiniuose fotopuslaidininkiuose

Organiniuose puslaidininkiuose krūvininkų judriai yra maži, todėl klasikiniai krūvininkų pernašos tyrimo metodai (Holo reiškinys, magnetovarža ir kt.) nėra tinkami. Todėl dažniausiai naudojamas tiesioginis lėkio trukmės metodas. JJo idėja remiasi mažo krūvio paketo dreifo per tarpelektrodinį nuotolį trukmės matavimu [ ]. Būtent, matuojama krūvininkų dreifo srovės kinetika, laisvus krūvininkus sužadinus arti vieno iš elektrodų. Dažniausiai yra išlaikomas mažo krūvio dreifo srovės (MKDS) režimas, t.y. sužadintas krūvis yra daug mažesnis už krūvį elektroduose ir dreifuodamas tarp elektrodų tas krūvis praktiškai nepakeičia elektrinio lauko pasiskirstymo. Apšviečiamo elektrodo įtampos poliarumas rodo matuojamų krūvininkų ženklą.

Srovės impulso trukmė ttr = d2/U leidžia nustatyti atitinkamų krūvininkų judrį . Būtinos sąlygos:

• elektrinis laukas tturi būti vienalytis. Eksperimente ta sąlyga tenkinama sužadinant krūvininkus po įtampos prijungimo per trumpesnę trukmę td negu elektrinio lauko persiskirstymo trukmė t.

• medžiagos dielektrinės relaksacijos trukmė  turi būti didesnė negu lėkio trukmė, kad dreifuojantis krūvininkų paketas nebūtų ekranuojamas ( > tttr).

• krūvininkų gyvavimo trukmė turi būti didesnė už lėkio trukmę, kad dreifuojantys krūvininkai pasiektų priešingą elektrodą.

• krūvininkų generacijos trukmė turi būti trumpesnė už lėkio trukmę.

• matavimo įrangos laiko pastovioji bei RC (čia R – įrenginio įėjimo varža, C – bandinio talpa) turi būti mažesnė už lėkio trukmę.

Realiame eksperimente tyrimui naudoti kondensatoriaus tipo bandiniai, kur bent vienas iš elektrodų yra skaidrus šviesai. Krūvininkų paketas sužadinamas stipriai sugeriamos šviesos impulsu (priklausomai nuo medžiagos sugerties spektro). Nesant galimybės fotogeneruoti krūvininkus tiesiogiai, tarp elektrodo tiriamojo sluoksnio yra įterpiamas fotogeneracinis sluoksnis, iš kurio fotogeneruoti krūvininkai yra injektuojami į tiriamą sluoksnį. Įtampos impulsas įjungiamas anksčiau už šviesos impulsą, kad tenkintų anksčiau nurodytas sąlygas. Organinėse medžiagose krūvininkų pernaša daugeliu atveju yra stochastinė tiek dėl šuolių atstumų, ttiek dėl prilipimo būsenų energinio pasiskirstymo dispersijų. Tai sąlygojo staigią srovės relaksaciją tuoj po sužadinimo, bei ne visada ryškų charakteringą lūžį srovės kinetikos kreivėje, pagal kurį nustatoma krūvio lėkio trukmė.

Kadangi daugeliu atvejų krūvininkų pernaša organinėse medžiagose yra stochastinė, lūžis MKD signalo kinetikoje būna neryškus. Tokiu atveju lūžis išryškėja atvaizdavus srovės signalą dvigubame logaritminiame mastelyje . Tokią srovės kinetinę prieklausą galima aproksimuoti dviem hiperbolėmis

j(t)~t-(1-) , tttr ,

kurios dvigubame logaritminiame mastelyje yra tiesės su skirtingais polinkiais. Parametras  (0<<1) vadinamas ddispersijos parametru. Kuo didesnė krūvininkų pernašos dispersija, tuo  yra mažesnis. Kai 0, pernašos dispersija yra labai didelė ir lūžis krūvio dreifo kinetikoje tampa labai neryškus. Lėkio trukmė nustatoma suradus minėtų aproksimuojančių tiesių dvigubame logaritminiame mastelyje susikirtimo tašką.

Krūvininkų judrio tyrimo elektrofotografinės veikos atveju ypatybės

Kadangi organinių puslaidininkių sluoksniai dažniausiai pasižymi mažu laidumu, juos galima tirti elektrofotografiniame režime. Šiuo atveju užtenka tiriamo organinio puslaidininkio sluoksnį palieti ant laidaus pagrindo: organinių fotopuslaidininkių bandiniai bei sluoksniai dažniausiai gaminami ištirpinus medžiagą organiniame tirpiklyje ir liejant ant laidaus pagrindo. Juo gali būti stiklo plokštelė su alavo oksido arba indžio-alavo oksidų laidžiu sluoksneliu, metalo plokštelė (dažniausiai Al) arba polimerinė 50-100 m storio plėvelė, padengta plonu aliuminio sluoksneliu. Elektrinio lauko sudarymui ant laisvojo sluoksnio paviršiaus vainikinio išlydžio ore būdu nusodinami oro jonai, o sluoksnio pagrindas tuo metu įžeminamas. Nusodinti jonai kartu su pritekėjusiais į laidų pagrindą priešingo ženklo krūvininkais sukuria elektrinį lauką sluoksnyje. Lauko stiprumą sluoksnyje nustatome matuodami paviršinį sluoksnio potencialą. Elektrofotografinis tyrimo metodas pranašesnis už tyrimo būdą su užgarintais elektrodais tuo, kad nereikia garinti laidžių elektrodų, pasitaikančios sluoksnyje defektų skylės neužtrumpina badinio, nereikia žinoti elektrodų šviesos pralaidumo, tiriant fotogeneracijos kvantinį našumą, pasižymi dideliu jautriu, tiriant krūvininkų judrį. Šio metodo trūkumas – negalime tirti sluoksnių su ddidesniu laidumu, kuriuose dielektrinės relaksacijos trukmė  trumpesnė nei kelios sekundės, nes tyrimo aparatūros persijungimo trukmė iš elektrinimo režimo į potencialo matavimo režimą yra apie sekundę. Dėl to matavimo metu paviršinis potencialas žymiai sumažėja, be to elektrinis laukas bandinyje gali pasidaryti nevienalytis (jei dielektrinės relaksacijos trukmę lemia krūvininkų generacija tūryje).

Patikimiausiai krūvininkų judris nustatomas tiesioginiu lėkio trukmės matavimo metodu. Tam matuojamas greitis paviršinio potencialo kitimo dU/dt, sąlygoto šviesa sužadintų laisvų krūvininkų dreifo. Šis matuojamas signalas dU/dt yra analogiškas krūvio dreifo srovei j, matuojant lėkį kondensatoriaus tipo bandinyje su elektrodais. Šiam greičiui yra proporcingas aparatūriškai išdiferencijuotas talpinio zondo signalas. Siekiant matyti aiškų lūžį stebimo signalo kinetikoje krūvininkai žadinami stipriai sugeriama šviesa. Be to pageidautina išlaikyti mažo krūvio dreifo (MKD) sąlygas. Lūžis potencialo kitimo greičio kinetikoje leidžia nustatyti sužadintų krūvininkų lėkio trukmę ttr ir tų krūvininkų judrį =d2/ttrU.

Rezultatai

Išvados

1 Stebėjau mažo krūvio dreifo kinetines prieklausas organinio fotopuslaidininkio sluoksnyje esant skirtingiems elektrinio lauko E stipriams.

2. Pagal charakteringą lūžį dreifo kinetikose nustatčiau dreifuojančių krūvininkų lėkio trukmes ir apskaičiavau dreifinį judrį .

3. Pavaizdavau priklausą lg~E1/2 iš kurios matyti, kad elektronų dreifinis greitis yra 10-100 kartų didesnis nei skylių. Taip yra del elektronų mažos masės.

Literatūra

. Laboratorinio darbo aprašymas

2. A. Juodviršis, M.Mikalkevičius, S. VVengris; Puslaidininkių fizikos pagrindai, 1985, Vilnius