Управление магнитным полем для тока, полученного при приложении напряжения к пленке сополимера полиариленэфиркетона (стр. 2 )

В этом варианте середине барьера на уровне Ферми возможнопоявления новых электронных состояний, увеличивающие его проницаемость для электронов. В случае если удаться  управлять этими состояниями, то фактически это будет значить, что  создан принципиально новый электронный гибридный наноструктурированный металлорганический материал.

Явление высокой проводимости в тонких полимерных пленках было выявлено примерно 1980 годах. Тем не менее до этого времени этот эффект не имеет отчетливого объяснения. Этот эффект является необычным в связи с тем что она появляется без применения допирования в материалах, имеющих высокую запрещенную зону.(Допанты – это специальные добавки, которые помогают достигать высокой электропроводности в полимерных материалах. Они изменяют энергетический спектр электронов, перераспределяя собственные электронные состояния. Таким образом, возникают поляронные, биполяронные состояния).

Примером такого полимера является полидифениленфталид. Полидифениленфталид, полимер, который  является полимером из класса полиариленфталидов. Из-за того что это явление, т. е. явление высокой проводимости, не возникает в массивных материалах, её можно отнести к наноэлектронным. Сущность эффекта проводимости заключается в следующем: в пленках полимеров, толщина которых может составлять от нескольких микрон до нескольких нанометров, в результате незначительного влияния может возникать аномально высокая электропроводность. К характерным для такого вида объектов можно отнести такие факты как, пороговый характер возникновения высокой проводимости, анизотропия электропроводности, наличие каналов проводимости, электропроводность, достигающая 104-105 (Ом⋅см)-1, локальная плотность токов, не вызывающая разрушения до 106 А/см2 и выше, температурная зависимость проводимости металлического типа до сверхнизких гелиевых температур [11].

По проведенным на сегодняшний день исследованиям, очевидно, что переход в высокопроводящее состояние в тонких пленках несопряженных полимеров в структуре металл – полимер – металл является результатом возникновения глубоких электронных состояний в запрещенной зоне полимера.

Электронное переключение является размерным эффектом. Он возникает при изменении граничных условий на границе раздела металл– полимер. Суть этого явления объясняется следующим образом: смещение положение уровня Ферми  в установившемся электрическом контакте металла вовлечет за собой изменение свойства такого контакта. Это объясняется тем, что происходитперетекание заряда из одного контакта в другой. Эффект продолжается дотоговремени пока не выровняются уровни Ферми контактирующих материалов. Это не работает, в случае, когда имеем дело с контактом металла с полимерной пленкой, у которой толщина сравнима с глубиной проникновения этого самого заряда в полимер.  В результате сильного  взаимодействия неравновесного заряда с органическим окружением, в отличие от классических неорганических полупроводниковых материалов, можно предположить об изменении электронных свойств в полимерных материалах.[12].

Рис.2:Схема зонной диаграммы структуры металл-диэлектрик-металл [11]

На Рис.2 представлена зонная диаграмма структуры металл - диэлектрик - металл. Здесь в контакте металлы одинаковы, соответственно одинаковы и работы выхода электронов из металла и полимерного материала. Эта структура в большинстве случаев дает омический контакт. 

Полимер (диэлектрик) с широкой запрещенной зоной, находящийся между двумя металлическими электродамивозможно будет препятствовать протеканию заряда между электродами. Это произойдет в случае, достаточно великой толщины диэлектрической прослойки (d). Диэлектрический слой играет роль потенциального барьера прямоугольной формы. Высота этого барьера  определяется как разность между работой выхода металла и энергией электронного сродства диэлектрика[11].

2.3. Полиариленфталиды и их свойства

В последние годы развивается научное направление - электроника тонких пленок и электроактивных полимеров, которая, возможно в будущем, поможет решить многие технические проблемы своими научными и результатами, применимых на практике. Методами квантово-химических расчетов было определено, что эти полимеры имеют важную особенность. Дело в том, что, изменяя длину одной из связей такой молекулы до определенного значения можно достичь того что возникает второе энергетически устойчивое состояние. Оно характеризуется тем, что в области прежде запрещенных энергийимеются электронные уровни.

Полиариленфталиды сочетают в себе такие ценные свойства, как высокая термостойкость и теплостойкость, хорошая растворимость в органических растворителях, пленкообразование, хемостойкость. Они также проявляют электрические свойства – формирование высокопроводящего металлоподобного состояния в тонких пленках недопированных полимеров при воздействии на них одноосного давления, электрического поля, нагрева нестационарного, изменения граничных условий [26].

Полиариленфталид обладает таким свойством как электронное переключение из низкопроводящего в высокопроводящее состояние, которое можно достичь воздействием различных физических и химических факторов [11].

У полиариленфталидов первый потенциал ионизации равно примерно6 эВ. Ширина запрещенной зоны составляет порядка 4,2 эВ и энергия электронного сродства около 2 эВ [6]. У полимеровэтого класса глубина проникновения поверхностного заряда равняется примерно 1 мкм.

Еще некоторые характеристики полиариленфталидов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Свойства полиариленфталидов

Запрещенная зона	~ 4,2 эВ
Первый потенциал ионизации	~ 6,3 эВ
Работа выхода	~ 4,1 – 4,3 эВ
Электронное сродство	~ 2 эВ.
Хорошо растворяются и очищаются от примесей
Высокая пленкообразующая способность	до 2 нм
Термостабилен	400 OC - начало разложения
Модуль Юнга	3000 Мпа.
Температура стеклования выше температуры начала разложения
Прочность на разрыв	800-900 кгс∙см-2
Относительное удлинение при разрыве	10-20%.
Степень кристалличности	10-15 %, для некоторых полимеров до 30 %.

Важнейшей и актуальной на сегодняшний день проблемой для наноэлектронники является управление транспортом заряда в гетероструктурах. Управление проводимостью осуществляет в первую очередь, величина потенциального барьера. Для его изменения можно использовать величину электрического напряжения, которое подаем на структуру. В работе [25] была изучена переключение проводимости для сополимеров полидифениленфталида: а именно, исследовалась поведение в магнитном поле на границе раздела никель/сополимер полидифениленфталида. Также было выяснено, что можно воздействовать на потенциальный барьер изменением температуры. Одним из таких факторов может быть и слабое магнитное поле.  После проведенного исследования было обнаружено и для этой структуры переключения проводимости, управляемое внешним магнитным полем. Эффект переключения проводимости структуры осуществляется исключительно на ферромагнитных подложках. На рисунке 3 можно наблюдать явление переключения проводимости данной структуры.  (Стрелки указывают на направление изменения внешнего магнитного поля).

Рис.3: Изменение тока через гетероструктуру никель/сополимер ПДФ [13]

Из полученных результатов можно утверждать, что явление переключения проводимостихарактерны не только для полидифениленфталида, но и для его сополимеров. Полимер с таким интересным  химическим составом, у которого наблюдается этот эффект, в дальнейшем будет исследоваться.

Для демонстрации уникальности электроактивных полимеров, в частности для полиариленфталидов можно привести диаграммы явлений для этих полимеров. Явления можно выделить на 3 основные группы.

Рис.4: Электронные эффекты, которые наблюдаются в полимерах с несопряженной системой р-электронов [14]

2.4.  Сополимер полиариленэфиркетон с флуореновой боковой группой

Полиариленэфиркетоны (со-ПАЭК), относится к классу термостойких полимеров. Они применяются  в различныхнаправлениях науки и техники. Основным применением считается в качестве термопластов [27].

Несмотря на то что, этот полимер известен давно, данный класс полимеров в настоящее время продолжает интересовать, потому что они обладают уникальными свойствами: такие как высокая теплостойкость, термостойкость и хемостойкость, хорошая технологичность при переработке из расплавов, способностьнаходиться длительное время при высоких температурах и др.

Можно разными способами регулировать свойства полиариленэфиркетонов, изменяя их химическое строение: синтезировать новые мономеры и использовать их  при дальнейших поликонденсациях, синтез сополимеров на основе  уже известных или новых мономеров, а также  различного рода химические превращения  полученных полимеров. Этот фактор и определяет свойства полиариленэфиркетонов, так как регулирование химическим строением позволяет изменять теплофизические, термические, физико-механические свойства в широких пределах.

Исследования, проводимые для полиариленэфиркетонов(ПАЭК), показали, что есть новые возможности в создании полимерных материалов с уникальными характеристиками. Многие исследователи работают над синтезом  и свойствами ПАЭК, и разработкой совершенно новых материалов на основе этих полимеров [18].

В работе [27] осуществляется поиск новых возможностей синтеза полиариленэфиркетонов реакцией нуклеофильного замещения. Также ищется пути регулирования свойств полиариленэферкетонов с помощью синтеза сополимеров полиариленэферкетонов.