Управление магнитным полем для тока, полученного при приложении напряжения к пленке сополимера полиариленэфиркетона (стр. 4 )

Из-за малой высоты потенциального барьера, при незначительном изменении положения уровня Ферми металла в магнитном поле, может сильно измениться условия инжекции носителей заряда из металла в полимер. Это происходит из-за зависимости инжекционного тока экспоненциально от разницы энергий инжектирующего и транспортного уровней. В полимере таким транспортным уровнем является узкая зона в середине щели по подвижности, ширина которой составляет 0,01 эВ. Расщепление энергии электронов на уровне Ферми в никеле составляет от 0,5 эВ до 1,5 эВ. Поэтому при возрастании внешнего магнитного поля, разрешенные электронные состояния ферромагнетика подтягиваются к узкой зоне в полимере, от чего и возникает  скачкообразный переход в высокопроводящее состояние [10].

Глава 2.ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При исследовании было использовано одно из самых распространенных методов: метод вольтамперных характеристик. Этот метод позволяет рассмотреть изменение тока от  напряжения под влиянием какого-либо стороннего параметра. В данной работе таким параметром является внешнее магнитное поле, которое направлено параллельно плоскости структуры.

2.1. Объект исследования и получение образца

В качестве полимерного материала использовался сополимер полиариленэфиркетон с флуореновой группой (СО-ПАЭК) [29]. Формула этого сополимера ПДФ приведена на рисунке 11.

Рис.11: Структурная формула сополиариленэфиркетонов (со-ПАЭК)  Флуореновая боковая группа (q=0,8; p=0,2) [27]

Известно, что многие синтезированные со-ПАЭКимеют высокие молекулярные массы, достаточно хорошо растворимыво многихрастворителях, при формовании из раствора образуют прозрачные прочные пленки[21].

Эти полимеры владеют такими свойствами, как  высокая теплоемкость, термостойкость и хемостойкость, хорошо технологичнны при переработке из расплава, способны работать длительное время при высоких температурах и др. В данной работе, концентрация флуореновой группы составляет 80%, а концентрация фталидной группы – 20% (рис. 11). 

Эксперимент проводился на системе, которая состоит из никелевой ферромагнитной подложки. На эту никелевую  подложку нанесена полимерная пленка. Полимер наносился на очищенную поверхность никелевого электрода методом центрифугирования из пятипроцентного раствора полимера в циклогексаноне. Толщина полимерной пленки были взяты из заранее проделанного эксперимента в работе [28], которая составляет примерно 0,8 мкм. В качестве немагнитного электрода использовалась медная проволока, которая припаивалась к поверхности полимерной пленки при помощи индия. Эта структура закреплялась между двумя полюсами магнита. Структура  образца показана на рисунке12.

Рис.12: Структурная схема образца

2.3. Схема экспериментальной установки

На рисунке 12 представлена блок-схема эксперимента.

Рис.13: Схема установки эксперимента

Схема состоит из : 1 – вольтметр, 2 – источник питания, 3 – балластное сопротивление, 4 – обкладки магнита, 5 – измерительная ячейка, 6 – измеритель магнитной индукции, 7 – индикаторное сопротивление  (рис.13).

Рис. 14: Экспериментальная установка для исследования вольт – амперных характеристик  структурыNi/СО-ПАЭК / Cu

Провода были припаяны к столику и  подсоединены к измерительным приборам. Для автоматического измерения значений к компьютеру были подключены регулируемый источник постоянного напряженияGwInstekPSM– 6003, вольтметр Agilent 34401A. Внешнее магнитное поле управлялосьпри помощи програмируемого источника AgilentTechnologies N 5752A. Он в автоматическом режиме сканировал внешнее магнитное поле от 0 до 350мТл. Внешнее магнитное полеориентировалось паралельно плоскости структуры. Балластное сопротивление составляло 1,3 МОм, индикаторное сопротивление 2кОм, а элекрическое сопротивление в цепи 5 В. Балластное сопротивление был использован для ограничения тока через образец. Измеряемый сигнал подавался на регистрационный вольтметр 1с индикаторного сопротивления. Величину тока, протекающего через экспериментальную ячейку, измеряли как падение напряжения на индикаторном сопротивлении.

Рассмотрим основные характеристики программируемых приборов:

Вольтметр Agilent 34401A 61/2 Digit Multimeter

Этот прибор может измерять напряжение до 1000 вольт; разрешение 61/2 разрядов; погрешность измерения постоянного тока 0,0015% (24 часа),переменного тока 0,06%(1 год); полоса частот составляет от 3 Гц до 300 кГц. Вольтметр обладает всеми характеристиками, для того чтобы получить точные, быстрые и повторяющиеся измерения. Могут передавать сигнал на компьютер в автоматическом режиме.

Источник питания для приставки GwInstekPSM – 6003

Был использован нами также для передачи сигнала в компьютер в автоматическом режиме. Обладает такими характеристиками как самодиагностика, дискретная установка параметров, автокалибровка.

Источник питания для магнита Agilent Technologies N5752A, 600v/1,3A, 780w

Прибор используется для решения задач, с использованием сигналов постоянного тока. Источник питания с одним выходом и выходной мощностью 750 Вт обеспечивают достоверные выходные параметры. Они имеют встроенные средства измерения напряжения и тока. Этот программируемый источник питания использовался в нашем эксперименте для управления магнитным полем.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В данной главе представлены вольт-амперные характеристики, полученные на экспериментальных структурах металл - полимер-металл. Результаты обрабатывались в автоматическом режиме на компьютере спомощью программыLabView.

3.1.Вольт-амперные характеристики структуры металл-полимер - металл

Измерения вольт - амперных характеристик проводились при различных значениях внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле изменялось  от 0 мТл до 350 мТл. Получение каждой кривой вольт - амперной характеристики происходит при неизменном значении магнитного поля. Измеренияпроводились  при комнатной температуре и атмосферного воздуха.

Например, на рисунке 15 можно наблюдать одну из типичных вольтамперных характеристик при напряжении от 0 до 18 В и обратно. Стрелки указывают на направления изменения напряжения.

Рис.15: Вольт-амперные характеристики структуры (ВАХ) Ni - со-ПАЭК - Cu при значении магнитного поля 50 мТл

В этой работе исследованы вольтамперные характеристики структуры Ni-со-ПАЭК-Cuпри разных значениях внешнего магнитного поля. Обнаружено изменение формы  ВАХ в зависимости от значения внешнего магнитного поля.

Рис.16: Вольт-амперные характеристики структуры Ni - со-ПАЭК - Cu

Из рисунка 16 видно, что при  маленьких электрических напряжениях, до 5 В, с увеличением магнитного поля увеличивается электрический ток.

Рис.17:Вольт-амперные характеристики структуры Ni - со-ПАЭК - Cu

На рисунке 17 приведены типичные вольтамперные характеристики при различных значениях внешнего магнитного поля. Графики имеют нелинейный характер. Приложение внешнего магнитного поля приводит к уменьшению протекающего тока. В то же время на графиках видно, что  при приложении малых напряжений, в этом случае 0 и 50 мТл, наблюдается резкое скачкообразное изменение в области высоких напряжений. А при приложении магнитного поля порядка 250-350 мТл такое изменение не наблюдается.

3.2.Анализ вольт-амперных характеристик в рамках модели инжекционных токов

Известно, что в диэлектрических (в том числе и в органических диэлектриках) материалах, ввиду малости концентраций собственных носителей заряда, протекающие токи обусловлены инжекцией носителей заряда из электродов. Описание протекания таких токов проводится в рамках токов ограниченных объемным зарядом (ТООЗ) [31]. Анализ в рамках ТООЗ позволяет получить сведения о таких важных характеристиках материалов, как: механизмы инжекции носителей заряда и их подвижности, концентрации собственных носителей, энергии ионизации и др.

Измеренные ВАХ структуры Ni – со-ПАЭК - Cuпри различных величинах внешнего магнитного поля были проанализированы в рамках ТООЗ (токи ограниченные объемным зарядом).Из теории ТООЗ известно, что при перестроении вольт – амперной характеристики в двойных логарифмических координатах, зависимости должны аппроксимироваться прямыми с характерными углами наклона. При малых напряжениях внешнего электрического поля угол наклона прямой обычно составляет величину, близкую к единице (здесь ток обусловлен собственными, термически генерируемыми носителями тока). При больших приложенных напряжениях, участок с единичным наклоном переходит в сверхлинейный. Этот случай возникает, когда количество инжектированных носителей заряда начинает преобладать над собственными носителями заряда.

На рис.18 приведены ВАХ в двойных логарифмических координатах измеренные без приложения внешнего магнитного поля. На зависимости можно выделить два линейных участка с различными углами наклона. Первый участок наблюдается в интервале напряжений от 0 до 15 В. Второй – от 15 В до 18 В. Напряжение перехода от линейного к сверхлинейному участку равняется Un= 15,806 В.

Рис. 18: Вольт - амперная характеристика структуры Ni – со-ПАЭК - Cu  при отсутствии магнитного поля

На рис.19 приведены ВАХ в двойных логарифмических координатах измеренные при величине  внешнего магнитного поля 50 мТл. На графике первый линейный  участок наблюдается в интервале напряжений от 1,7 В до 7 В. Второй – от 8 В до 18 В. Напряжение перехода от линейного к сверхлинейному участку равняется Un= 7,657В.