СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ИНДОЛОКАРБАЗОЛОВ
|
РЕФЕРАТ 3
ABSTRACT 4
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Литературный обзор 10
1.1 Термовакуумный метод нанесения тонких пленок 10
1.2 Конструкция установки термовакуумного напыления 11
1.3 Физические процессы образования пленки 14
1.3.1 Испарение 14
1.3.2 Перенос атомов вещества 15
1.3.3 Конденсация 21
1.3.4 Технические характеристики 23
1.4 Индоло[3,2-Ь]карбазолы 25
1.5 Определение подвижности зарядов органического соединения по
вольтамперной характеристике структуры металл-полупроводник 27
1.6 Выводы по главе 30
2 Материалы и аппаратное обеспечение 32
2.1 Материалы для исследований 32
2.2 Комплекс устройств National Instruments 33
2.3 Микрозондовая станция Cascade Microtech MPS 150 34
2.4 Конфокальный микроскоп Axio CSM 700 36
2.5 Спектрофотометр Shimadzu UV-2450 37
2.6 Установка для нанесения покрытий Quorum Q150T ES 38
2.7 Выводы по главе 39
3 Разработка установки термовакуумного напыления 40
3.1 Установка 40
3.1.1 Устройство установки 40
3.1.2 Виртуальный прибор «ТйегшоУас&Со» 43
3.2 Технические характеристики установки 45
3.3 Методика напыления на установке 46
3.3 Выводы по главе 54
4 Исследования и результаты 55
4.1 Образцы для исследований 55
4.2 Морфологические характеристики 59
4.3 Особенности синтеза 61
4.4 Результаты оптических измерений 62
4.5 Результаты измерения электрических характеристик 64
4.6 Выводы по главе 67
5 Безопасность жизнедеятельности 68
5.1 Электробезопасность 68
5.2 Защита от электромагнитного излучения 70
5.3 Выводы 70
6 Природопользование и защита окружающей среды 71
6.1 Производство электронной техники 72
6.2 Утилизация электронной техники 73
6.3 Выводы по главе 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 77
ABSTRACT 4
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Литературный обзор 10
1.1 Термовакуумный метод нанесения тонких пленок 10
1.2 Конструкция установки термовакуумного напыления 11
1.3 Физические процессы образования пленки 14
1.3.1 Испарение 14
1.3.2 Перенос атомов вещества 15
1.3.3 Конденсация 21
1.3.4 Технические характеристики 23
1.4 Индоло[3,2-Ь]карбазолы 25
1.5 Определение подвижности зарядов органического соединения по
вольтамперной характеристике структуры металл-полупроводник 27
1.6 Выводы по главе 30
2 Материалы и аппаратное обеспечение 32
2.1 Материалы для исследований 32
2.2 Комплекс устройств National Instruments 33
2.3 Микрозондовая станция Cascade Microtech MPS 150 34
2.4 Конфокальный микроскоп Axio CSM 700 36
2.5 Спектрофотометр Shimadzu UV-2450 37
2.6 Установка для нанесения покрытий Quorum Q150T ES 38
2.7 Выводы по главе 39
3 Разработка установки термовакуумного напыления 40
3.1 Установка 40
3.1.1 Устройство установки 40
3.1.2 Виртуальный прибор «ТйегшоУас&Со» 43
3.2 Технические характеристики установки 45
3.3 Методика напыления на установке 46
3.3 Выводы по главе 54
4 Исследования и результаты 55
4.1 Образцы для исследований 55
4.2 Морфологические характеристики 59
4.3 Особенности синтеза 61
4.4 Результаты оптических измерений 62
4.5 Результаты измерения электрических характеристик 64
4.6 Выводы по главе 67
5 Безопасность жизнедеятельности 68
5.1 Электробезопасность 68
5.2 Защита от электромагнитного излучения 70
5.3 Выводы 70
6 Природопользование и защита окружающей среды 71
6.1 Производство электронной техники 72
6.2 Утилизация электронной техники 73
6.3 Выводы по главе 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 77
За последние два десятилетия в области полупроводниковой электроники произошли глобальные изменения, в связи с научно-техническим прогрессом. Развитие технологии и производства позволили создавать в промышленном масштабе различные электронные компоненты, такие как: транзисторы, диоды, солнечные элементы [1]. В связи с этим возникли новые направления для исследований, связанные с поиском материалов, обладающих хорошими полупроводниковыми свойствами и позволяющих удешевить технологию создания элементов на их базе. Одним из таких направлений является органическая электроника [2].
Исследование свойств тонких пленок органических полупроводниковых соединений представляет значительный интерес для практического применения в гибкой электронике [3,4]. Среди таких соединений можно выделить соединения на основе индоло [3,2-Ь] карбазола [5,6,7], обладающие перспективными характеристиками, для применения их в органической электронике [8].
Возникает необходимость не только синтезировать такие вещества, но и проектировать экспериментальные установки для нанесения тонких покрытий на основе органических материалов. Одним из распространенных способов получения тонких пленок является метод термовакуумного напыления, одним из преимуществ которого является простая реализация [9].
Целью работы является создание устройства термовакуумного напыления и разработки методики нанесения покрытий, а также исследование физико-электрических свойств соединений на основе индоло[3,2-Ь]карбазола.
Методом термовакуумного напыления созданы тонкопленочные образцы на основе соединений индоло[3,2-Ь]карбазола нанесенные на кварцевую подложку для исследования оптических свойств.
Весь процесс термовакуумного напыления можно разбить на три стадии: испарение атомов вещества, перенос их к подложке и конденсация, каждый из которых обладает особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании установки.
Синтезированные пленки проходят аттестацию, где определяется качество покрытия и морфология пленки. Оптические свойства тонкопленочных образцов на основе индоло [3,2-Ь] карбазола определены методами абсорбционной оптической спектроскопии. Показано влияние встраиваемых блоков в исследуемых соединениях индоло [3,2-Ь] карбазола на их оптические свойства.
Отдельным важнейшим критерием в поиске материалов для органической электроники будут являться электрические свойства. Важной характеристикой электропроводящих свойств является подвижность носителей заряда ц. Величина ц в полупроводниковых полимерах обычно определяется его химическим строением [10]. Получение достоверных данных о значении подвижности носителей заряда путем варьирования условий синтеза тонких пленок из органических материалов, также являются предметом исследований. При этом, достаточно полной и систематизированной информации на эту тему в литературе не обнаружено. Подвижность в данной работе определяются с помощью вольтамперных характеристик.
Исследование свойств тонких пленок органических полупроводниковых соединений представляет значительный интерес для практического применения в гибкой электронике [3,4]. Среди таких соединений можно выделить соединения на основе индоло [3,2-Ь] карбазола [5,6,7], обладающие перспективными характеристиками, для применения их в органической электронике [8].
Возникает необходимость не только синтезировать такие вещества, но и проектировать экспериментальные установки для нанесения тонких покрытий на основе органических материалов. Одним из распространенных способов получения тонких пленок является метод термовакуумного напыления, одним из преимуществ которого является простая реализация [9].
Целью работы является создание устройства термовакуумного напыления и разработки методики нанесения покрытий, а также исследование физико-электрических свойств соединений на основе индоло[3,2-Ь]карбазола.
Методом термовакуумного напыления созданы тонкопленочные образцы на основе соединений индоло[3,2-Ь]карбазола нанесенные на кварцевую подложку для исследования оптических свойств.
Весь процесс термовакуумного напыления можно разбить на три стадии: испарение атомов вещества, перенос их к подложке и конденсация, каждый из которых обладает особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании установки.
Синтезированные пленки проходят аттестацию, где определяется качество покрытия и морфология пленки. Оптические свойства тонкопленочных образцов на основе индоло [3,2-Ь] карбазола определены методами абсорбционной оптической спектроскопии. Показано влияние встраиваемых блоков в исследуемых соединениях индоло [3,2-Ь] карбазола на их оптические свойства.
Отдельным важнейшим критерием в поиске материалов для органической электроники будут являться электрические свойства. Важной характеристикой электропроводящих свойств является подвижность носителей заряда ц. Величина ц в полупроводниковых полимерах обычно определяется его химическим строением [10]. Получение достоверных данных о значении подвижности носителей заряда путем варьирования условий синтеза тонких пленок из органических материалов, также являются предметом исследований. При этом, достаточно полной и систематизированной информации на эту тему в литературе не обнаружено. Подвижность в данной работе определяются с помощью вольтамперных характеристик.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы, можно выделить следующие результаты:
- рассмотрен метод термовакуумного напыления тонких пленок, а также аспекты синтеза и их исследования;
- описано оборудование, используемое в работе для автоматизации синтеза, аттестации и анализа слоистых структур;
- разработана вакуумная установка для нанесения тонкопленочных покрытий, основанная на контрольно-измерительном оборудовании N1 с виртуальным прибором «ТйегшоУАС&Со», резистивном нагреве и датчика контроля давления ПМТ-4М. Реализованная установка позволяет наносить разнообразные органические вещества, не подверженные термической деградации, температура возгонки которых не превышает 500°С;
- выполнен синтез тонких пленок соединений ВМ1С2, ВН1С2, В0Е1С2, В2ОЕ1С2 методами термовакуумного нанесения;
- выполнен синтез на кварцевую подложку соединений для исследования оптических свойств;
- с помощью установки магнетронного напыления на стеклянной подложке созданы слоистые структуры 1Т0/1С2/А1 для исследования электрических свойств;
- показано, что общие пики в спектрах оптического поглощения соотносятся между собой и образуют прямые переходы в молекуле индоло[3,2-Ь]карбазола;
- спектры оптического поглощения для 1)М!С/ согласуются с данными из литературы; Рассчитан диапазон изменения потенциала ионизации молекулы исследуемого соединения, равный 6,8 - 7,1 эВ;
- показано, что ВАХ структуры 1Т0/ВМ1С2/А1 демонстрирует одностороннюю проводимость, что свидетельствует об образовании барьера Шоттки;
- путем анализа прямой ветви ВАХ структуры ITO/DMICZ/Al получено значение подвижности носителей заряда в слое полупроводника ц =1,75-10’7- 1,39-10’6 см2/(В-с), что удовлетворительно согласуется с независимыми оценками подвижности для индоло[3,2-Ь]карбазола ц DMICZ= 5.9-10’7 см2/(В-с). Также получена оценка проводимости и для остальных структур; Также проведена оценка подвижностей и для остальных соединений DHICZ, DOEICZ, D2OEICZ и PDHICZ= 1,78 -10-7-1,43 • 10-6 см2/(В-с), р DOEICZ= 2,2 • 10¬9-1.78 • 10-8 см2/(В^с), ц D2OEICZ= 3,17 • 10-8-2,54 • 10-7 см2/(В^с) соответственно;
- получена закономерность: чем ниже интенсивность полосы на 430 нм, тем выше подвижность носителей заряда в ICZ.
Таким образом, можно утверждать, что создание тонкопленочных структур является основой для технического прогресса и перспективным направлением для проведения новых исследований в области органической электроники. В современном мире данные технологии преследуют: повышение функциональности, экономическую эффективность, надежность и миниатюризацию электронных компонентов. А поиск новых материалов, будет оставаться всегда актуальным вопросом научно-технического прогресса. Данная выпускная работа, посвящённая термовакуумному методу синтеза и исследованиям тонкопленочных структур на основе органических соединений, представляет собой новое направление развития органической электроники на базе УрФУ в НОЦ НАНОТЕХ.
- рассмотрен метод термовакуумного напыления тонких пленок, а также аспекты синтеза и их исследования;
- описано оборудование, используемое в работе для автоматизации синтеза, аттестации и анализа слоистых структур;
- разработана вакуумная установка для нанесения тонкопленочных покрытий, основанная на контрольно-измерительном оборудовании N1 с виртуальным прибором «ТйегшоУАС&Со», резистивном нагреве и датчика контроля давления ПМТ-4М. Реализованная установка позволяет наносить разнообразные органические вещества, не подверженные термической деградации, температура возгонки которых не превышает 500°С;
- выполнен синтез тонких пленок соединений ВМ1С2, ВН1С2, В0Е1С2, В2ОЕ1С2 методами термовакуумного нанесения;
- выполнен синтез на кварцевую подложку соединений для исследования оптических свойств;
- с помощью установки магнетронного напыления на стеклянной подложке созданы слоистые структуры 1Т0/1С2/А1 для исследования электрических свойств;
- показано, что общие пики в спектрах оптического поглощения соотносятся между собой и образуют прямые переходы в молекуле индоло[3,2-Ь]карбазола;
- спектры оптического поглощения для 1)М!С/ согласуются с данными из литературы; Рассчитан диапазон изменения потенциала ионизации молекулы исследуемого соединения, равный 6,8 - 7,1 эВ;
- показано, что ВАХ структуры 1Т0/ВМ1С2/А1 демонстрирует одностороннюю проводимость, что свидетельствует об образовании барьера Шоттки;
- путем анализа прямой ветви ВАХ структуры ITO/DMICZ/Al получено значение подвижности носителей заряда в слое полупроводника ц =1,75-10’7- 1,39-10’6 см2/(В-с), что удовлетворительно согласуется с независимыми оценками подвижности для индоло[3,2-Ь]карбазола ц DMICZ= 5.9-10’7 см2/(В-с). Также получена оценка проводимости и для остальных структур; Также проведена оценка подвижностей и для остальных соединений DHICZ, DOEICZ, D2OEICZ и PDHICZ= 1,78 -10-7-1,43 • 10-6 см2/(В-с), р DOEICZ= 2,2 • 10¬9-1.78 • 10-8 см2/(В^с), ц D2OEICZ= 3,17 • 10-8-2,54 • 10-7 см2/(В^с) соответственно;
- получена закономерность: чем ниже интенсивность полосы на 430 нм, тем выше подвижность носителей заряда в ICZ.
Таким образом, можно утверждать, что создание тонкопленочных структур является основой для технического прогресса и перспективным направлением для проведения новых исследований в области органической электроники. В современном мире данные технологии преследуют: повышение функциональности, экономическую эффективность, надежность и миниатюризацию электронных компонентов. А поиск новых материалов, будет оставаться всегда актуальным вопросом научно-технического прогресса. Данная выпускная работа, посвящённая термовакуумному методу синтеза и исследованиям тонкопленочных структур на основе органических соединений, представляет собой новое направление развития органической электроники на базе УрФУ в НОЦ НАНОТЕХ.