CC BY
42
УДК 538.93
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА С ПОМОЩЬЮ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ МЕТОДИКИ
А. Г. Витухновский, А. С. Шульга, С. А. Амброзевич1
В работе предлагается новая схема экспериментальной установки для измерения подвижности носителей заряда в тонких пленках органических полупроводниковых веществ. Проведен анализ основных факторов, определяющих время экспоненциальной релаксации измерительной системы, на основании которого сделаны выводы о требуемых рабочих параметрах измерительного оборудования для максимального уменьшения времени релаксации. В соответствии с этим была разработана новая установка. Экспериментально показано качественное улучшение кинетических кривых тока для контрольного образца при использовании новой установки, позволяющее определять времена пролета и подвижность носителей заряда с высокой степенью достоверности.
Ключевые слова: токоперенос, органические полупроводники, подвижность носителей.
Подвижность носителей заряда в органических полупроводниках является одним из ключевых параметров, который определяет возможность использования этого вещества для изготовления органических светоизлучающих диодов и транзисторов. Определение подвижности проводят с помощью нескольких методик. Использование эффекта Холла [1,2] для исследования органических веществ затруднено из-за незначительности эффекта. Поэтому для определения подвижности в таких материалах используют времяпролетную методику.
Методика проведения эксперимента. Для проведения эксперимента изготавливают образец, состоящий из пленки исследуемого органического вещества и нанесенных с двух сторон полупрозрачных электродов. К электродам прикладывают напряжение и один из них облучают коротким (менее 10 не) импульсом лазера. Длину волны лазерного излучения подбирают такой, чтобы длина поглощения света была много меньше толщины пленки, т.е. чтобы поглощение происходило в области вблизи контакта. В результате поглощения света в исследуемом веществе возникают электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля после облучения через образец проходит ток. По положению точки перегиба временной зависимости тока в двойных логарифмических координатах определяют время пролета. Оно соответствует прохождению центра пакета исследуемых носителей через второй электрод. Подвижность носителей заряда определяют как
<Р
UtJ
(1)
где ttr - время пролета, U - напряжение смещения образца, d - толщина образца.
К основным трудностям описываемой методики можно отнести сложность измерения малых величин фототока, связанных с малой концентрацией носителей в органических полупроводниках, а также необходимость учитывать релаксации тока, связанные с емкостью измерительной части и входным сопротивлением амперметра.
Измерительная установка. Экспериментальная установка была создана на основе системы, описанной в работе [3]. Описанная в [3] схема обладала несколькими недостатками - в ней использован только один источник оптического возбуждения с длиной волны 337 нм (азотный лазер). Это позволяет проводить измерения только для весьма ограниченного класса веществ, длина поглощения света которыми не превышает 100 нм. Отсутствие специальных средств усиления тока и использование только осциллографа позволяют достоверно регистрировать токи, начиная с 10 нА, что не давало возможности измерять подвижность носителей заряда ниже границы порядка 10~ см2В_1с_1 (см. ниже соотношения между сопротивлением и подвижностью).
При создании новой установки авторы исходили из условия минимальности времени экспоненциальной релаксации тока Irc, обусловленной аппаратной частью, которое является критическим параметром системы и определяет верхнюю границу измеряемой подвижности. Для построения новой системы были проанализированы факторы, определяющие Irc-, и была получена зависимость tue от характеристик измерительного оборудования.
Рис. 1. (а) Схема установки для проведения времяпролетного эксперимента. Обозначения: 1 - YAG лазер Lotis Til LS-2134UTF, 2 - образец, 3 - вакуумный термостат, 4 нагреватель, 5 - термометр сопротивления, 6 - генератор Г'5-56 (задержка), 7 - система термостатирования, 8 - вольтметр В7-46, 9 - блок питания PPS-2017, 10 - компьютер Í386, 11 - блок питания PPS-2019, 12 - компьютер Pentium, 13 - усилитель тока SRS 570. 14 - осциллограф GDS-840, GPIB и RS-232C - интерфейсы, (б) Схема установки для измерения вольт-амперных характеристик для определения максимальных рабочих напряжений образцов. Обозначения: 1 - компьютер Pentium, 2 - амперметр Keithley 6485, 3 - блок питания PPS-2019, 4 - вольтметр HP 34401 А, 5 - образец, 6 - фильтр.
Временная зависимость тока содержит переходный процесс перезарядки емкости С образца через сопротивление амперметра Яд. Времяпролетная методика предполагае . что время релаксации írc = RaC меньше, чем время пролета ttr. При измерении тока
30 25 -20 i 15-f2 10 -5 -0 -
100 1
О 50 100 150 200 Время, мс
10
<
ж
si ß
1
—1-1-1-1-1-1-1
-20 -10 0 10 20 30 40 50 Время, мс
0.1
I I iiiii^ I I пня)—I тищ—I I rrimj—I 11 щи]
-3 , л-2
10 J 10"
0.1
1
10 100
Время, мс
10 1
<
X £
0.1
I Г I Ч1ГЦ-1 » I 11ЧЦ-
0.1 1 10
I НИЦ I I t НИЦ
100 1000
Время, мс
Рис. 2. Времяпролетные кривые тока, полученные в работе [3] для пленки чистого поливи-нилкарбазола при исследовании дырочной подвижности (сверху), и результаты, полученные на аналогичном образце при использовании описанной в настоящей работе установки в режиме задержанного запуска усилителя (внизу). Слева показаны кинетические кривьи тока в линейном масштабе, справа - в двойном логарифмическом. На нижних рисунках четко наблюдается пик тока, связанный с приходом дырок к отрицательному электроду. Начальный участок роста тока на нижнем правом рисунке связан с переходными процессами в усилителе.
осциллографом время релаксации равно
tRC
Utain €£qS
(2)
Здесь Sud- площадь контактов и толщина образца, Ra = ^тш, t/min ~ разрешае-
-*min
мое осциллографом напряжение, /т]п - разрешаемый ток. Ток через образец в момент
облучения лазером равен
- кг 4 (3)
где и - напряжение на образце, р - удельное сопротивление образца. В случае, когда измеряемый ток /5 равен пределу чувствительности осциллографа /щш,
, ^Лшп / Л \
tRc = -ц-ее0р. (4)
Величину р можно определить, заменив ток /5 его средней величиной за время пролета:
Чг
Количество сгенерированных лазерным импульсом носителей заряда равно
здесь а(А) - коэффициент, определяющий потери лазерной мощности при отражении и поглощении света в освещаемом электроде, г)(Л) - количество образовавшихся электронно-дырочных пар на поглощенный фотон, IV - энергия лазерного импульса, к и - энергия фотона. Учитывая (1), получаем
/, = .«( хыт^.
Используя (3), находим выражение для р:
& • Ьу
Р =
ea(X)rj(X)Wfi
Подставляя в (4), получаем
. ¿Лшп d • hv
irc = —rr-et0-
U ea(X)rj(X)W fi'
Таким образом, время экспоненциальной релаксации определяется толщиной образца d, чувствительностью измеряющего ток осциллографа Umin, характеристиками лазерного излучения 77(Л) и Ж, а также потерями мощности с*(А). Для уменьшения Irc необходимо увеличивать энергию лазера, эффективность генерации носителей, и повышать чувствительность осциллографа.
Схема новой измерительной установки, созданной с учетом этих требований, приведена на рис. 1(а). Для оптического возбуждения использован импульсный YAG лазер
Lotis TU LS-2134UTF, работающий в режиме генерации излучения с длиной волны 266 нм и длительностью импульса 7 не. Использование такой длины волны позволяет существенно расширить класс исследуемых органических веществ в связи с малыми длинами оптического поглощения такого света веществами, а также высокой квантовой эффективностью генерации носителей. Используемый лазер позволяет плавно регулировать энергию импульсов излучения до 25 мДж; при этом верхний предел энергии для проведения эксперимента определяется не максимальной лазерной мощностью, как происходит в случае использования азотного лазера (35 мкДж в работе [3]), а задается пределом устойчивости образца к лазерному излучению. Для увеличения рабочих мощностей лазера и соответствующего количества сгенерированных носителей, а также для предотвращения локального перегрева и разрушения образца в процессе измерения образец помещают в специально изготовленный эвакуируемый термостат, позволяющий также задавать температуру от 77 до 373 К.
Использование длины волны 266 нм является оптимальным в случае оптической генерации носителей. При более коротковолновом возбуждении возникнет необходимость помещать в вакуум всю оптическую схему и существенно усложнить измерительную установку. В работе [4] сообщается о возбуждении носителей в образце электронной пушкой. Однако для этого также требуется весьма дорогостоящее оборудование. Использование электронного микроскопа с модуляцией тока луча также может быть затруднено вследствие больших времен отклика луча по сравнению с временем лазерной генерации, а также из-за возможного загрязнения рабочих объемов микроскопа органическими веществами, имеющими высокое давление насыщенных паров.
Для измерения тока был выбран осциллограф GW-Instek GDS-840 и усилитель SRS 570. При измерении тока с помощью осциллографа на образце с емкостью С = 0.5 нФ при напряжении смещения U = 10 В и входном сопротивлении осциллографа Ra = 1 МОм время экспоненциальной релаксации составляет tnc = RaC = 5 • 10~4 с. При этом минимальное регистрируемое напряжение осциллографа составляет Umin = Ю~*3 В; минимальный регистрируемый ток Imm = Ю-9 А. В случае использования усилителя на пределе чувствительности G = 10~8 А/В его полоса пропускания составляет 2 кГц, что также соответствует времени отклика ¿ampi = 5 • 10~4 с, но при этом минимальный регистрируемый ток системы усилитель-осциллограф равен /т;п = Um\nG = 10" 11 А. Входное сопротивление усилителя составляет Rmp = 104 Ом, и соответствующее время RC-релаксации в цепи образец-усилитель равно ¿дс = R\npC = 10-5с, что заведомо меньше времени отклика ¿ашр1 усилителя. Это позволяет измерять времена пролета
при рабочих токах менее 1 нА, а также уменьшать плотность мощности возбуждающего излучения, предотвращая преждевременное разрушение образца и его локальный нагрев.
При создании установки возникли проблемы, связанные с измерением малых токов при высоком уровне импульсных помех от YAG лазера. Использование полной гальванической развязки лазера от измерительной системы, введение экранов, двух различных контуров заземления и двух независимых электрических сетей для питания лазера и измерительной части тем не менее позволило полностью подавить влияние помех на регистрируемый сигнал. Из двух лучших промышленных усилителей - Kelthley 428 и SRS 570, имеющих практически одинаковые характеристики, был выбран последний, поскольку возможность питания от вн> тренних аккумуляторов, предусмотренная в SRS 570, позволяет полностью подавить влияние помех со стороны электрической сети.
Проблема, связанная с насыщением усилителя и появлением искажений сигнала при измерении большого по амплитуде участка экспоненциальной релаксации тока, была решена задержкой запуска усилителя и измерением лишь информативного участка кривой тока (рис. 2). Это позволяет достоверно определить время пролета пакета носителей, и при этом нет необходимости в дальнейшем увеличении чувствительности системы. Однако использование такого режима не дает возможности найти полный оптически сгенерированный заряд, оценить эффективность генерации носителей и обнаружить их захват на ловушках в случае, когда искусственное внедрение ловушек не изменяет время пролета [3].
Все измерительное оборудование подключено к компьютеру с помощью интерфейсов RS-232С и GPIB; это позволяет управлять экспериментом в полуавтоматическом режиме и сохранять результаты измерений.
В установке предусмотрена возможность проведения измерений вольт-амперных характеристик темновых токов, начиная от 10~14 А, для определения границы диапазона рабочих напряжений образцов с помощью пикоамперметра Keithley 6485 (см. рис. 1(6)). Эта часть системы полностью автоматизирована и не требует присутствия оператора.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Б. М. Яворский, А. А. Детлаф, Справочник по физике (М., Наука, 1968).
[2] N. W. Askroft, N. D. Mermin, Solid state physics (Harcourt, 1976).
[3] S. Ambrozevich et al., Journal of Russian Laser Research 29(6), 526 (2008).
[4] A. P. Tytnev et al., Journal of Physics: Condensed Matter 18, 6365 (2006).
Поступила в редакцию 30 июня 2009 г.
