Проводимость.

При анализе экспериментальных данных по проводимости фуллеренов можно выделить следующие основные особенности: наблюдается полупроводниковая проводимость n-типа; значения активационных энергий Е а температурной зависимости проводимости сигма = сигма exp (- E а/kT) существенно ниже значений половины запрещенной зоны и достигают их лишь при высоких температурах; при взаимодействии фуллеритовых пленок с кислородом проводимость падает на несколько порядков; проводимость существенно зависит от структуры пленок и у кристаллического материала выше, чем у аморфного.

Вследствие высоких значений сопротивления фуллерита в большинстве своем присутствуют измерения для температур от комнатной и выше (см. рис. 9). Для поликристаллических пленок значения активационной энергии и темновой проводимости при комнатной температуре составляют соответственно 0.3— 0.6 эВ и 10^-6 - 10^-8 (Ом.см)^-1. Для аморфных пленок эти значения лежат в интервале 0.5 - 1.1 эВ и 10^-7 - 10^-14⁴ (Ом.см)^-1.

Рисунок 9. Температурная зависимость проводимости пленок С60. Стрелки показываю изменения направления температуры со скоростью 0.2 град/мин.

Сведения о транспортных параметрах фуллеренов довольно скудны. Из измерений фототока получены дрейфовые подвижности электронов 1.3*10^4 см²/(В*с) и дырок 2*10^-4 см²/(В*с), а также время рекомбинации 1.7*10^-6 с. Транспорные механизмы в пленках C60 изучались также с помощью эффекта поля. Из результатов видно, что С60 — полупроводник n-типа. В характеристиках полевых транзисторов наблюдается сильное расширение n-канала при пороговом значении напряжения 2 эВ. При комнатной температуре полевая подвижность и концентрация носителей заряда определены как 4.8*10^-5 см²/(В*с) и 5.6*10^14 см-³ соответственно. Наибольшее значение подвижности зарядов на границе раздела фуллерен—диэлектрик 2 *10^-3 см²/(В • с), причем значения сильно меняются от образца к образцу. Комплексная проводимость пленок С60 и С70 измерялась в. диапазоне частот 10—10^6 Гц при температурах 10—750 К. Высокочастотная диэлектрическая проницаемость eопределена как 2.6 для С60 и 4.6 для С70. В случае С70наблюдалось туннелирование поляронов малого радиуса.

Проводимость и структура пленок. Существует сильная корреляция между кристаллической структурой пленок С60 и их оптическими и электрическими свойствами. Но найти этому объясне­ние не так просто. Поскольку молекулы связаны ван-дер-ваальсвыми связями, сама по себе дефектная кристаллическая структура не приводит к появлению оборванных связей. Требуется наруше­ние целостности самой молекулы. Однако известно, что с увеличе­нием кристалличности пленок увеличивается их проводимость, причем активационная энергия падает. Неоднократно отмеча­лось, что чем выше температура подложки, на которую осажда­лись фуллеритовые пленки (что способствует их структурному совершенству), тем выше проводимость. Отжиг в динамическом вакууме сильно влияет на проводи­мость пленок C60, имеющих беспорядочную доменную структуру. У таких пленок проводимость при комнатной температуре со­ставляет 6 • 10^-10(Ом • см)^-1. В температурной зависимости про­водимости при температурах выше 423 К наблюдается активационное поведение, причем энергия активации растет с увеличением толщины пленки (0.8 и 1.0 эВ для разных толщин), но находится в строгом соответствии с величиной запрещенной зоны, полученной из спектров поглощения (1.63 и 2.08 эВ). При более низких температурах доминирует неактивационное поведение, причем его доля уменьшается вследствие отжига. Рентгенофазовый ана­лиз показал, что при комнатной температуре ГЦК -фаза в плен­ках соседствует с гексагональной плотной упаковкой (ГПУ). При измерениях временной зависимости проводимости пленок при постоянной повышенной температуре обнаружены снижение со­держания ГПУ-фазы и увеличение проводимости. Отжиг пленок при высоких температурах приводит к их упорядочению, умень­шению дефектных состояний в зоне и увеличению энергии акти­вации.

Проводимость монокристалла на переменном токе пропорцио­нальна температуре и частоте при температурах измерения ниже 150 К, что характерно для прыжков в локализованных состояния вблизи уровня Ферми. Выше 200 К наблюдаются быстрое возрастание проводимости и переход к термически активированному типу с энергиями активации 0.389 и 0.104 эВ выше и ниже некоторой температурной точки, что объясняется сосуществованием кристаллической и аморфной фаз. Частотная зависимость проводимости подчиняется степенному закону w^s (s = 0.8). Сходные результаты были получены на пленках С60 и С70: при высокой температуре проводить не зависела от частоты, в то время как степенной закон наблюдался при низких температурах. Можно сделать вывод, что при повышении температуры преобладающий механизм меняется от прыжковой проводимости к термической активации. Таким образом, при высоких температурах как в пленках, так в монокристаллах фуллерита 2 E a = 1.85 эВ с не зависящим от частоты значением энергии активации. При низких температурах проводимость частотно-зависимая и слабо зависящая от температуры, что объясняется влиянием примесей. При температуре 425 К наблюдается уменьшение проводимости монокристалла С60, что объясняется перераспределением молекул, приводящим к локализации электронных состояний.

Модели проводимости. Выдвигалось несколько моделей для объяснения проводимости фуллеренов. Простейшая модель рас­пространяет проводимость графита в направлении оси с на фулле­ритовые кристаллы, причем проводимость оценивается как 1/60 проводимости графита в направлении оси с, умноженная на отно­шение плотностей фуллерена и графита (p c60 / p г = 0.74). Имеющиеся экспериментальные результаты позволя­ют предположить, что проводимость фуллеренов можно описать схемой проводимости разупорядоченных полупроводников. Доми­нирующий механизм определяется температурой: при низких тем­пературах прыжковая проводимость с переменной длиной прыж­ка, переходящая в прыжки по ближайшим соседям. С повышением температуры преобладают активированные прыжки в хвостах зон, и лишь при очень высоких температурах, приближающихся к тем­пературам сублимации, можно наблюдать проводимость по делокализованным состояниям. Большой разброс экспериментальных значений энергии активации приводит к выводу, что в фуллереновых материалах должно соблюдаться правило Майера — Нелдела. Оно состоит в следующем. Если материал имеет полупроводниковый тип проводимости а = а₀ ехр(- Е а/kT), а в разупорядоченных материалах активационная энергия и пре­тор проводимости связаны следующим соотношением:

s0=s00exp(- E а/kT0), s - проводимость.

Где s0 и T0 - параметры Майера — Нелдела.

Данное соотношение выполняется, к примеру, для химически близких полупроводников или для различных образцов полупроводника, приготовленных несколькими способами, т. е. с различной концентрацией примесей, при разных температурах подложки, различном давлении кислорода при отжиге и т. д. Соотношение справедливо для аморфных и поликристаллических полупроводников, материалов с электронной, ионной и полярной проводимостью. Это универсальное правило требует выполнения только одного условия: неоднородности с любой точки зрения. Транспорт в неоднородных системах можно описать как многократный захват носителей заряда на локализованные состояния с последующим термическим высвобождением. В таком случае подвижность носителей заряда не является постоянной величиной, а приобретает дисперсию: м (T) = м 00 (wt), м 00 — микроскопическая подвижность, нормированная на плотность состояний. Предэкспоненциальный множитель проводимости содержит, таким образом, время высвобождения из самой глубокой ловушки, которое обратно пропорцио­нально числу ловушек в данном энергетическом интервале. Измеря­емая в эксперименте энергия активации является глубиной самой глубокой ловушки, в которую попадает носитель на расстоянии, рав­ном длине свободного пробега. Правило Майера- Нелдела выполня­ется, если предположить, что ловушки распределены по глубине экспоненциально. Экспериментальные подтверждения этому пред­положению следуют из измерения поверхностной фотоэдс, неста­ционарной фотопроводимости (рис. 10).

 

Рисунок 10. Зависимость префактора проводимости от энергии активации.

 

Влияние кислорода на проводимость. Известно, что фуллериты очень чувствительны к атмосферному кислороду и при контакте с воздухом их электрические и оптические параметры меняются со временем. Молекулярный кислород проникает в решетку фуллерита, заполняя октаэдрические пустоты, и при высоком давлении все пустоты могут быть заполнены молекулярным кислородом без диссоциации С60 к кислороду, что играет существенную роль в изменении физических свойств фуллерита. Воздействие кислорода при атмосферном давлении и в присутствие освещения, по-видимому, не приводит ни каким химическим реакциям между фуллереном и кислородом вплоть до критической температуры примерно 470 К. При нагреве в вакууме кислород может десорбироваться из материала, но при этом отжиг не ведет к полному восстановлению параметров. Большинство исследований в этой области выполнено на сублимированных фуллереновых пленках. Стабильность пленок по отношению к кислороду сильно зависит от их структуры (аморфная, мелко- или крупнокристаллическая пленка), при этом основное взаимодействие сводитсяк быстрой диффузии кислорода по границам кристаллитов и проникновению в объем на 10-15 нм. Поэтому анализ литературных данных затрудняется тем, что далеко не во всех ра­ботах вместе с проводимостью, фотопроводимостью, оптическим поглощением или иными параметрами анализировалась и структу­ра пленок, что приводит к большому разбросу экспериментальных данных.

В целом можно отметить, что проводимость монокристаллов и пленок С₆₀ при контакте с кислородом быстро (за несколько ми­нут) понижается на 3—6 порядков, в то время как экспозиция в атмосфере аргона, азота и гелия не оказывает влияния на проводи­мость. Спектральная зависимость фотопроводимости пленок в ат­мосфере кислорода качественно совпадает с фотопроводимостью бескислородных пленок, но абсолютные значения существенно ниже. Свойства пленок практически восстанавливаются при про­греве в вакууме до температуры 160—180 °С. Однако взаимодей­ствие с кислородом в присутствии освещения приводит к необра­тимым изменениям в проводимости: ее значение при комнатной температуре падает до 10^-14 (Ом.см)^-1, причем активационная энергия возрастает до 0.95 эВ, т.е. близка к половине запрещен­ной зоны. Влияние кислорода на проводимость и фотопроводимость фуллеренов С60 и С70 чаще всего объясняется тем, что интеркалированный кислород создает глубокие ловушечные уровни для носи­телей заряда, расположенные на уровне 0.7 эВ ниже края зоны проводимости. Влияние кислорода на проводимость объясня­ется также созданием неупорядоченного потенциала, который ло­кализует электронные состояния на краях HOMO—LUMO. При освещении образцов кислород вступает в химическую реакцию с образованием С-О - связей.

Измерены температурные зависимости проводи­мости пленок С60 и С70 в диапазоне 77—500 К при давлениях кис­лорода от 10^ до1-10^-6 Торр (рис. 13). При высоких температурах в этих материалах наблюдается зонная проводимость, при низких доминируют прыжки по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми. Кроме того, во всем интервале температур необходимо учитывать вклад третьего механизма, связанного с прыжками по локализованным состояниям около краев валентной зоны и зоны проводимости и характеризуемого энергиями активации, возраста­ющими от 0.2 до 0.4 эВ при увеличении давления кислорода в измерительной камере. Показано, что кислород оказывает ничтожное влияние на механизм зонной проводимости, но активно гасит два последних (прыжковых) механизма, т. е. сильное насыщение фуллерита кислородом приводит к собственной проводи­мости.

Рисунок 11. Температурная зависимость проводимости пленок С60 и С70 при различных давлениях кислорода.

Проникновение кислорода в фуллеритовые пленки было иссле­довано и методом диэлектрической спектроскопии. Измене­ния в частотной и температурной зависимостях низкочастотной комплексной диэлектрической функции е(w) при контакте с кис­лородом были интерпретированы следующим образом. Между мо­лекулами С60 и О2, занимающим междоузельные пустоты, сущест­вует небольшой перенос заряда. Из-за большого размера молекулы С60 формируется большой дипольный момент, который связан с приложенным переменным полем через релаксационный меха­низм, управляемый диффузией. Это приводит к существенному росту диэлектрической проницаемости, сопровождаемой широким пиком диэлектрических потерь. С увеличением содержания кисло­рода межузельные пустоты полностью заполняются, межузельные прыжки подавляются, и пики потерь вместе с повышенной поляри­зацией исчезают.

 

 

7. Полимеризация фуллеренов.