«Исследование воздействия магнитного поля на вольтамперные характеристики структуры металл- широкозонный полимер- металл» - Отчет по практике

Содержание

1 Введение 3

2 Магнитные свойства вещества 4

2.1 Магнетизм 4

2.2 Диамагнетизм 4

2.3 Парамагнетизм 5

2.4 Магнитоупорядоченные среды 5

2.5 Магнитная проницаемость 6

2.6 Свойства широкозонных полимерных материалов 7

3 Экспериментальная часть 7

3.1 Свойства полидифениленфталида (ПДФ) 7

3.2 Методика очистки полимера 8

3.3 Методика нанесения полимерных слоев на стеклянную

подложку 9

3.4 Методика изготовления образцов для определения вольтамперных характеристик (ВАХ) структуры медь-полидифениленфталид-медь 9

3.5 Методика изготовления металлических электродов 10

3.6 Экспериментальная установка и конструкция держателя 11

4 Результаты и их обсуждение 13

4.1 Исследуемая структура 13

4.2 Измерение вольт - амперных характеристик ПДФ 14

4.3 Анализ результатов 15 5 Выводы 18

6 Цитируемая литература 19

Введение

Интерес к электромагнитным полимерам с каждым годом возрастает [1]. Он стимулируется обнаружением новых перспективных применений, таких, например, как в области создания электролюминесцентных устройств или сред для транспорта электронов с поляризованным спином и других. Однако многие физические процессы, связанные с транспортом заряда в этих средах, остаются непонятными. В частности, до сих пор открыт вопрос о механизме высокой проводимости в тонких слоях некоторых функциональных полимеров. Одной из специфических особенностей этого эффекта является то, что высокая проводимость возникает без применения допирования в материалах, имеющих широкую запрещенную зону. В то же время это одно из немногих явлений, которое по своей сути можно отнести к наноэлекронным, потому что оно не наблюдается в массивных образцах.

Суть явления заключается в том, что в пленках полимеров, толщина которых по разным источникам может быть от нескольких микрон до нескольких нанометров, в результате незначительного с энергетической точки зрения воздействия может возникать аномально высокая элекропроводность металлического типа. К типичным для такого вида объектов можно отнести следующие факты:

1) локальная плотность токов, не вызывающая разрушения органического материала, вплоть до 106 А/см и выше;

2) пороговый характер возникновения высокой проводимости;

3) электропроводность, достигающая 104-105 (Ом.см)-1 ;

4) температурная зависимость проводимости металлического типа вплоть до сверхнизких гелиевых температур;

5) анизотропия электропроводности, наличие каналов проводимости.

В настоящее время известно несколько методов генерации металлоподобного состояния в полимерах путем возбуждения зарядовой неустойчивости в образце. Среди них можно выделить следующие: одноосное давление, электрическое поле, термостимулированные токи, электронный луч, вариация граничных условий [2, 3].

В связи с этим целью настоящей работы явилось создание механического узла и компоновка установки для исследования полимерной пленки в магнитном поле. Последующая цель использования этой установки экспериментальное изучение «предпереходных» явлений в тонких пленках полимеров, предваряющих возникновение высокой электропроводности и установление характера распределения электронных состояний в запрещенной зоне полимера.

Выдержка из текста работы

2. Магнитные свойства вещества

2.1. Магнетизм- явление квантовое [4]. Нельзя понять и представить, но необходимо принять как данность и постоянно иметь ввиду в той или иной степени:

- Соотношение неопределенностей

- Волновую природу частиц

- Тождественность частиц → обменное взаимодействие.

2.2. Диамагнетизм.

Живые организмы диамагнитны. Но для того, чтобы подвесить человека, необходимо постоянное магнитное поле до 40 Тл. Такие поля еще не созданы.

Однако существуют идеальные диамагнетики –это сверхпроводники. Внешнее магнитное поле совсем не проникает в сверхпроводящий предмет.

Либо он будет вытеснен из магнитного поля, либо сверхпроводимость разрушится. Но сверхпроводящее состояние пока возможно только при очень низких температурах (гораздо ниже -60оС). Жить при таких температурах нельзя.

Внешние электроны атома определяют магнитные свойства вещества. В атоме с заполненными внешними оболочками его магнитный момент равен нулю.

Все атомы обладают диамагнетизмом, обусловленным возникновением индуцированного магнитного момента во внешнем магнитном поле (правило Ленца).

Когда диамагнитный материал помещается около магнита, он отталкивается от области наибольшего магнитного поля.

2.3. Парамагнетизм (слабое втягивание в поле). Такое втягивание на первый взгляд незаметно.

Существование у атомов (ионов) магнитных моментов, обусловливающих парамагнетизм веществ, может быть связано с движением электронов в оболочке атома (орбитальный парамагнетизм), со спиновым моментом самих электронов (спиновый парамагнетизм), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный парамагнетизм). Атомы «магнитных» элементов, таких, как железо, поодиночке парамагнитны. Для сильного, заметного взаимодействия с магнитным полем необходим магнитный порядок. Это коллективное явление, возникающее, когда достаточно большое количество атомов собрано вместе. Поэтому достаточно мелкие наночастицы магнитного материала ведут себя в магнитном поле не так, как большие частицы: у наночастиц нет достаточного количества вещества для коллективного взаимодействия с внешним магнитным полем.

2.4. Магнитоупорядоченные среды.

Для существования магнитного порядка в первую очередь имеет значение спиновый парамагнетизм атома, то есть наличие у атома или иона нескомпенсированного спина [5]. Именно спиновое упорядочение коллектива атомов вещества приводит к сильному ферромагнитному взаимодействию в традиционно известных магнитных материалах (сталь, железо). Ориентацию спина на схемах обычно обозначают «↑» или «↓». Для ферромагнитного упорядочения все спины должны быть ориентированы одинаково, вот так:

↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑

Однако коллективное, сильное взаимодействие с магнитным полем может быть различным. Существует, например, антиферромагнитное упорядочение, которое выглядит так:

↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑

В этом случае магнитных свойств материала можно и не заметить. Такой вид магнитного упорядочения, например, у хрома.

2.5. Магнитная проницаемость μ характеризует взаимодействие магнитного поля и вещества [6-9]. Это коэффициент пропорциональности между внешним и внутренним магнитными полями образца. Для диамагнетиков μ 1 (внутреннее магнитное поле меньше внешнего). Для парамагнетиков μ чуть больше 1 (внутреннее магнитное поле чуть больше внешнего). Для ферромагнетиков μ много больше единицы (внутреннее магнитное поле гораздо больше внешнего).

• Все атомы обладают диамагнетизмом (выталкиваются из магнитного поля), что обусловлено возникновением у них индуцированного магнитного момента под действием внешнего магнитного поля

• Существование у атомов (ионов) магнитных моментов, обусловливают парамагнетизм веществ- втягивание в магнитное поле.

• Обменный интеграл- интеграл, описывающий вклад в полную энергию системы, учитывающий понижение энергии отталкивания электронов с параллельным и спинами на разных орбиталях вследствие принципа Паули. Достаточно большой обменный интеграл→ магнитный порядок.

• Энергия обменного взаимодействия не имеет отношения к взаимодействию спинов, а является частью электростатической энергии, которая обусловлена квантовой природой электронов.

2.6. Свойства широкозонных полимерных материалов.

Уникальность электронных свойств полимерных материалов хорошо подтверждается на примере влияния давления на электропроводность относительно тонких пленок полимеров.

На примере такой зависимости можно выделить общие признаки изменения электропроводности в пленках несопряженных полимеров, присущие различным способам ее инициирования. Аномально низкие величины внешних воздействий индуцирующих переход в высоко проводящее состояние в полимере. Например, по давлению эти величины меньше предсказанных теорией на 6 порядков, по электрическому полю на 3 порядка. Аналоги по другим методам воздействия в научной литературе не обнаружены.

Было установлено, что в предпороговой области увеличение давления при фиксированной разности потенциалов на полимерном образце приводит к изменению характера инжекции носителей заряда в пленку. Обнаружено, что в полимере происходит значительное увеличение концентрации электронов и их подвижности по сравнению с теми же параметрами дырок, что приводит к смене типа основных носителей заряда после перехода в высокопроводящее состояние.

Заключение

5. Выводы.

1. Получены и исследованы ВАХ структуры медь-полидифениленфталид-медь в состоянии низкой проводимости и в состоянии высокой проводимости. Состояние проводимости образца регулировалось внешней механической нагрузкой.

2. Обнаружено влияние внешнего магнитного поля (0,35 Тл), направленного перпендикулярно току на ВАХ медь-полидифениленфталид-медь.

3. Угол наклона ВАХ при диэлектрическом состоянии полимерной пленки в магнитном поле уменьшается.

4. Угол наклона ВАХ при высокопроводящем состоянии полимерной пленки в магнитном поле возрастает.

Список литературы

1) А.Н. Лачинов, В.М. Корнилов, Т.Г. Загуренко, А.Ю. Жеребов. К вопросу о высокой проводимости несопряженных полимеров. ЖЭТФ,2006, т129, вып.4, стр.728-734

2) А. Н. Лачинов. «Полимеры- диэлектрики или проводники?» в сб. Физика в Башкортостане. Издательство «Fилем»,Уфа- 1996, стр.185

3) А. Н. Лачинов, В. М. Корнилов. Наноэлектроника полимерных материалов. ИФМК УНЦ РАН, 2007, стр.25-27

4) Н.В. Воробьева, А.Н. Лачинов. Процессы намагничивания и перемагничивания. Магнитные наноструктуры. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Экспериментальная физика». Издательство БГПУ,2011, стр.3-6

5) Д.Д. Мишин. Магнитные материалы. М. «Высшая школа» 1981, стр.23-25

6) С. Тикадзуми. Физика ферромагнетизма. «Мир» 1987, стр.127-130.

7) Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. Москва «Наука» 1978, стр.543-593

8) Л.Г. Журавлев, В.И. Филатов. Физические методы исследования металлов и сплавов. Челябинск, издательство ЮУрГУ, 2004, 157 с.

9) Г. Роуэлл, С. Герберт. Физика, перевод с английского под ред. В. Г. Разумовского. Москва «Просвещение» 1994.

10) Салазкин С.Н., Шапошникова В.В., Мачуленко Л.Н., Гилева Н.Г., Крайкин В.А., Лачинов А.Н. «Синтез полиариленфталидов, перспективных в качестве “умных” полимеров». Высокомолекулярные соединения, серия А, 2008, Т. 50, № 3, С. 399.]

11) Надмолекулярная структура и электрофизические свойства субмикронных полимерных пленок. В.М. Корнилов, А.Н. Лачинов, А.Ф.Галиев, Г.Ш. Султанбаева, Э.Р.Жданов, Л.Р. Калимуллина. Сборник трудов VIII Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники», Санкт-Петербург, 2-5 июля 2012 года, стр. 55-56.