Энергонезависимый элемент памяти поверхностного типа на основе гетероструктуры органических полупроводников CuPc-H2Pc

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №6_

ТЕХНИКА

УДК 539.21:537.31

Х.С.Каримов, М.М.Рехман*, академик АН Республики Такджикистан Х.М.Ахмедов, С.З.Аббас*,

Н.Фатима*, З.М.Рахматова

ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

СиРс-Н2Рс

Центр инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджикистан, Институт технологии и прикладных наук им. Гулам Исхак Хана, Пакистан

В статье описан энергонезависимый элемент памяти поверхностного типа на основе гете-роструктуры органических полупроводников CuPc-H2Pc, который был изготовлен вакуумным испарением фталоцианина меди (СиРс) и фталоцианина без металла (Н2Рс). В качестве электродов использовались Ag и Си. Исследование вольт-амперных характеристик элемента показало наличие эффекта переключения из высокоомного состояния в низкоомное, энергонезависимой памяти, которая может стираться при изменении полярности напряжения на обратное, и ассиметрии порогового напряжения при разных полярностях подаваемого на электроды напряжения. Данный элемент памяти может использоваться в электронике и информационных системах для записи информации.

Ключевые слова: энергонезависимый элемент - память - гетероструктура - фталоцианин меди -фталоцианин без металла.

Во внутренней памяти компьютеров используют как энергозависимые, так и энергонезависимые элементы памяти. В отличие от энергозависимых, энергонезависимые элементы памяти сохраняют информацию при отключении источника напряжения. В последние годы проводились научные исследования в области энергонезависимых элементов памяти на основе органических, неорганических и полимерных полупроводников. В частности, было обнаружено, что некоторые органические материалы при использовании их в элементах показывают электрически бистабильные свойства, характерные для энергонезависимых элементов памяти [1]. В обзоре [2] приведены данные по гибридным энергонезависимым элементам памяти, основанным на нанокомпозитах органических и неорганических полупроводников. Обсуждается эффект переключения из высокомного в низкоомное состояние, механизм переноса носителей зарядов и эффект памяти. В [3] описаны свойства элементов памяти на основе наночастиц полипиррола, внедрённых в матрицу полимера поливинилацетата (РУЛ).

Элементы памяти, как правило [1-4], представляют с собой ячейки типа «сэндвич», которые в сравнении с ячейками поверхностного типа имеют ряд преимуществ, а именно, сравнительно низкие сопротивления и высокие токи. Вместе с тем изготовление ячеек типа сэнвич приводит иногда к некоторым технологическим неудобствам: трудно избежать эффекта короткого замыкания ячейки при

Адрес для корреспонденции: Ахмедов Хаким Мунаваррович, Каримов Хасан Сангинович. 734025, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Рудаки, 33, Президиум АН РТ. E-mail: khakim48@mail.ru; khasansangin@gmailcom

наличии дефектов в структуре и если плёнка полупроводника сравнительно тонкая (50-300 нм). Вследствие этого нами был изготовлен и исследован элемент памяти поверхностного типа, где эффект короткого замыкания ячейки практически не имеет места.

Элементы памяти, исследованные в данной работе, были созданы на основе фталоцианина меди CuPc, (C32H16CuN8) и фталоцианина без металла H2Pc, (C32H18N8). Данные органические полупроводники приобретались у фирмы «Sigma Aldrich» Германии. Тонкие плёнки органических полупроводников получали вакуумным испарением при температуре сублимации 500оС и давлении 10-4 Pa с использованием установки EDWARD 306. Электроды элементов изготовлялись с использованием Ag и Cu. Промежуток между электродами составлял 35 мкм. Толщина плёнок каждого из органических полупроводников была равна 200 нм, а металлов 100 нм. На рис.1 приведена схематическая диаграмма элемента памяти. Площадь поверхности элемента была равна 12х6 мм.

5

Рис.1. Схематическая диаграмма элемента памяти поверхностного типа на основе гетероструктуры органических полупроводников СиРс-Н2Рс: подложка из стекла (1), плёнки Ag и Си (2 и 3), плёнки органических полупроводников фталоцианина меди СиРс (4) и фталоцианина без металла Н2Рс (5).

На рис.2 приведены вольт-амперные характеристики энергонезависимого элемента памяти поверхностного типа на основе гетероструктуры органических полупроводников СиРс-Н2Рс. Как видно из рис.2, прямая (при возрастании напряжения) и обратная (при уменьшении напряжения) вольт-амперные характеристики не совпадают как при положительном, так и при отрицательном напряжениях. Это означает, что имеет место эффект памяти, который был обнаружен в ряде материалов [1-4]. Анализ данных (рис.2) показывает, что при положительном напряжении элемент из высокоом-ного (143 МО) переходит в низкоомное (67 МО) состояние. Отношение сопротивлений в высокоом-ном и низкоомном состояниях равно 2.1. При отрицательном напряжении элемент из высокоомного (200 МО) переходит в низкоомное (71 МО) состояние. Соответственно отношение сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях равно 2.8.

Следует отметить, что повышение положительного напряжения выше 4 В приводило к скачкообразному возрастанию тока в среднем в 100 раз и, как правило, на вольт-амперной характеристике

Доклады Академии наук Республики Таджикистан

2G15, том 58, №6

наблюдался участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Такие характеристики наблюдались на ряде элементов, изготовленных на основе органических полупроводников [5].

0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 Ток, mkA

"6 "4 ---"in 1 _____ >--- < -0,02 / -0,03 l" ^ -0,04 -0,05 1 ! 1 J 2 4 6 Напряжение, В

Рис.2. Вольт-амперные характеристики энергонезависимого элемента памяти поверхностного типа на основе гетероструктуры органических полупроводников CuPc-H2Pc: - прямое; ---- обратное.

Для объяснения эффекта памяти используется несколько физических моделей [1,5]. Нам представляется, что механизм, описанный в [1], является приемлемым для описания явлений в рассматриваемом элементе памяти. Под действием напряжения происходит переход носителей от донора (CuPc) к акцептору (H2Pc), где подвижность носителей заряда выше, что приводит к переходу из высокоомного в низкоомное состояние. По-видимому, это состояние сравнительно устойчивое -электрон обладает сравнительно низкой энергией, что и приводит к эффекту памяти. При изменении полярности напряжения электрон возвращается в исходное состояние. В данном случае переключение из высокоомного в низкоомное состояние и обратно осуществляется электрическим полем. При дальнейшем увеличении напряжения роли доноров и акцепторов меняются, так как полупроводники CuPc и H2Pc имеют разные работы выхода - 3.87 и 4.04 эВ соответственно. При этом вольт-амперная характеристика элемента памяти выглядит ассиметричной.

Таким образом, разработан, изготовлен и исследован энергонезависимый элемент памяти поверхностного типа на основе гетероструктуры органических полупроводников - фталоцианина меди (CuPc) и фталоцианина без металла (H2Pc). На вольт-амперных характеристиках элемента обнаружен энергонезависимый эффект памяти. Данные элементы могут быть использованы для записи информации в электронике и информационных системах.

Поступило 17.04.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. 1. Chu C.W., Ouyang J., Tseng J.-H., Yang Y. - Advanced Materials, 2005, v. 17, №.11, pp. 1440-1443.

2. 2. Duan X., Huang Y., Lieber Ch.M. - Nano Letters, 2002, v.2 (5), pp. 487-490.

3. 3. Kim T.W., Yang Y., Li F., Kwan W.L. - Asia Materials, 2012, v.4, рр.1038-1048.

4. 4. Hong J-Y., Jeon S.O., Jang J., Song K., Kim S.H. - Organic Electronics, 2013, v.14, pp. 979-983.

5. 5. Scott J.C., Bozano L.D. - Adv.Mater, 2007, v.19, pp.1452-1463.

Х.С.Каримов, М.М.Рехман*, ^.М.Ахмедов, С.З.Аббос*, Н.Фотима*, З.М.Рахматова ЭЛЕМЕНТИ ХОТИРАВИИ АЗ ЭНЕРГИЯ НОВОБАСТАИ ШАКЛИ САТ^Й ДАР АСОСИ ГЕТЕРОСОХТОРИ НИМНОЦИЛ^ОИ ОРГАНИКИИ

CuPc ВА HiPc

Маркази рушди инноватсионии илм ва технологиями нави Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон, *Институти технология ва илм^ои амалии ба номи Гулом Ис^оц Хон, Покистон

Дар макола элементи хотиравии аз энергия новобастаи шакли сатхй дар асоси гетеро-сохтори нимнокилхои органикии CuPc ва H2PC омухта шудааст. Элементи мазкур бо усули бугкунй дар вакуум аз фталосианини мис ва фталосианини бе металл сохта шудааст. Ба сифати электродхо Ag ва Cu истифода бурда шудааст. Тахкики тавсифи вольт-амперметрии элемент мавчудияти эффекти гузаришро аз холати муковиматаш баланд ба холати муковиматаш паст, холати хотиравии аз энергия новобастаро, ки бо тагйир ёфтани кутбияти шиддат ва ассиммет-рияи шиддати остонагй дар вакти ба электродхо додани кутбнокии гуногуни шиддат ба холати аввала боз мегардад, нишон дод. Элементи мазкури хотиравй дар сохаи электроника ва системахои информатсионй барои навиштан ва нигохдории маълумот истифода шуданаш мум-кин аст.

Калима^ои калиди: элементи аз энергия новобаста - хотира - гетеросохтор - фталоцианини мис - фталоцианини бе металл.

Kh.S.Karimov, M.M.Rehman*, Kh.M.Akhmedov, S.Z.Abbas*, N.Fatima*, Z.M.Rahmatova NONVOLATILE ELECTRIC MEMORY SURFACE-TYPE ELEMENTS BASED ON ORGANIC-ON-ORGANIC CuPc-H2Pc HETEROJUNCTION

Center of innovative development of science and new technologies, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, Gulam Ishak Khan Institute of Technology and Applied Science, Pakistan Nonvolatile electric memory surface-type elements based on organic semiconductors CuPc and H2Pc were fabricated by vacuum deposition of the CuPc and H2Pc films on preliminary deposited metallic Ag and Cu films on glass substrate. In the I-V characteristics the memory effect was observed. The switching mechanism is attributed to electric-field-induced charge transfer from an organic electron donor to an acceptor . In the result the device switches from a low- to a high-conductivity state and back to low conductivity state if opposite polarity voltage was applied. This element con be used in electronics and in formation systenis. Key words: volatile element - memory - heterojunction - copper phthalocyanine - metal free phthalocyanine.