Гальванические эффекты в донорно-акцепторных комплексах на основе фуллерита С60

УДК 538.9

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНЫХ КОМПЛЕКСАХ

НА ОСНОВЕ ФУЛЛЕРИТА С60

© М.А. Умрихина, А.В. Умрихин

Ключевые слова: фуллереносодержащие материалы; гальванический эффект; ионизирующее излучение.

В работе рассматривается гальванические эффекты в донорно-акцепторных комплексах на основе фуллерита С60, обусловленные влиянием малоинтенсивного бета-излучения.

Фуллереносодержащие материалы на основе фуллерита С60 являются перспективными материалами для применения в области нанотехнологий, спинтроники и одноэлектроники [1]. В частности, в [2-3] сообщалось об их практическом применении в качестве рабочего материала в фотопреобразователях солнечной энергии и датчиках излучения различной природы. Твердотельные датчики ионизирующего облучения и преобразователи солнечной энергии сейчас делаются, главным образом, на базе ионных и ковалентных кристаллов. Перспективным считается создание «батарей» и сенсоров на основе молекулярных фуллеренсодержащих материалов, которые будут обладать сходными характеристиками, а также некоторыми преимуществами, например гибкостью полученных элементов [4].

Для исследования фотогальванических эффектов в полупроводниках традиционно в виде источника возбуждения электронной подсистемы образцов используют свет различного диапазона длин волн. Однако из-за малой глубины проникновения света вглубь образца (для фуллеренсодержащих материалов ~1 мкм) такой источник возбуждения позволяет исследовать материал только в приповерхностном слое. Для исследования объемных свойств необходимо использовать не свет, а другое излучение с более высокой проникающей способностью. Например: у-, в- или протонное излучение. Из всех вышеперечисленных в-излучение обладает несколькими сравнительными достоинствами: во-

первых, облучение электронами интенсивностью К < 107 см-2 с-1 и флюенсом F < 1011 см-2 не приводит к деструктуризации фуллеренсодержащих материалов в отличие от протонного и у-излучения [5-9]; во-вторых, механизмы возбуждения электронной подсистемы органических кристаллов светом и в-излучением достаточно близки, что позволит применять модели возникновения различных фотогальванических эффектов и для радиационно-гальванических явлений.

Таким образом, становится актуальным изучение влияния малоинтенсивного облучения (К < 107 см-2 с-1 и F < 1011 см-2) на электрические свойства фуллеренсо-держащих структур, а также обнаружение и исследование радиационно-гальванических явлений в них.

Цель настоящей работы заключалась в обнаружении и изучении закономерностей влияния малоинтен-

сивного Р-облучения на электропроводность фуллери-тосодержащих материалов, а также в исследовании радиационно-гальванических явлений, индуцированных Р-облучением в ДАК на основе фуллерита С60.

В работе были обнаружены и исследованы основные закономерности радиационно-гальванического эффекта (возникновение электрического тока при облучении образца, включенного в замкнутую цепь), возникающего под действием в-излучения (К < 107 см-2 с-1 и F < 1011 см-2) в донорно-акцепторных комплексах ^^„•СДО (1), TBPDA•(С60)2 (2), TMPDA•С60 (3).

В результате проведения исследований был обнаружен эффект возникновения радиационно-индуци-

Рис. 1. Зависимость радиационно-индуцированного тока I от времени облучения в ДАК 1, 2 и 3 соответственно. На врезке показаны зависимости фотоиндуцированного тока от времени экспозиции. Интенсивность облучения - 2,7406 см-2с-1

В 2

2 Ю -ч _ 1 .гоэ/у

О

^ —___•". II 1 1 1 I 1 Г 1' 1 1- х

3,25 юоо/7; к'1

3,5

К, 106 см V

Рис. 2. Зависимость радиационно-индуцированного тока в ДАК от обратной температуры (а); (б) - плотности индуцированного тока от интенсивности возбуждающего облучения

рованного тока при воздействии малоинтенсивного ионизирующего Р-облучения на эти соединения (рис. 1).

Также были получены результаты по выявлению влияния температуры на радиационно-гальванический эффект данных комплексов. Значения энергии активации для комплексов 1, 2 и 3 составляют 0,19, 0,31 и 0,13 эВ соответственно (см. рис. 2а). Из рис. 2а видно, что чувствительность величины радиционно-гальвани-ческого эффекта к температуре наиболее низка у комплекса 3. Это позволяет говорить о том, что комплекс 3 более пригоден (по сравнению с комплексами 1 и 2) для использования в качестве рабочего материала для изготовления датчиков ионизирующего излучения. Показано, что зависимость радиационно-гальванического эффекта от интенсивности Р-излучения имеет нелинейный характер (рис. 2б). Это говорит о том, что время жизни носителей заряда зависит от интенсивности возбуждающего облучения [10]. Показано, что донорно-акцепторные комплексы устойчивы к воздействию Р-облучения. При повторных облучениях той же поверхности с суммарным флюенсом F ~ 1011 см-2 изменений количественных и качественных характеристик радиационного тока не наблюдалось. Времена насыщения и релаксации радиационного тока для всех интенсивностей достигают десятка секунд. Это может быть обусловлено малой подвижностью зарядов в материале.

Также в ходе проведения исследований был обнаружен фотовольтаический эффект, т. е. возникновение тока при освещении исследуемых комплексов белым светом с интенсивностью 1010-1012 фотон/см2 (рис. 1 врезки).

Для соединения 1 получена спектральная зависимость фотогальванического эффекта в диапазоне 1,44,8 эВ (рис. 3).

Спектр имеет две компоненты. Первый пик около 1,8 эВ может быть связан с фотоиндуцированным переносом заряда с донора на акцептор. Вторая компонента (~2 эВ) соответствует молекулярному переходу в чистом С60.

Рассмотрим возможные модели, объясняющие возникновение тока под действием малоинтенсивного ионизирующего Р-облучения.

Так как средние энергии эмитируемых Р-частиц составляют значительную величину 0,5 МэВ, то в результате многокаскадной ударной ионизации молекул ре-

шетки релятивистскими электронами внешнего возбуждения в объеме будет создаваться большое количество вторичных низкоэнергетических электронов, которые могут принимать участие в генерации электроннодырочных пар.

Одну из причин возникновения радиационно-гальванических эффектов в исследуемых ДАК можно описать при помощи модели, объясняющей природу фото-вольтаического эффекта в композитах проводящих полимеров с фуллеренами [11].

Индуцированный перенос электронной плотности с донора на акцептор приводит к образованию разделенных зарядов с большим временем жизни за счет пространственной делокализации электрона на объемной молекуле С60 и последующему движению электрона по фуллеренновой области вследствие эффективного перекрывания молекулярных орбиталей соседних молекул. Поведение электрона на молекуле С60 описывается как поведение частицы в ассиметричной потенциальной яме. Асимметрия этой ямы обусловлена влиянием молекулы донора. Вследствие высокой упорядоченности взаимного расположения молекул донора и молекул С60 асимметричные потенциальные ямы в исследуемых комплексах также будут упорядочены. Стенки асимметричной ямы для попавшей в нее частицы обладают неоднородной прозрачностью по направлению [12]. Как следствие этого, для частицы будет преобладать одно направление рассеяния из асимметричной

0,12

0

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

эВ

Рис. 3. Спектр фототока комплекса (1). Стрелками показаны положения основных оптических переходов

1,5

Ф, град

Рис. 4. Ориентационная зависимость плотности тока радиационно-гальванического эффекта в исследуемых ДАК

потенциальной ямы, что и приведет к возникновению электрического тока. Применяя данную модель для объяснения наблюдаемых эффектов, следует ожидать появления анизотропии величины электрического тока, что и было обнаружено нами для всех исследуемых комплексов. На рис. 4 показана зависимость плотности индуцированного тока от угла ф между слоями ДАК и контактами, через которые проходит ток. Надо заметить, что результаты, представленные на рис. 4, носят чисто качественный характер и показывают только факт анизотропного характера радиационно-гальванического эффекта. Предложенную модель подтверждает нелинейная зависимость радиационно-гальванического эффекта, индуцированного ионизирующим Р-облуче-нием от интенсивности возбуждающего облучения [13].

Другой возможной причиной возникновения радиационно-гальванического эффекта может быть Э.Д.С. Дембера. Причиной ее возникновения может быть анизотропия некоторых физических свойств исследуемых ДАК вследствие упорядоченности взаимного расположения молекул донора и молекул С60 [10].

Вклад той или иной модели в величину наблюдаемого радиационно-гальванического эффекта требует дальнейших исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фуллерены / Сидоров Л.Н. [и др.] М.: Изд-во «Экзамен», 2005. 688 с.

2. Sariciftci N.S. Optoelectronic devices based on fullerenes: present state and future prospects // Fullerenes and atomic clusters: 7 Biennial international workshop. SPb., 2005.

3. Guldi D.M. Fullerene - porphyrin architectures; photosynthetic antenna and reaction center models // Chem. Soc. Rev. 2002. V. 31. № 1. P. 2236.

4. Hoppe H., Troshin P.A., Renz J.A., Troshina O., Peregudova S.M., Peregudov A.S., Lyubovskay R.N., Gobsch G. Polymer solar cells with novel fullerene derivatives // Fullerenes and atomic clusters: 8 biennial international workshop. SPb., 2007. P. 44.

5. Zawislak F.C., Baptista D.L., Behar M., Fink D., Grande P.L., da Jornada J.A.H. Damage of ion irradiated Сб0 films // Nuclear instruments and methods in physics research B. 1999. V. 149. P. 336-342.

6. Бржезинская М.М., Байтингер Е.М., Шнитов В.В., Смирнов А.Б. Изучение начальных стадий дефектообразования углеродных нанотрубок под действием ионного облучения аргоном // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. № 4. С. 745-750.

7. Гордеев Ю.С., Микушкин В.М., Шнитов В.В. Спектры элементарных возбуждений фуллерита Сбо и влияние на них электронного облучения // Физика твердого тела. 2000. Т. 42. № 2. С. 371-377.

8. Disintegration of Сб0 by heavy-ion irradiation / Kalish R., Simoiloff A., Hoffam A., Uzan-Saguy C. [and all.] // Phys. Rev B. 1993. V. 48. № 24. Р. 18235-18238.

9. Narayanan K.L., Yamaguchi M., Dharmarasu N., Kojima N., Kanjilal D. Low energy ion implantation and high energy ion irradiation in Сб0 film // Nuclear instruments and methods in physics research B. 2001. V. 178. P. 301-304.

10. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М., Физматгиз, 1963. 496 с.

11. Sariciftci N.S., Heeger A.J. Photophysics, charge separation and application of conjugated polymer/fUllerene composites // Handbook of organic conductive molecules and polymers / ed. by H.S. Nalwa. 1997. V. 1.

12. Белиничер В.И., Стурман Б.И. Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии // УФН. 1980. Т. 130. Вып. 3. С. 415458.

13. Стурман Б.И., Фридкин В.М. Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления. М., 1992. С. 208.

БЛАГОДАРНОСТИ: Научно-исследовательская работа проведена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., государственного задания на выполнение НИР и грантов РФФИ № 11-08-00968-а, № 12-08-97551-р_центр_а.

Поступила в редакцию 26 декабря 2011 г.

Umrikhina M.A., Umrikhin A.V. GALVANIC EFFECTS IN DONOR-ACCEPTOR COMPLEXES BASED ON C6o FULLE-RITE

In this paper are studied galvanic effects in donor-acceptor complexes based on C60 fullerite, induced by low-intensive beta radiation.

Key words: fullerite containing material; galvanic effect; ionizing radiation.