In-situ камера мониторинга структуры и вольтамперных характеристик тонких полимерных полупроводниковых пленок

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, в частности к области измерений электрофизических параметров пленочных полимерных полупроводниковых материалов во время их формирования (in-situ), и может быть использована для мониторинга структурного состояния и вольт-амперных характеристик полимерных пленочных полупроводниковых материалов в процессе их формирования при различных параметрах окружающей среды.
Известна In-situ камера мониторинга структуры и вольт-амперных характеристик тонких полимерных полупроводниковых пленок (L. Grodd, Е. Mikayelyan, U. Pietsch, and S. Grigorian. Direct Correlation Between Electric and Structural Properties During Solidification of Poly(3-hexylthiophene) Drop-Cast Films / Macromol. Rapid Commun. 2012, 33, 1765-1769; Kamran Ali, Ullrich Pietsch and Souren Grigorian. Enhancement of field-effect mobility due to structural ordering in poly(3-hexylthiophene) films by the dip-coating technique / doi:10.1107/S0021889813004718 J. Appl. Cryst (2013). 46, 908-911), позволяющее находить корреляцию между вольт-амперными характеристиками и структурой в процессе затвердевания (кристаллизации) полимерного полупроводникового материала. Для определения структуры используется рентгеновское излучение высокой интенсивности (наиболее подходящим является синхротронное излучение). Устройство снабжено дозирующим устройством подачи раствора полимерного полупроводникового материала на диэлектрическую подложку с двумя электродами (токопроводящими полосками), полученными одним из методов металлизации и выполненными, как правило, из алюминия или золота. Поверхность подложки позиционируется относительно рентгеновского луча таким образом, чтобы он попадал на поверхность подложки между напыленными на нее электродами. Раствор полимерного полупроводникового материала, подаваемый из дозирующего устройства на подложку растекается под действием сил смачивания по подложке, перекрывая электроды.
Рентгеновская съемка дифрагированных лучей с одновременной записью вольт-амперных характеристик затвердевающего (кристаллизующегося) материала позволяет получить знание о корреляции между структурой и фотовольтаическими свойствами исследуемого материала.
Недостатками этого устройства являются:
- невозможность получения равнотолщинной полупроводниковой пленки, формируемой из капли, при изменении концентрации раствора полупроводникового материала;
- невозможность изменять внешние условия среды, в которой проходит затвердевание (кристаллизация) полимерного полупроводникового материала; изменение внешних условий при исследованиях позволяет определить оптимальные условия кристаллизации - температура, состав атмосферы и время.
Указанные недостатки приводят к недостаточной достоверности интерпретации полученных измерений на реальный полимерный материал.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является in-situ камера (прототип) для проведения одновременного исследования вольт-амперных характеристик и структуры полупроводниковых полимерных пленок для оптимизации условий формирования высокоэффективных полимерных солнечных батарей, позволяющее получить знание о корреляции между структурой и фотовольтаическими свойствами исследуемого материала при изменяемых внешних условиях. Конструкция устройства описана в статье Anatoliy A. Bataev, Souren Grigorian, Dimitri A. Ivanov, Evgeniy. V. Prokhorenko, Vladimir G. Burov, Alexander I. Smirnov, Natalya V. Plotnikova. Hardware and software for investigation of structure and properties of thin semiconductor films / Applied Mechanics and Materials, 2015. - Vol. 788: Actual Problems and Decisions in Machine Building. - P. 301-305. Устройство состоит из герметичного корпуса, ограниченного рентгенопрозрачными боковыми окнами, крышкой с дозирующим устройством подачи раствора полимерного полупроводникового материала, предметным столиком, на котором размещается диэлектрическая подложка с двумя электродами (токопроводящими полосками), полученными одним из методов металлизации и выполненными, как правило, из алюминия или золота. Предметный столик снабжен системой нагрева и стабилизации температуры, обеспечивающими необходимую температуру подложки. Герметичный корпус In-situ камеры мониторинга структуры и вольт-амперных характеристик тонких полимерных полупроводниковых пленок снабжен штуцерами, которые предназначены для создания контролируемой атмосферы путем подачи газовой среды необходимого состава и влажности. Поверхность подложки позиционируется относительно рентгеновского луча таким образом, чтобы он попадал на нее между напыленными электродами, к которым сверху подводятся токосъемники прибора, измеряющего вольт-амперные характеристики. Раствор полимерного полупроводникового материала, подаваемый из дозирующего устройства подачи раствора полимерного полупроводникового материала растекается под действием сил смачивания по диэлектрической подложке, перекрывая электроды (токопроводящие полоски).
Недостатком этого устройства является невозможность формировать на подложке пленку одинаковой и равномерной толщины при различном количестве растворителя и различном составе газовой среды. Поскольку реальные полимерные пленки должны иметь равномерную толщину, то интерпретацию измерений, полученных в данной камере, на реальный полимерный материал нельзя считать достаточно достоверной.
Задача (технический результат) предлагаемого устройства заключается в повышении достоверности результатов проводимых исследований.
Поставленная задача решается тем, что in-situ камера мониторинга структуры и вольт-амперных характеристик тонких полимерных полупроводниковых пленок, включает герметичный корпус с рентгенопрозрачными боковыми окнами и крышкой с дозирующим устройством подачи раствора полимерного полупроводникового материала на диэлектрическую подложку. Внутри корпуса установлен предметный столик, снабженный системой нагрева и стабилизации температуры. На столике размещается диэлектрическая подложка с двумя электродами (токопроводящими полосками), полученными одним из методов металлизации и выполненными, как правило, из алюминия или золота. В стенках корпуса установлены штуцеры для создания контролируемой атмосферы. Внутри корпуса установлены токосъемники таким образом, чтобы обеспечивать контакт с электродами подложки. Согласно изобретению, предметный столик снабжен приводом вращения, измерительные электроды выполнены в виде концентрических колец, а токосъемники имеют возможность вертикального перемещения.
Предлагаемая полезная модель поясняется приведенной на чертеже структурной схемой заявляемого устройства.
Предлагаемое устройство содержит герметичный корпус 1, с рентгенопрозрачными окнами 2, крышку 3, в которой размещена система подачи раствора полимерного полупроводникового материала 4, предметный столик 5, снабженный системой нагрева и стабилизации температуры, и вращающийся со скоростью от 1000 до 4000 оборотов в минуту, систему штуцеров 6, установленных в стенках корпуса для создания контролируемой атмосферы, обеспечивающие электрический контакт напыленных на подложку 8 электродов 9 в виде концентрических колец и токосъемники 7 с возможностью вертикального перемещения.
Устройство работает следующим образом.
Устройство размещают на столе системы позиционирования исследуемого материала станции синхротронного излучения таким образом, чтобы падающий луч находился в промежутке между кольцевыми электродами 9 подложки. На предметный столик 5 устанавливают диэлектрическую подложку 8 с нанесенными кольцевыми электродами 9. Через штуцеры 6 прокачивают газ определенного состава и влажности, устанавливают температурные режимы предметного столика 5. Включают вращение предметного столика 5 на 1…3 секунды и подают раствор полимерного полупроводникового материала 20 из дозатора 4 на вращающуюся подложку 8. Токосъемники 7, подключенные к прибору регистрации вольт-амперных характеристик, прижимаются к электродам подложки и перед включением вращения предметного столика поднимаются, например, под действием соленоидов. Капля 10 растекается в равнотолщинную пленку под действием центробежных сил. Останавливают вращение предметного столика 5, после остановки вращения токосъемники 7 опускаются на подложку, протыкая тонкую полупроводниковую полимерную пленку, и прижимаются к кольцевым электродам 9. С момента опускания токосъемников 7 проводится регистрация вольт-амперных характеристик в течение времени кристаллизации полупроводниковой пленки.
Снабжение предметного столика приводом вращения обеспечивает формирование полимерных полупроводниковых пленок равной толщины. При этом толщина пленки может обеспечиваться одинаковой независимо от концентрации раствора полимерного полупроводникового материала. Исполнение подложки с кольцевыми контактами обеспечивает условия для снятия вольт-амперных характеристик полученной равнотолщинной полимерной пленки при любом положении подложки после остановки ее вращения. Совокупность предлагаемых признаков позволит повысить степень достоверности проводимых исследований.