Фотопроводимость островковой металлической пленки натрия

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ ОСТРОВКОВОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ

ПЛЕНКИ НАТРИЯ Е.В. Ващенко Научный руководитель - в.н.с., д.ф.-м.н. В.В. Хромов

В работе проведены исследования действия света на островковую металлическую пленку, напыленную на диэлектрическую подложку и представляющую собой ансамбль наночастиц, взаимодействующих друг с другом за счет туннелирования электронов. Показано, что наибольшее воздействие на проводимость пленки производит излучение, вызывающие фотоэлектронный эффект с поверхности металлических наночастиц. Обнаружен эффект заметного влияния на проводимость пленки излучения за «красной границей» фотоэффекта.

Введение

Различные виды дисперсионных систем интересуют исследователей уже много десятилетий из-за специфических свойств, вызванных тем, что эти системы представляют собой ансамбли наночастиц. По мере того как размер частицы Я уменьшается, число поверхностных атомов относительно всех атомов в объеме увеличивается (зависимость Я"1). Таким образом, многие аспекты поведения таких систем определяются поверхностными процессами (эффекты геометрического размера).

Интересным примером дисперсных систем являются островковые металлические пленки (ОМП), представляющие собой квазидвумерные ансамбли наночастиц. Такие пленки могут быть легко изготовлены, например, вакуумным напылением металла на диэлектрическую подложку. Так как расстояния между металлическими островками -порядка нескольких нанометров, островки могут быть соединены с помощью туннели-рования электронов и таким образом представляют единую систему. Однако на свойства такой системы влияют свойства частиц, составляющих пленку. Известно, что у металлических наночастиц, линейные размеры которых порядка 1-100 нм, наблюдаются оптические резонансы в видимой области спектра. Резонансы приводят к увеличению действующего на частицу поля по сравнению с полем падающей световой волны. Кроме резонансных особенностей отдельных металлических наночастиц, привлекательные и интересные свойства обнаруживаются у ансамбля частиц. Так, сближение частиц вызывает смещение резонансов и дополнительное усиление поля в промежутке между ними. Перенос посредством электрической индукции возбуждения в ансамблях частиц открывает перспективу применения их в информационных целях и возможность производить селективное оптическое действие на распределенные системы металлических наночастиц [1]. Высокая концентрация энергии вблизи металлических наночастиц при возбуждении в них резонансных плазмонных колебаний позволяет использовать цепочку близко расположенных частиц как эффективный проводник возбуждений, способный работать на оптических частотах [2].

Важными факторами, определяющими специфические характеристики ОМП, являются: эффект размера маленьких частиц, туннельная связь между частицами, возможность существования локального сильного поля вокруг них.

Интерес к ОМП возник около 30 лет назад, когда Борзяк, Федорович и Сарбей обнаружили, что пропускание тока через ОМП вызывает электронную и световую эмиссию из маленького пятна (<1 мкм), называемого эмиссионным центром [3]. Позже такой эффект наблюдали в пленках, подвергнутых облучению достаточно мощным излучением ИК лазера. Подобное явление может быть эффективно использовано для создания «холодных» катодов для вакуумных микроэлектронных устройств, тензометриче-ских датчиков, катодов для ИК электрооптических конвертеров [3, 4].

В этой работе мы исследовали механизм действия оптического излучения на фотопроводимость ОМП, в том числе и за «красной границей» фотоэффекта.

Результаты эксперимента

Была изготовлена кювета, к сапфировому окну которой были прикреплены два плоских электрода длиной 1 см с расстоянием между ними 4 мм. Вблизи другого окна кюветы был впаян третий электрод для измерения фотоэлектронной эмиссии с пленки. Один из отростков кюветы с помощью вакуумной перегонки наполнялся металлическим натрием. Это позволяло в отпаянной кювете контролируемым образом напылять островковую металлическую пленку на поверхность сапфира между электродами. Контроль за ростом пленки осуществлялся по ее проводимости на постоянном токе. Сопротивление пленки падало по мере роста ее плотности от 10 Гом до 120 Ком. Большинство экспериментов проведено с пленками, сопротивление которых составляло 1-7 Гом, поскольку это полностью исключало возможность прямой «закоротки» электродов (сопротивление проводника из металлического натрия длиной 1 см и диаметром 10 нм составляет 10 Мом). При работе с такими пленками необходимо было подавать напряжения между электродами не более 15 В для избежания разрушения электродов. При таких напряжениях ток проводимости составлял 10-10 -10-9 А.

В ходе эксперимента была снята вольт-амперная характеристика пленки: зависимость тока проводимости от приложенного к ОМП напряжения подчиняется закону Ома при малых напряжениях (до 10 В), но отклоняется от этого закона (сверхлинейная зависимость) при напряжениях больших 10 В.

Частотная характеристика ОМП, представленная на рис. 1 показывает, что сопротивление пленки падает с ростом частоты тока, т.е. проявляет емкостной характер.

и

Рис. 1. График зависимости сопротивления пленки от частоты тока

При подаче на ОМП ступеньки напряжения наблюдался небольшой мгновенный рост тока и медленное его нарастание с характерным временем 10 сек до стационарного значения. Из этого следует, что имеет место запаздывание при прохождении тока в пленке.

Было замечено, что нагрев пленки приводит к падению ее сопротивления, что существенно отличает ее от обычных металлических проводников.

Обнаружено поразительно сильное влияние на сопротивление пленки ее освещения - даже дневной свет увеличивает проводимость пленки более чем на порядок. Для исследования этого эффекта были сняты зависимости проводимости пленки от длины волны падающего излучения для различных напряжений, приложенных к пленке (рис. 2).

Ь

1

0

-2

500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700

х

Рис. 2. Графики зависимости проводимости от длины волны падающего света

для различных напряжений на пленке (----зависимость тока фотоэлектронной

эмиссии от длины волны)

Получено, что наибольшее воздействие производит излучение, вызывающее внешний фотоэффект с поверхности металлических частиц. Спектр фотоэлектронной эмиссии металлической пленки оказался подобным спектру для сплошного металлического слоя. Полученное сходство объясняется достаточно большим (50-100 нм) размером частиц, составляющих пленку. Вместе с тем, заметное действие на проводимость пленки оказывает и излучение за «красной границей» фотоэффекта (X = 540 нм) вплоть до X = 680 нм, где внешнего фотоэффекта нет. При подаче большого постоянного напряжения (порядка 100 В) на третий электрод на проводимость пленки влияет только излучение, не вызывающее внешний фотоэффект.

Модель прыжковой проводимости островковой металлической пленки.

Действие оптического излучения на проводимость пленки

Все полученные экспериментальные результаты качественно объясняются моделью прыжковой проводимости островковой металлической пленки, где электроны переходят с островка на островок посредством туннелирования электронов через разделяющий их вакуумный промежуток [5-7].

В полученной методом вакуумного напыления натриевой пленке размер островков составлял 50-100 нм. При этом влияние их размера на уровень Ферми незначительно. Но уровни Ферми заряженных островков могут отличаться существенно. Электроны с катода попадают на прилежащие островки, затем переходят на соседние островки с меньшей энергией Ферми. Вероятность таких туннельных переходов определяется высотой энергетического барьера, который в нашем случае равен работе выхода электрона из островка. Эта величина несколько уменьшается при нагреве ОМП, что и объясняет температурную зависимость сопротивления пленки, а также увеличении электрического напряжения между соседними островками.

При напряженностях в ОМП < 5 В/см выполняется закон Ома. При увеличении напряженности наблюдалась сверхлинейная ВАХ, обусловленная, вероятно, нагревом и вторичной электронной эмиссией в ОМП.

В предложенной модели ОМП характеризуется емкостью С (размером) островков и Ь - средним расстоянием между ними.

Частота переходов электронов между соседними островками V = / С (ир -скорость Ферми) определяется частотой ударов электрона о поверхность островка ир / С = 108 /10-5 = 1013 с-1 (радиус частиц 100 нм) и вероятностью w = еподбарьер-ного ухода, где к ~ 108 см-1 - обратная длина де-бройлевской волны под барьером. Электроны переходят с островка с большим потенциалом (большим дп) на свободные уровни соседнего островка с меньшим потенциалом (меньшим дт). Возможность такого перехода имеется у N0 Дди / Сер электронов соседних островков, где Дди / £р - отношение разницы зарядов соседних островков к энергии Ферми. При большом числе островков N ~105, находящихся на расстоянии Ь друг от друга, для данной модели получается уравнение переноса заряда по цепи: йд й2 д йт йх2

в котором время т = ОХ и координата х (в единицах Ь/Щ - безразмерные. Величина О. = vN0 /Сер = wvрN0е/С2ер «1016 w [с-1]. Для стационарного случая из решения этого уравнения получается ток: 7 = О0 / N «1013 w [е/с], где QC « 1В - напряжение, приложенное к цепочке островков.

В эксперименте ток 10-10 А проходит по пленке, состоящей из -1011 островков. Если считать, что они образуют 10 цепочек, то ток 10-16 А ^103 е/с идет по одной цепочке. Из этого получается w = 10-10 = е ~23 и Ь = 2.3 нм.

Эксперимент показывает, что имеется запаздывание в прохождении тока в пленке. Характерное время запаздывания ~10" с. Естественно связать запаздывание с характерным масштабом т = 1 или частотой О. При О = 1016 w = 103 получается w = е-30 и Ь = 3 нм. Отличие этого результата от предыдущего можно связать с сильной дисперсией в реальной пленке величин О, которая влияет на протекание постоянного тока слабее, чем на протекание переменного.

Освещение пленки вызывает внешний или внутренний фотоэффект в зависимости от энергии фотонов. Внешний фотоэффект дает дополнительно к туннельному току направленный перенос электронов к аноду. При внутреннем фотоэффекте происходит переходам электронов в натрии из зоны проводимости в верхнюю энергетическую зону, если энергия фотонов превышает 2.1 эв. Вероятность туннелирования возбужденных электронов в соседний островок значительно возрастает по причине уменьшения для них энергетического барьера перехода. Однако из-за быстрой релаксация возбужденных электронов их оказывается немного, и поэтому действие на сопротивление пленки излучения с энергией фотонов ниже «красной границы», хотя и проявляется, но не так сильно, как в случае внешнего фотоэффекта.

Заключение

В настоящей работе проведено систематическое исследование электрических и фотоэлектронных параметров островковой металлической пленки натрия, напыленной на поверхность сапфировой подложки.

Измерены вольт-амперные и переходные характеристики пленок. Обнаружено сильное влияние освещения на проводимость пленки. В результате эксперимента было выяснено, что наибольшее воздействие на проводимость пленки производит излучение, вызывающее внешний фотоэффект с поверхности металлических наночастиц.

Обнаружен эффект заметного влияния на проводимость пленки излучения за «красной границей» фотоэффекта.

Полученные результаты интерпретированы с помощью модели прыжковой проводимости, в которой электроны переходят между островками посредством туннелиро-вания. В этой модели воздействие оптического излучения увеличивает проводимость пленки либо с помощью внешнего, либо внутреннего фотоэффекта, который резко увеличивает скорость туннелирования.

Литература

1. Гапоненко С.В., Розанов Н.Н., Ивченко Е.Л., Федоров А.В., Бонч-Бруевич А.М., Вартанян Т.А., Пржибельский С. Г. Оптика наноструктур. СПб: Недра, 2005. 326 с.

2. Harry A. Atwater. Guiding light // SPIE's OE, July, 2002. P. 42-44.

3. R.D. Fedorovich, A.G. Naumovets, P.M. Tomchuk. Electron and light emission from island metal films and generation of hot electrons in nanoparticles. // Physics Reports 328, (2000). P. 73-179.

4. Татаренко Н.И., Кравченко В.Ф. Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 192 с.

5. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. М.: Логос, 2006. 496 с.

6. Борзяк П.Г., Кулюпин Ю.А. Электронные процессы в островковых металлических пленках. Киев: Наукова думка, 1980.

7. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. Введение в физику поверхности. М: Наука, 2006. 490 с.