Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

И.В. Сидоров

Созданное функциональное устройство на основе органических полупроводников, в принципах работы которого заложены процессы самоорганизации, химическая и механическая стабильность объектов исследования представляет собой двухслойную полупроводниковую структуру, которая способна генерировать импульсный сигнал без использования дополнительных активных элементов с частотой f в пределах 1 ÷ 106 Гц.

Для создания генерирующего электрические колебания устройства были использованы элемент питания с выходным напряжением 9 В, два игольчатых зонда, диэлектрическая емкость объемом 5∙106 дм3, и микроманипуляторная установка позволяющая регулировать перемещение двух игольчатых электродов трехмерном пространстве, чтобы создать контакт с поверхностью структуры. В качестве объектов исследования использовались органические материалы, обладающие полупроводниковыми свойствами – анилин, растворенные в дистиллированной воде фуксин, метиленовый голубой или метиловый оранжевый. Несмотря на многообразное поведение объектов исследования, которое является отражением сложной внутренней организацией, при воздействии электрического поля в структуре наблюдались процессы самоформирования и образовывались молекулярные комплексы с переносом заряда, где благодаря определенной структуре создавались условия для делокализации электрона.

С целью обеспечения регулирования в широких пределах скорости поступления дырок в базу и тем самым управления глубиной положительной обратной связи включали дополнительный источник тока между электродами 2 (база - анилин) и 3 (p-область - раствор красителя), который создавал прямое смещение p-n-перехода. Поскольку рассмотренные неравновесные процессы в структуре сильно зависят от концентрации дырок в базе (анилине), ВАХ и параметры колебаний могут эффективно управляться инжекцией дырок из p-n-перехода или созданием дополнительной положительной обратной связи.

Перед началом работы электроды выдерживались на воздухе для создания окисной пленки толщиной порядка длины диффузионного пробега анилина, а на поверхности анилина происходила физическая хемосорбция, то есть образование поверхностных состояний. В итоге при контакте отрицательно заряженного электрода с анилином между ними образовывалось пространство с избыточным положительным зарядом.

При приложении разности потенциалов 5-70 В между двумя электродами погруженными в анилин был обнаружен эффект неустойчивости тока. Колебания тока наблюдались с помощью осциллографа по падению напряжения на нагрузочном сопротивлении R1. Параметры колебаний менялись в зависимости от геометрического расположения электродов, подаваемого на структуру напряжения, концентрации водных растворов. 

На основе исследований осциллограмм колебаний тока было установлено, что различным участкам изменения тока во времени соответствуют: 1 - резкое возрастание тока за время t1=(10-8–10-7) с; 2 - медленное уменьшение тока за время t2=(10-6–10-5) с; 3 - быстрый спад тока за время t3=(10-7–10-6) с; 4 - сохранение квазистационарного значения тока в течение времени t4=(10-6–10-2) с.

Типичные семейства ВАХ композитной структуры, измеренные в режиме генератора тока показывают, что в неравновесных условиях может наблюдаться участок дифференциального отрицательного сопротивления и, что при некотором критическом напряжении Uкр, находящимся для различных образцов в пределах от 5 до 12 В возникает неустойчивость тока (размытие на ВАХ).

Учитывая, что возникновение колебаний обусловлено процессами, возникающими в приконтактной области активного электрода, была построена математическая модель распределения потенциала в области поверхностного заряда активного электрода композитной структуры, с помощью уравнения Пуассона (1).

           (1)

где j(x) — распределение потенциала в ОПЗ;

х - ширина области пространственного заряда;

ps – концентрация избыточных дырок;

Nd – концентрация доноров;

Ua – подаваемое на структуру напряжение.

и           (2)

Интегрируя уравнение Пуассона, используя граничные условия (2) и подставляя значение ширина области пространственного l заряда в формулу емкости сферического конденсатора (3) построили график зависимости Саэл от Ua.

               (3)

где    R1 – радиус ОПЗ,

R2 – радиус острия иглы.

Получили зависимость ширины ОПЗ от напряжения на активном электроде (4):

         (4)

Для подтверждения зависимости были исследованы C-V характеристики структуры с помощью импеданс-метра.

Результаты позволяют сказать, что вид зависимости емкости на АЭЛ от разности потенциалов между активным и пассивным электродами подтверждаются экспериментально. Наблюдается возрастание емкости до приложенного напряжения 30 В. При приложении напряжения более 30 В, наблюдаются релаксационные колебания. С увеличением напряжения происходит накопление дырок под активным электродом и область пространственного заряда сужается, что ведет к увеличению емкости. После начала генерации электрических импульсов ширина ОПЗ увеличивается, поэтому средняя емкость уменьшается.

Проведенные исследования параметров НТ свидетельствуют о наличии выпрямляющего контакта. Для проверки этого предположения была собрана схема для определения коэффициента выпрямления, и было проведено измерение ВАХ в диодном режиме.

Коэффициент выпрямления p-n-перехода для композита 5% водный раствор фуксина и анилин равен 12; для композита 5% водный раствор метиленового голубого и анилин = 10. И для сравнения - коэффициент выпрямления p-n-перехода для композита 50 % водный раствор фуксина и анилин равен 72; для композита 50% водный раствор метиленового голубого и анилин = 50. Вольтамперная характеристика структуры схожа с характеристикой диода с p-n-переходом.

Было установлено, что структура способна частично выпрямлять колебания. При пропускании через раствор, содержащий р-полупроводник (фуксин) и пленку анилина гармонического сигнала с частотой от 1 Гц до 30 кГц на экране осциллографа наблюдался искаженный синусоидальный сигнал. При этом один полупериод сигнала проходил через цепь без искажения, а амплитуда другого составляла 45% от исходного, что подтверждает возможность наличия у созданной структуры выпрямляющих свойств.

Результаты исследования электрофизических процессов в растворах со структурной организацией расширяют представления о механизмах взаимодействия в сложных молекулярных и биологических сиcтемах. Полученные результаты могут использоваться как методика описания структуры гетерогенных молекулярных систем и электрофизических процессов, проходящих в этих системах.

К положительным свойствам созданной автоколебательной структуры можно отнести наличие трех независимых каналов управления: потенциальный, токовый и гальванически развязанный – акустический. Каждый из каналов управления характеризуется порогом генерации, величина которого зависит от двух других каналов управления.