Дослідження надтонких органічних плівок методами зондової мікроскопії

21. Gold “nanoprisms”: STM-AFM study in ambient conditions / V.V. Cherepanov, A.A. Marchenko, A.G. Naumovets, V.R. Estrela-Liopis, T.I. Borodinova // Clusters and Nanostructured Materials (CNM-2) : International Meeting, 27-30 September 2009 : materials. - Uzhgorod (Ukraine) : NAS of Ukraine, 2009. - P. 44.

22. Nanostructures of Au particles on glass prepared by using method of colloidal lithography / O.M. Fesenko, V.I. Styopkin, V.V. Cherepanov, V.R. Lyakhovetskyi, // Clusters and Nanostructured Materials (CNM-2) : International Meeting, 27-30 September 2009 : materials. - Uzhgorod (Ukraine) : NAS of Ukraine, 2009. - P. 61.

23. Preparation of chain nanostructures on dielectric substrates and study of their structure and electrical conductivity / V.V. Cherepanov, V.I. Chorny, R.D. Fedorovich, V.B. Nechytaylo, V.I. Styopkin, L.V. Viduta // Clusters and Nanostructured Materials (CNM-2) : International Meeting, 27-30 September 2009 : materials. - Uzhgorod (Ukraine) : NAS of Ukraine, 2009. - P. 73.

АНОТАЦІЯ

Черепанов В.В. Дослідження надтонких органічних плівок методами зондової мікроскопії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Інститут фізики НАН України, Київ, 2010.

В дисертаційній роботі досліджується структура, електронні і електролюмінесцентні властивості надтонких органічних плівок методами сканувальної тунельної мікроскопії та атомно-силової мікроскопії. Досліджено плівки таких речовин: комплексу тербію та органометалічного композиту на його основі, вуглецевих нанотрубок, n-октанової кислоти, оксифенілнафталіміду.

Вивчено вплив термічного розпаду нанотрубок на їх фотонну та електронну емісію.

Показано, що високовпорядковані хемосорбовані моношари насичених кислот можуть бути отримані на реконструйованій поверхні Au(111).

Експериментально підтверджено ефект однонаправленої провідності молекул оксифенілнафталіміду та їх ланцюгів.

Частину роботи присвячено розвитку самих методів зондової мікроскопії. Зокрема, запропоновано новий спосіб отримання нанозазорів за допомогою зонду атомно-силового мікроскопу.

Ключові слова: сканувальна тунельна мікроскопія, атомно-силова мікроскопія, надтонкі органічні плівки, хемосорбція, нанокомпозит, вуглецеві нанотрубки, молекулярні випрямлячі, електролюмінесценція, нанозазор.

АННОТАЦИЯ

Черепанов В.В. Исследование сверхтонких органических пленок методами зондовой микроскопии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника. - Институт физики Национальной академии наук Украины, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена изучению структуры и физических свойств (главным образом, электронных и электролюминесцентных) сверхтонких органических пленок на поверхности твердого тела. Исследования проводились методами сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) на воздухе и жидкости и атомно-силовой микроскопии (АСМ) на воздухе. Были изучены пленки веществ, перспективных для использования в наноэлектронике, в частности: комплекса тербия Tb(thd)₃ и органометаллических нанокомпозитов на его основе; одностенных углеродных нанотрубок (УНТ) и наночастиц на их основе; n_октановой кислоты СН₃_(СН₂)₆_СООН (далее - ОК) и n_додекантиола С₁₂Н₂₅SН; оксифенилнафталимида (ОФНФ). Локальные электронные свойства пленок изучались методом сканирующей туннельной спектроскопии (СТС). Интегральные характеристики некоторых пленок были исследованы в специально разработанных планарных ячейках. В результате были созданы светоизлучающие наноструктуры на основе УНТ и на основе нанокомпозита, состоящего из комплекса тербия и наноостровков золота.

Целью экспериментов с УНТ было изучение влияния термического разложения УНТ на фотонную эмиссию, возникающую под воздействием электрического тока. Подобраны режимы нанесения нанотрубок с низкой степенью коагуляции (несколько нанотрубок в жгуте). Обнаружено, что при термическом разогреве УНТ происходит их разложение с образованием ансамбля туннельно связанных углеродных наночастиц. Исследования фотонных и электронных характеристик, проведенные в планарных ячейках, показали, что в результате разложения УНТ спектр их излучения существенно отклоняется от Планковского, появляется эмиссия электронов, а ВАХ ячейки становится резко нелинейной. Для объяснения механизма электронной и фотонной эмиссии в пленках углеродных наночастиц использована модель разогрева электронного газа, разработанная ранее для островковых металлических пленок.

СТМ-исследования пленок ОК были направлены на получение стабильных диэлектрических монослоев на поверхности золота. Показано, что монослой ОК на порядок увеличивает сопротивление туннельного контакта. Обнаружено, что в присутствии пленки ОК террасы Au(111) теряют атомную гладкость и покрываются сетью пор глубиной ~ 2,4 Е, представляющих собой вакансии в первом слое подложки Au(111). Пористая структура свидетельствует о химической активности молекул ОК по отношению к подложке (по аналогии с тиолами). Сравнение адсорбции пленок ОК и n-алканов позволило установить, что химическая активность молекул ОК обусловлена карбоксильной группой (-COOH). Обнаружено, что монослои ОК имеют щеточную структуру с упаковкой, соответствующей суперпозиции структур (v3v3)R30° и с(4Ч2). Полученные результаты позволяют рассматривать гомологический ряд нормальных кислот в качестве нового класса веществ для создания высокоупорядоченных хемосорбированных монослоев на поверхности Au(111).

При исследованиях пленок ОФНФ в первую очередь ставилась задача измерения электрической проводимости отдельных молекул и молекулярных цепочек. Интерес к таким исследованиям вызван теоретическими предсказаниями однонаправленной передачи возбуждений в молекулах полимеров с системой прогрессивно понижающихся электронных уровней. Такие вещества открывают возможности для создания молекулярных выпрямителей. Исследование электронных свойств пленок ОФНФ проводилось методом СТС, который позволяет измерять проводимость пленки в зоне туннельного контакта, площадь которого близка к размерам отдельных молекул или молекулярных кластеров. В пленках толщиной 2 ч 10 нм были получены резко ассиметричные ВАХ, свидетельствующие об однонаправленной проводимости молекулярных цепочек и отдельных молекул ОФНФ. Эти результаты были подтверждены и дополнены исследованиями интегральной проводимости пленок в планарной ячейке.

Мотивом к исследованию пленок Tb(thd)₃ был поиск новых люминофоров для высокоэффективных электролюминесцентных (ЭЛ) приборов. В этой связи были проведены структурные СТМ-исследования пленок Tb(thd)₃ на поверхности Au(111). Обнаружено, что под влиянием пленки происходит модификация поверхности Au(111) с образованием пористой структуры, что указывает на химический характер взаимодействия молекул Tb(thd)₃ с атомами Au. Установлено, что в монослоях Tb(thd)₃ молекулярные ряды сориентированы вдоль основных кристаллографических направлений грани Au(111) и занимают каждую третью адсорбционную бороздку. Изготовлены планарные нанометровые ЭЛ-ячейки на основе наноостровков Au и молекул Tb(thd)₃.

Часть работы посвящена развитию самих методов зондовой микроскопии. Так, в практику СТМ была впервые введена подложка LaB₆(100), что расширило возможности СТМ при исследованиях адсорбатов с низкой туннельной прозрачностью. Результаты СТМ-исследований самой поверхности LaB₆(100) позволили обнаружить защитное действие жидкости по отношению к нестабильным в атмосфере поверхностям.

Предложен новый способ получения нанозазоров в металлических покрытиях путем силового воздействия АСМ-зонда в контактном режиме АСМ. В пленках палладия толщиной 15 ч 50 нм были изготовлены линейные наноконтакты с шириной зазора от 50 нм для планарных ячеек.

Ключевые слова: сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, сверхтонкие органические пленки, хемосорбция, нанокомпозиты, одностенные углеродные нанотрубки, молекулярные выпрямители, электролюминесценция, нанозазоры.

SUMMARY

Cherepanov V.V. Investigations of ultrathin organic films by means of scanning probe microscopy. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of Candidate of Physical and Mathematical Sciences (equivalent to Philosophy Doctor) on speciality 01.04.04 physical electronics. Institute of Physics, NAS of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis deals with the investigations of structure and electronic/ electroluminescent properties of ultrathin organic films by means of scanning tunneling and atomic force microscopy. A terbium complex and its organometallic nanocomposites, carbon nanotubes, n_octane acid, oxyphenyl-naphthalimide were investigated.

It was shown that thermal dispersion of nanotubes causes the changes of current-induced electron and photon emission.

It has been shown that highly ordered chemisorbed monolayers of saturated organic acids can be obtained on reconstructed Au(111) surface.

Using STS-method the diode-like I(V)-characteristics have been experimentally observed for oxyphenyl-naphthalimide films.

A part of the work is devoted to development of scanning probe microscopy methods. In particular, it has been demonstrated that AFM can be used for fabrication of nanogaps.

Keywords: scanning tunneling microscopy, ultrathin organic films, chemisorption, nanocomposite, carbon nanotubes, molecular rectifiers, electroluminescence, nanogap.

Размещено на Allbest.ru