ИСТИНА

В настоящее время физика новых полупроводников на основе наноразмерных структур и органических соединений претерпевает бурное развитие в связи с возрастающими потребностями в современных наукоемких материалах. Многие разработки в этой области носят междисциплинарный характер. Развитие подходов химического синтеза привело к созданию новых классов оптоэлектронных материалов - квантовых точек (КТ) полупроводников, органических полупроводников и гибридных (органо-неорганических) композитов. Размеры КТ сравнимы с длиной волны де Бройля, и их оптические свойства зависят от размера нанокристаллов. За счет изменения размера и материала КТ варьируют спектр поглощения и люминесценции в широких пределах от ультрафиолета до ИК области, при этом КТ устойчивы к фотодеградации. Благодаря развитию технологии синтеза, характерный разброс по размерам КТ может не превышать 5-10%, чем достигается узкая полоса поглощения и люминесценции. Используя эти физико-химические достоинства КТ, их исследуют в качестве фотоактивных компонентов в люминесцентных слоях и фотоэлектрических устройствах (светоизлучающие диодах и т.п.). Достоинством органических низкомолекулярных соединений (ОНС) со свойствами полупроводников является применимость более гибких подходов к их синтезу, более эффективной очистке после синтеза и простых методов нанесения пленочных покрытий по сравнению с классическими и многих полимерными полупроводниками. В последнее время органические полупроводники активно применяются в разработках зарядо-транспортных и фотопроводящих слоев для оптоэлектронных устройств. Для успешного поиска новых полупроводниковых соединений и разработке функциональных слоев для оптоэлектроники важно установление связи между электрофизическими свойствами, молекулярной и надмолекулярной структурами этих материалов. В этой связи исследование процессов транспорта носителей заряда в наноразмерных слоях КТ и ОНС приобретает особую актуальность для решения фундаментальных и прикладных задач. Целью настоящей работы является исследование закономерностей транспорта носителей заряда в наноразмерных слоях квантовых точек, новых органических низкомолекулярных соединений и их композитов. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи: • Разработка условий формирования наноразмерных слоев из коллоидных растворов квантовых точек (КТ) и органических низкомолекулярных соединений (ОНС) методом центрифугирования. • Изучение спектральных и фотофизических свойств растворов и твердых слоев ОНС и КТ. • Разработка методов замены лигандов на поверхности КТ (как в коллоидном растворе, так и в твердом слое КТ) для повышения эффективности электронного переноса между КТ. • Изучение транспорта носителей заряда в твердых слоях ОНС и КТ в различных режимах электрического тока с помощью метода экстракции носителей заряда при линейном росте напряжения (CELIV), измерений вольт-амперных характеристик (ВАХ). • Создание на основе слоев КТ и ОНС диодных образцов со светоизлучающим и фотовольтаическим свойствами. • Моделирование вольтамперной характеристики фотоэлемента с учетом влияния объемного заряда и инжекции носителей заряда. Научная новизна полученных результатов. Полученные в диссертационной работе результаты являются новыми и оригинальными, включающие следующие научные достижения: - впервые показано повышение электрической проводимости твердого слоя КТ PbS путем замены поверхностного лиганда - молекул олеиновой кислоты на молекулы 1,6-гександитиола, приводящей к уменьшению среднего расстояния и, как следствие, к повышению эффективности переноса электронов между КТ; - найдена экспоненциальная зависимость удельного сопротивления твердого слоя КТ PbS от линейного размера поверхностного диэлектрического лиганда; - впервые создан многослойный фотовольтаический элемент на основе градиента размера фотоактивных КТ PbS в композите с фуллереном и предложена интерпретация фотовольтаического эффекта; - установлено, что в светодиодах на основе КТ CdSe (структура ядро-оболочка) с уменьшением длины лигандов токовая эффективность проявляет тенденцию к снижению из-за возможного повышения вероятности тушения электролюминесценции; - выявлено необратимое повышение подвижности носителей заряда на порядок величины в слоях ОНС тиеноиндола в результате термической обработки образцов; - в слоях нового ОНС флуоренилпорфирината меди (II) эффективная подвижность носителей заряда достигает высокого значения 5,6 10-3 см2В-1с-1, превышая подвижность в тетрафенилпорфиринате меди (II) за счет меньшей энергии реорганизации молекул. - предложено полуэмпирическое выражение для описания ВАХ фотовольтаического тока с учетом эффекта объемного заряда и инжекции носителей заряда. Практическая значимость работы заключается в разработке методов и условий создания оптоэлектронных устройств (светодиод, фотоэлемент) на основе наноразмерных квантовых точек и органических низкомолекулярных соединений. Выявлена закономерная связь между строением и зарядо-транспортными свойствами тонких пленок органических низкомолекулярных соединений. Для анализа экспериментальных ВАХ фотоэлементов построена полуэмпирическая модель с учетом влияния объемного заряда и инжекции носителей заряда. Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена применением набора современных взаимодополняющих экспериментальных методов, согласием полученных экспериментальных данных на различных образцах, а также согласием полученных результатов с известными экспериментальными данными других авторов, выполненных на схожих образцах. Основные положения, выносимые на защиту: - Удельное сопротивление твердых слоев КТ PbS с органическими молекулами в качестве поверхностных лигандов экспоненциально растет с линейной длиной молекулы. - Термическое модифицирования слоев тиеноиндола ТИ644 (90℃ в течение 10 мин.) приводит к возникновению анизотропии проводимости: подвижности электронов и дырок вдоль плоскости слоя увеличивается в 30 и 40 раз, соответственно, а в поперечном направлении - уменьшается в несколько относительно исходных значений. - Эффективная подвижность носителей заряда в слоях нового флуоренилпорфирината меди (II) достигает высокого значения 5,6×10-3 см2В-1с-1 в безловушечном режиме тока. - Сигналы переходного тока в твердых слоях КТ и ОНС толщиной порядка 100 нм имеют характерный максимум, лежащий в диапазоне нескольких десятков микросекунд, что соответствуют прыжковому переносу носителей заряда.