Дослідження надтонких органічних плівок методами зондової мікроскопії - Автореферат

Дослідження здійснювались методами сканувальної зондової мікроскопії (СЗМ) - сканувальною тунельною мікроскопією і спектроскопією (СТМ і СТС) та атомно-силовою мікроскопією (АСМ). При цьому на властивості ОП починають суттєво впливати нанорозмірні ефекти, явища епітаксіального росту і самоорганізації (самоскладання) молекул у плівках. Обєктами досліджень були плівки речовин, перспективних для створення: органічних електролюмінесцентних (ЕЛ) приладів на основі комплексів тербію; СВП на основі вуглецевих нанотрубок та наночастинок; молекулярних випрямлячів на основі полімерів із прогресивно спадаючими електронними енергетичними рівнями вздовж макромолекули; стабільних діелектричних моношарів на поверхні Au(111). До таких можна віднести: дослідження впливу хімічної функціоналізації органічних молекул на їх взаємодію з підкладкою Au; дослідження, спрямовані на зясування механізмів світіння у вуглецевих нанотрубках (ВНТ); зясування механізму захисної дії рідинного середовища на нестабільні (в атмосферних умовах) підкладки. Тематика дисертаційної роботи повязана з основними науковими напрямами діяльності Інституту фізики НАНУ, науковими програмами та темами НАНУ і міжнародного співробітництва: “Дослідження процесів перенесення заряду і люмінесценції в системах металічних нанокластерів, сполучених функціональними молекулярними містками” (тема Ф7/255-2001, 2001-2005 рр., держреєстраційний (д/р) № 0101U006809); „Дослідження квантоворозмірних явищ у наноструктурах на основі металів, напівпровідникових і органічних сполук” (тема ВЦ/85-26, 2002-2006 рр., д/р № 0102U006971); „Методи формування та фізичні дослідження органічних молекулярних структур і композитів для наноелектроніки, оптоелектроніки і сенсорики” (тема М/230-2004, 2004-2005 рр., д/р № 0104U009843); „Дослідження впливу розмірного та діелектричного обмеження на люмінесцентні та нелінійно-оптичні властивості напівпровідникових квантових крапок і квантових ниток, введених у власні порожнини пористих матеріалів” (тема М229-2004, 2006 р., д/р № 0207U000065); “Нанофізика квантоворозмірних та низьковимірних структур, у тому числі на поверхні твердого тіла, в металоорганічних, полімерних та рідкокристалічних системах, молекулярна наноелектроніка” (тема ВЦ-138, 2007-2011 рр., д/р № 0107U002165); “Фізичні процеси в наноструктурах на поверхні твердих тіл” (тема В-130, 2007-2011 рр., д/р № 0107U002166); “Дослідження закономірностей самоскладання та електронних характеристик плівкових органічних та композитних наноструктур для розробки фізичних основ створення і функціонування молекулярно-електронних схем” (тема М/196-2007, 2007-2008 рр., д/р № 0209U001980); “Оптичні властивості металічних нанокластерів, впроваджених в органічні матриці” (тема РФФД/2-08-26, 2008-2009 рр., д/р № 0108U004831).Для забезпечення неруйнівного режиму проводилась оптимізація параметрів вимірювання, а саме: підбиралась швидкість сканування, знаходився оптимальний режим роботи АСМ; мінімізувалась притискна сила зонду (в контактному режимі); підбирались оптимальні струм і напруга тунельного зазору в СТМ, а також параметри регулювання зворотного звязку. При дослідженнях плівка (кластери, молекули, наноострівці) розміщуються в електричному полі між двома контактами, розділеними субмікронним зазором. В якості підкладки було використане скло, твердість якого значно перевищує твердість матеріалу плівки. У процесі пошуку оптимальної для препарування плівки було проведено експерименти з плівками Au, Au/Cr, Pd. Отримано такі результати: · Виявлено, що плівки Pd забезпечують найбільш досконалу форму канавки (форма країв максимально наближена до прямолінійної, відсутність напливів).У дисертації за допомогою сканувальних зондових методів було досліджено структуру та деякі фізичні властивості плівок ряду органічних речовин та органометалічних композитів. Встановлено, що молекули n-октанової кислоти формують на поверхні Au(111) стабільні високовпорядковані моношари із пакуванням, що відповідає суперпозиції структур (v3?v3)R30° і с(4?2). Це дозволяє розглядати гомологічний ряд насичених органічних кислот в якості нового перспективного класу речовин для створення буферних діелектричних шарів на поверхні золота. На основі порівняльного аналізу структур плівок насичених n-кислот та n-алканів на реконструйованій поверхні Au(111) виявлено хімічну активність карбоксильних груп (-COOH) відносно атомів підкладки. Виявлено, що молекули Tb(thd)3 формують на поверхні Au(111) впорядковані епітаксіальні моношари, в яких молекулярні ряди зорієнтовані вздовж основних кристалографічних напрямів грані Au(111) та займають кожну третю адсорбційну борозенку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації за допомогою сканувальних зондових методів було досліджено структуру та деякі фізичні властивості плівок ряду органічних речовин та органометалічних композитів. Під час виконання роботи було розширено методичні можливості самих зондових методів. На основі отриманих результатів сформульовано такі висновки: 1. Встановлено, що молекули n-октанової кислоти формують на поверхні Au(111) стабільні високовпорядковані моношари із пакуванням, що відповідає суперпозиції структур (v3?v3)R30° і с(4?2). Це дозволяє розглядати гомологічний ряд насичених органічних кислот в якості нового перспективного класу речовин для створення буферних діелектричних шарів на поверхні золота.

2. На основі порівняльного аналізу структур плівок насичених n-кислот та n-алканів на реконструйованій поверхні Au(111) виявлено хімічну активність карбоксильних груп (-COOH) відносно атомів підкладки.

3. Виявлено, що молекули Tb(thd)3 формують на поверхні Au(111) впорядковані епітаксіальні моношари, в яких молекулярні ряди зорієнтовані вздовж основних кристалографічних напрямів грані Au(111) та займають кожну третю адсорбційну борозенку.

4. На прикладі плівок Pd розроблено і реалізовано спосіб отримання нанозазорів з шириною від 50 нм, що дозволило виготовити планарні світловипромінювальні наноструктури та дослідити їх властивості.

5. Показано, що при термічному розпаді вуглецевих нанотрубок утворюються наночастинки. При пропусканні електричного струму через ансамбль таких наночастинок спостерігається електронна емісія, яка супроводжується появою особливостей у спектрах світіння в порівнянні із спектрами первинних нанотрубок. Механізм електронної і фотонної емісії в плівках вуглецевих наночастинок може бути пояснено за допомогою моделі “гарячих” електронів.

6. У практику СТМ введено нову підладку LAB6(100), яка має низьку роботу виходу і завдяки цьому розширює можливості застосування методу СТМ для візуалізації молекул з низькою провідністю. На її прикладі знайдено спосіб захисту нестабільних (в атмосфері) поверхонь шляхом створення рідинного середовища (рідкі n-алкани). Це розширило можливості методу СТМ при дослідженнях органічних плівок.

7. Експериментально виявлено різко виражену однонаправлену електропровідність окремих молекул і молекулярних ланцюгів у плівках оксифенілнафталіміду. Ефект узгоджується з теорією однонаправленої передачі збуджень вздовж полімерів із поступальним зниженням рівнів.

Статті

1. Исследование пленок Ленгмюра-Блоджетт стеарата и бегената бария на золоте и кремнии методами растровой электронной и сканирующей туннельной микроскопии / В.В. Гончар, А.А. Марченко, А.Г. Наумовец, В.И. Степкин, Д.Т. Таращенко, В.В. Черепанов // Укр. физ. журн. - 1991. - Т. 36, № 1. - С. 108-116.

2. Investigation of ultrathin films of aliphatic compounds obtained by vacuum deposition method on NACL, LAB6 and carbon film / A.Yu. Borovikov, A.A. Marchenko, A.G. Naumovets, G.A. Puchkovskaya, V.I. Styopkin, D.T. Tarashchenko, V.V. Cherepanov // Izv. RAN, Ser. fiz. - 1994. - V. 58. - P. 160-165.

3. An investigation of growth and pyroelectrical properties of thin films of alkali metal stearates obtained by vacuum deposition / A.Yu. Borovikov, V.V. Cherepanov, A.A. Marchenko, A.G. Naumovets, G.A. Puchkovskaya, V.I. Styopkin // Metal/Nonmetal Microsystems: Physics, Technology and Applications, SPIE Proceedings. - 1995. - V. 2780 - P. 276-278.

4. Структура и пироэлектрический эффект в тонких пленках стеаратов щелочных металлов / А.Ю. Боровиков, Л.В. Леваш, А.А. Марченко, А.Г. Наумовец, Г.А. Пучковская, В.Б. Самойлов, В.И. Степкин, Д.Т. Таращенко, В.В. Черепанов // Кристаллография. - 1996. - Т. 41, № 6. - С. 1-6.

5. A low work function substrate for STM studies of objects with poor tunneling transparency: lanthanum hexaboride (100) / A.A. Marchenko, V.V. Cherepanov, D.T. Tarashchenko, Z.I. Kazantseva, A.G. Naumovets // Surface Science. - 1998. - V. 416, № 5. - P. 460-465.

6. Light-emitting diode of planar type based on nanocomposites consisting of island Au film and organic luminofore Tb(thd)3 / D. Chubich, G. Dovbeshko, O. Fesenko, R. Fedorovich, T. Gavrilko, V. Cherepanov, A. Marchenko, A. Naumovets, V. Nechitaylo, G. Puchkovska, L. Viduta, A. Vitukhnovskii // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2008.- V. 497. - P. 186-195.

7. Functional organic structures with neutral and charge electronic excitations transfer for molecular electronics / V.M. Yashchuk, V.Yu. Kudrya, I.O. Savchenko, R.D. Fedorovich, V.V. Cherepanov, O.A. Marchenko, A.G. Naumovets, V.M. Nechitaylo, L.O. Vretik, G.P. Golovach, Z.I. Kazantseva, I.I. Dyoshin // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2008. - V. 496. - P. 39-50.

8. СТМ-дослідження самовпорядкованих плівок n-октанової кислоти на поверхні Au(111) / О.А. Марченко, А.Г. Наумовець, Д.Т. Таращенко, В.В. Черепанов // Укр. фіз. журн. - 2009. - Т. 54, № 1-2. - С. 187-190.

9. Електропровідність і емісійні властивості вуглецевих нанотрубок / Л. Відута, О. Кияєв, А. Марченко, В. Нечитайло, Р. Федорович, В. Чорний, А. Вітухновський, В. Черепанов, Д. Чубич // Укр. фіз. журн. - 2009. - Т. 54, №5. - С. 509-513.

Тези доповідей на наукових конференціях і семінарах

10. Мономолекулярные пленки стеарата бария на золоте и кремнии: вторичноэмиссионные свойства, туннельные характеристики, влияние на работу выхода / В.В. Гончар, А.А. Марченко, Н.А. Мулявко, А.Г. Наумовец, В.И. Степкин, Д.Т. Таращенко, В.В. Черепанов // 21-я всесоюзная конференция по эмиссионной электронике : тезисы докл. - Ленинград, 1990. - С. 112.

11. Structure and pyroelectric effect in vacuum deposited thin films of organic compounds / A.Yu. Borovikov, V.V. Cherepanov, L.V. Levash, A.A. Marchenko, A.G. Naumovets, G.A. Puchkovskaya, V.B. Samoilov, V.I. Styopkin // 5th European Conference on Organic Films (ECOF 5) : 22-24 September 1994 : abstract book. - Smolenice Castle (Slovak Republic), 1994. - P. 94.

12. Molecular ordering of vacuum deposited potassium stearate thin films caused by the scanning tip in STM / A.Yu. Borovikov, V.V. Cherepanov, A.A. Marchenko, A.G. Naumovets, V.I. Styopkin, // 7th International Conference on Organized Molecular Films (LB-7) : 10-15 September 1995 : abstract book. - Numana (Ancona) (Italy), 1995. - P. 66.

13. Structure and vibrational spectra of vacuum deposited thin organic films / A.Yu. Borovikov, T.A. Gavrilko, A.A. Marchenko, A.G. Naumovets, G.A. Puchkovskaya, V.I. Styopkin, V.V. Cherepanov, // 7th International Conference on Organized Molecular Films (LB-7) : 10-15 September 1995 : abstract book. - Numana (Ancona) (Italy), 1995. - P. 95.

14. FT-IR and STM studies of structure and morphology of pyroelectric thin films of alkali metal stearates / A.Yu. Borovikov, V.V. Cherepanov, T.A. Gavrilko, L.V. Levash, A.A. Marchenko, A.G. Naumovets, G.A. Puchkovskaya, V.I. Styopkin // 3rd National Conference on Molecular Spectroscopy : 7-10 December 1995 : abstract book. - Wroclaw (Poland), 1995. - P. L6.

15. Исследование структуры пленок стеаратов щелочных металлов на грани (100) гексаборида лантана методом сканирующей туннельной микроскопии / А.А. Марченко, А.Г. Наумовец, Д.Т. Таращенко, В.В. Черепанов // 4-й украинско-польский семинар по физике f-соединений : 4-5 июня 1996 г. : тезисы докл. - К., 1996. - С. 3.

16. STM of monolayers of long-chain organic molecules on a substrate with low work function: NAST and KST on LAB6(100) / V.V. Cherepanov, A.A. Marchenko, A.G. Naumovets, D.T. Tarashchenko // 16th European Conference on Surface Science (ECOSS-16) : abstract book. - Genova (Italy), 1996. - P. TUAP23.

17. Емісія фотонів і електронів при проходженні струму крізь нанокомпозит: острівцеві плівки Pd-органічний люмінофор / Л.В. Відута, О.Е. Кіяєв, В.Б. Нечитайло, А.Г. Наумовець, В.В. Черепанов, В.І. Чорний, Р.Д. Федорович, О.Г. Вітухновський, Д.А. Чубич // Нанорозмірні системи. Будова - властивості - технології (НАНСИС-2007) : Конференція, 21-23 листопада 2007 р. : тези доп. - К. : НАН України, 2007. - С. 203.

18. Відута Л.В. Електропровідність острівцевих плівок золота нанорозмірної площі / Л.В. Відута, О.Е. Кіяєв, В.В. Черепанов // Нанорозмірні системи. Будова - властивості - технології (НАНСИС-2007) : Конференція, 21-23 листопада 2007 р. : тези доп. - К. : НАН України, 2007. - С. 205.

19. Новые функциональные ?-электрон-содержащие молекулярные структуры и метал-органические композиты на их основе для наноэлектроники, обладающие свойством однонаправленной проводимости нейтральных и заряженных электронных возбуждений / В.Н. Ящук, В.Ю. Кудря, И.А. Савченко, Э.Г. Петров, И.И. Дешин, Р.Д. Федорович, В.Б. Нечитайло, В.В. Черепанов, А.Г. Наумовец, А.Г. Витухновский, Д.А. Чубич // Нанофизика и наноэлектроника : 8-й международный украинско-российский семинар, 7-8 декабря 2007 г. : сборник тезисов. - К. : МОН Украины, 2007. - С. 17-18.

20. Electron transport and electroluminescence in nanocomposites consisting of an island Au film and organic luminofore Tb(thd)3 / D. Chubich, G. Dovbeshko, O. Fesenko, R. Fedorovich, T. Gavrilko, V. Cherepanov, A. Naumovets, G. Puchkovska, L. Viduta, A. Vitukhnovskii // 7th international conference on Electronic processes in organic materials (ICEPOM-5) : 26-30 May 2008 : abstract book. - Lviv (Ukraine) : Naukoviy svit, 2008. - P. 87-88.

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.