1.4. Полимеры с широкой запрещенной зоной
Влияние магнитного поля, а также магнитного упорядочения электрода-подложки на органическое вещество в настоящее время актуальная проблема [4]. В отдельных специальных случаях неферромагнитный мономер становится ферромагнитным после полимеризации [5]. Однако большинство исследовательских работ по использованию органических полимерных материалов в магнитных устройствах все же относятся к их транспортным свойствам.
Инжекция спин-поляризованных носителей в полимер из магнитной среды изучается в основном для сопряженных полимеров в связи с перспективой управления спиновым транспортом [6]. В этой теоретической работе сделан вывод, что инжекция поляризованных спинов в полимер из магнитной среды возможна, если уровень Ферми ферромагнетика лежит ниже уровня энергии образования биполяронов в полимере. Полярон – это избыточный заряд, который «тащит» за собой еще и механическое возмущение. Бывает энергетически выгодно образование биполяронов, то есть электроны с противоположным спином, образующие поляроны связываются в пары. Если в полимере образовались не имеющие спина биполяроны, то перенос спин-поляризованного заряда не происходит. В [7] инжекция спин-поляризованных носителей (дырок) в сопряженный полимер обнаружена экспериментально при температуре жидкого азота.
Уширением разрешённых зон и исчезновением энергетической щели, обусловленными изменением симметрии решётки, обычно объясняют и металлизацию многих диэлектриков и полупроводников при высоких давлениях.
1.5. Полидифениленфталид (пдф)
Одна из проблем неорганических материалов относительно небольшие времена релаксации спина, в органических же материалах время релаксации спина существенно больше. Небольшая концентрация носителей заряда и их низкая подвижность приводит к малым величинам электрических токов, которыми можно управлять и потому малому относительному изменению сопротивления конечных устройств в магнитном поле.
Эти ограничения связывают с особенностями электронной подсистемы сопряженных органических веществ, наиболее часто используемых для осуществления электронных устройств[8]. Существует большой класс несопряженных полимерных материалов, которые в тонких пленках демонстрируют высокий уровень электропроводности и подвижности носителей заряда, сопоставимые с параметрами хороших неорганических полупроводников[8]. Один из этих представителей полидифениленфталид (ПДФ), с несопряженной системы электронов π – электронов, отличающийся нетипичными для диэлектриков электронными характеристиками. Эта нетипичность проявляется способности изменения проводимости от диэлектрического уровня до металлического под действием различных слабых внешних полей, причин, причем эти явления обратимы.
Полиариленфталид - первый потенциал ионизации составляет около 6эВ, ширина запрещенной зоны – порядка 4,2 эВ и энергия электронного сродства – около 2 эВ, глубина проникновения поверхностного заряда достигает ~ 1 мкм.
В низкопроводящем состоянии полимер представляет собой диэлектрик, в котором имеется заполненная валентная зона, широкая запрещенная зона и пустая зона проводимости. При воздействии небольшого внешнего давления на полимерную пленку создается узкая зона проводимости в середине запрещенной зоны шириной 0,02 эВ [9].
Рис.4. Структурная формула полимера с широкой запрещенной зоной – полидифениленфталида, вид мономерного звена [11]. Большие шарики обозначают – атомы углерода, темно серые шарики обозначают – атомы кислорода, малые серые шарики - атомы водорода.
Особенность полимера – при изменении длины одной их связей такой молекулы до определенного значения может возникнуть второе энергетически устойчивое состояние, которое характеризуется наличием электронных уровней в области прежде запрещенных энергий.
Слоистые гетероструктуры типа металл/полимер/металл с использованием пленок широкозонного полимера класса полиариленфталидов проявляют хорошие магниторезистивные и спин - транспортные свойства. Электропроводностью таких материалов можно управлять, воздействуя на них электрическим полем, давлением, и т.д.
Авторами при исследовании несопряженного полимер полидифениленфталида (ПДФ) в структуре металл/пдф/металл был обнаружен переход типа диэлектрик-металл, в котором электропроводность от диэлектрического до металлического уровня значений, под влиянием относительно слабых воздействий (давления, электрического поля, граничные условия и др.).