СЗМ измерения в гловбоксе и измерения локальной проводимости органических (полу)проводников

СЗМ измерения в гловбоксе и измерения локальной проводимости органических (полу)проводников
А. Алексеев¹ and Й. Лоос²,
¹НТ-МДТ, Россия
²Технический университет г. Эйндховен, Нидерланды.

	Рис. 1. СЗМ в гловбоксе.

Некоторые образцы и методы СЗМ чувствительны к уровню влажности и кислорода и требуют наличия контролируемой атмосферы. Различные типы СЗМ могут быть использованы для подобных измерений: высоковакуумный СЗМ (SOLVER-HV-MFM), герметичная ячейка с газом (ИНТЕГРА Лайф) или гловбокс с контролируемой атмосферой и помещенным внутри СЗМ (Рис. 1). Коммерческий гловбокс обычно представляет собой контейнер, заполненный инертным газом, например азотом или аргоном. Уровень воды и кислорода в гловбоксе может быть меньше 1 ppm. Манипуляции внутри гловбокса осуществляются посредством резиновых перчаток, герметично встроенных в корпус. СЗМ измерения в гловбоксе имеют ряд уникальных преимуществ:

• Возможность приготовления образцов внутри гловбокса без контакта с воздухом или перенос образцов в гловбокс в герметичной капсуле
• Легкая замена образцов или кантилеверов без контакта с воздухом
• Можно с легкостью применять внешнее in-situ воздействие во время СЗМ измерений в инертной атмосфере, например деформацию или облучение образца
• Дополнительное оборудование, такое как оптический микроскоп и пр., может быть установлено в гловбоксе без дополнительной конструкторской работы

Пример использования гловбокса в СЗМ измерениях показан на Рис. 2. Образец представляет собой тонкую пленку хлорида магния, нанесенную на кремниевую подложку центрифугой, помещенной в тот же гловбокс. Левое изображение на Рис. 2 показывает поверхность пленки сразу после ее нанесения. Правое изображение демонстрирует поверхность той же пленки после краткосрочного контакта с воздухом.

Рис. 2. Изменения морфологии пленки хлорида магния после контакта с воздухом: левое изображение получено сразу после нанесения пленки в гловбоксе; правое изображение получено после контакта пленки с воздухом.

Локальные измерения электрических свойств органических проводников и полупроводников актуальны в настоящее время в связи с появлением на рынке органической электроники. Многие современные полимерные полупроводники быстро окисляются на воздухе. Измерения локальной проводимости таких материалов с помощью проводящих кантилеверов в нормальных условиях также способствует их окислению. СЗМ измерения в гловбоксе помогают значительно уменьшить химические изменения образца и получить воспроизводимые результаты.

	Рис. 3. Схема измерения проводимости активного слоя  органической солнечной батареи.

Результаты, описанные ниже, были получены на смеси двух аморфных полупроводящих полимеров. Оба полимера являются производными полифениленвинилена, один из них имеет дырочную проводимость (MDMO-PPV) и другой является проводником электронов (PCNEPV). Подобная смесь может использоваться как активный слой солнечной батареи. Оба компонента смеси деградируют в нормальных условиях. Полимерная смесь наносилась центрифугой на подложку стекло/ITO (indium tin oxide)/PEDOT:PSS. Для измерения проводимости использовался кантилевер, покрытый пленкой золота. Пленка ITO с проводящим слоем PEDOT:PSS была заземлена и напряжение прикладывалось к игле (Рис. 3).
Морфология полимерной пленки показана на Рис. 4а: видно, что один полимер образует домены в другом (матрица). Измерения проводимости выполнялись в контактном режиме с проводящим кантилевером. Для этой цели следует использовать мягкие кантилеверы типов CSG10 или CSG01, уменьшающие разрушение поверхности полимера. Бесконтактные кантилеверы типа NSG03 также подходят для измерений в контактном режиме на многих полимерах. Такой тип кантилеверов позволяет контролировать поверхность в полуконтактном режиме после измерения тока, что очень удобно для настройки параметров сканирования.
На Рис. 4b и 4c показано распределение тока на поверхности полимерной пленки. При положительном напряжении на игле распределение тока коррелирует с топографией поверхности (Рис. 4b). Области с большим током соответствуют матрице MDMO-PPV [1]. Распределение тока на матрице практически однородное. Отрицательное напряжение на игле приводит к значительным изменениям токового изображения: домены PCNEPV по-прежнему показывают низкое значение тока, в то время как матрица MDMO-PPV имеет неоднородное распределение тока на поверхности (Рис. 4с). По-видимому, небольшие токовые неоднородности отражают морфологию слоя PEDOT:PSS, который в данном случае является инжектором дырок.

a)		b)
c)

Рис. 4. Топография (а) и две токовые картинки (b и c), полученные при различном напряжении на игле: U=+8V (b) and U=-8V (c). Стрелки показывают одни и те же домены.

Более полную информацию об электрических свойствах поверхности можно получить с помощью I-V измерений в каждой точке скана. Такой массив данных может быть получен и проанализирован стандартным программным обеспечением НТ-МДТ. На Рис. 5 показаны результаты I-V измерений, проведенных на скане, состоящем из 128x128 точек.
Анализ полученного массива данных  выявляет три типа I-V характеристик: один характерный для доменов PCNEPV и два других выявленных на разных участках матрицы MDMO-PPV. При положительных напряжениях на игле I-V кривые, полученные в разных местах матрицы, практически совпадают, но при отрицательном напряжении кривые заметно отличаются. Это отличие проявляется как токовые неоднородности на матрице (Рис. 4с).
Стандартное программное обеспечение также позволяет измерять кривые ток-расстояние (I-z) [1]. Это позволяет анализировать зависимость тока от давления или глубины проникновения иглы в образец.

Рис. 5. I-V измерения в каждой точке скана (128x128 точек). Три типа кривых I-V, выявленных  в полученном массиве данных (вверху), и распределения тока при определенных значениях напряжения (внизу) .

Авторы благодарят Др. М.М. Кутсе (TNO Industrial) и Др. П. Тюне (Eindhoven University of Technology) за помощь в работе.

[1] A. Alexeev, J. Loos, M.M. Koetse, Ultramicroscopy 106 (2006) 191.