電荷輸運機制

1、表1幾種電荷輸運機制的能帶示意圖，電流特性公式及電流對溫度、電壓的依賴關系輸運機制能帶示意圖電流特性公式溫度依賴性電壓依賴性文獻直接隧穿noneG1FowlerNordheim隧穿noneG2Schottky發(fā)射效應G3Poole-Frankel 效應G4Hopping 傳導G5SCLC效應noneG6Standard diode方程ln(I)VWdMott-Gurney lawnoneJ1/2 VI-V歐姆傳導None有用sclcq：電子電荷；V：外加電壓；k：波爾茲曼常數(shù)；n：理想因子；Is：飽和電流；Js=Is/Ar：相對介電常數(shù)；0：真空介電常數(shù)；L：陰陽兩極間距離理解薄膜中電荷的輸運

2、機制對于分子電子器件的應用具有重要意義，例如分子二極管、分子晶體管和分子存儲元件等。因此，關于金屬電極薄膜中電荷的輸運機制的研究已成為納米材料研究中倍受關注的熱點課題。電荷在金屬電極-薄膜-金屬電極結構中的輸運機制主要有直接隧穿、FowlerNordheim隧穿、Schottky發(fā)射效應、Poole-Frankel 效應、跳躍傳導（Hopping conduction）及空間電荷限制（SCLC）效應六種，各種輸運機制的能帶示意圖，電流特性公式及電流對溫度、電壓的依賴關系如表1所示。直接隧穿和FowlerNordheim隧穿屬于非共振遂穿，電流大小均和溫度無關，其中直接隧穿適用于小電壓范圍（），

3、電流和電壓呈線性關系；FowlerNordheim隧穿適用于較高電壓范圍（），和呈線性關系。在小電壓范圍，美國耶魯大學ReedG7研究組利用直接隧穿模型研究了飽和烷硫醇自組裝薄膜器件在變溫條件下的電荷輸運機制，并推算出勢壘高度及衰減系數(shù)。清華大學陳培毅教授G8等也對烷基硫醇飽和分子結中的電荷輸運進行了研究，證實了隧穿為飽和分子結中的主要電荷輸運機制。中國科學技術大學王曉平G9研究組研究了自組裝硫醇分子膜輸運特征的壓力依賴性，分析表明自組裝硫醇分子膜輸運特征的壓力依賴性也主要源于電荷在分子膜中的鏈間隧穿過程。在較高電壓范圍，韓國光州科學研究院LeeG10等觀察到飽和烷硫醇自組裝薄膜器件電流輸運機

4、制由直接隧穿轉變?yōu)镕owlerNordheim隧穿,并研究了不同條件下過渡電壓的變化規(guī)律。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所董耀旗G11等基于分柵閃存存儲器的結構，對多晶硅/隧穿氧化層/多晶硅非平面結構的F-N隧穿進行了研究。天津大學胡明教授G12等在研究碳納米管場發(fā)射性能時認為其至少在某一電流密度范圍內(nèi)屬于FowlerNordheim遂穿。直接隧穿和FowlerNordheim隧穿是飽和烷烴自組裝薄膜中最常見的兩種輸運機制，然而對于共軛分子，由于禁帶寬度較小，則有可能是近似共振隧穿機制。Schottky發(fā)射效應是指在一定溫度下, 金屬中部分電子將獲得足夠的能量越過絕緣體的勢壘，此過程又稱為熱電

5、子發(fā)射，由電流特性公式可知和、和均呈線性關系。美國匹茲堡大學PerelloG13等研究碳納米管器件時觀察到Schottky發(fā)射效應并推算出Schottky勢壘。北京工業(yè)大學聶祚仁G14研究組也通過Schottky發(fā)射效應分析研究了納米復合W-La2O3材料的I-V曲線并計算了材料的有效逸出功。如果介質(zhì)層包含有非理想性結構, 如不純原子導致的缺陷, 那么這些缺陷將扮演電子陷阱的作用, 誘陷電子的場加強熱激發(fā)將產(chǎn)生電流，此即為Poole-Frankel 效應。電流對溫度和電壓的關系為和。西安電子科技大學汪家友教授G15等在研究a-C：F薄膜電學性能時觀察到薄膜在高場區(qū)符合Poole-Frankel

6、機制。如果介質(zhì)層缺陷密度很大, 電子的輸運將由跳躍傳導控制，此時，電流和電壓呈線性關系且。美國耶魯大學周崇武G16等研究Au/Ti/4-thioacetylbiphenyl/Au分子結時觀察到，在負偏壓且偏壓較小時即屬于跳躍傳導機制。新加坡國立大學NijhuisG17等在研究AgTSSC11Fc2/Ga2O3/EGaIn分子結時也觀察到跳躍傳導機制。在自組裝薄膜中跳躍傳導相對于隧穿機制來說觀察到的頻率較低，因為目前所研究的分子中長度很少有超過2納米的?？臻g電荷限制效應是指注入具有一定絕緣性電介質(zhì)中的電子將形成一定的分布，通過這一介質(zhì)的電流與介質(zhì)的電導率無關， 只是由介質(zhì)中出現(xiàn)的空間電荷決定,

7、故稱為空間電荷限制電流效應。由電流特性公式可知空間電荷限制效應中電流和溫度無關。理想條件下，電流對電壓依賴關系中電壓上的指數(shù)是2；在非理想條件下則是一個大于或等于1的數(shù)，表中用n表示。清華大學彭曉峰G18 研究組利用空間電荷限制效應解釋了KTa0.65Nb0.35O3/SiO2（100）薄膜在高電場強度下的電學性能。哈爾濱理工大學雷清泉院士G19研究組研究聚酞亞胺薄膜高場電導特性時，根據(jù)空間電荷限制電流與溫度的關系,求出了聚酞亞胺薄膜的陷阱能級。影響金屬電極-薄膜-金屬電極結構中電荷輸運機制的因素較多,目前尚沒有一個統(tǒng)一的模型來很好地解釋這一輸運過程?，F(xiàn)有研究多根據(jù)薄膜I-V曲線不同的階段的特

8、征應用這些理論模型進行分段模擬，得到勢壘高度、衰減系數(shù)等參數(shù)，然而不同的小組甚至同一小組多次測量會得到不同的結論。對于這些報道的差異性，究其原因，一方面是技術上不夠成熟，如分子與電極間接觸不良、電極間的距離不合適、電極間的分子數(shù)目很難控制等；另一方面是由于人們對分子特性及電荷輸運機制認識不夠，不能很好地指導實驗G20。因此科研工作人員進一步推理、發(fā)展這些理論模型就顯得尤為重要。這些理論模型可為科研工作人員探索分子器件的工作原理、尋找不同功能的分子材料及設計不同功能的分子器件提供指導，更好地促進分子電子學的發(fā)展。ReferencesG1 T. Lee, W. Y. Wang, M. A. Ree

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