Курсовая работа: Органические полупроводники
Высшие растения и зелёные водоросли содержат Х. а и в,
бурые и диатомовые водоросли — а и с, красные водоросли — Х. а
и d. В фотосинтезирующих бактериях присутствуют близкие аналоги Х. —
бактериохлорофиллы. По своему строению Х. близок к др. природным
комплексам порфиринов (с железом) — дыхательным пигментам — цитохромам, красящему
веществу крови — гему, а также простетическим группам некоторых
ферментов — пероксидазы, каталазы.
Название «Х.» было дано французскими химиками П. Пельтье и Ж.
Каванту зелёному спиртовому раствору смеси растительных пигментов в 1817.
Впервые Х. а и в разделил в начале 20 в. русским учёный М. С. Цвет с помощью
разработанного им хроматографического метода. Химическую структуру Х. выяснили
немецкие учёные Р. Вильштеттер, А. Штоль (1913), Х. Фишер (1930—40).
Полный синтез Х. осуществил американский химик Р. Вудворд. Роль Х. в
фотосинтезе доказана классическими работами К.А. Тимирязева. Пути
биосинтеза Х. выяснены в трудах американских учёных Д. Шемина, С. Граника и
др.; большой вклад в изучение Х. внесли советские учёные Т.Н. Годнев и А.А.
Шлык.
Основной путь биосинтеза Х. определяется конденсацией двух
молекул d-аминолевулиновой кислоты с образованием порфобилиногена — производного
пиррола, который в результате ряда ферментативных превращений даёт соединение,
содержащее порфириновое ядро — протопорфирин IX. Из протопорфирина образуется
непосредственный предшественник Х. — протохлорофиллид, уже содержащий атом
магния. Путём последующих реакций восстановления и присоединения фитола из
этого предшественника образуется Х. Стадия восстановления протохлорофиллида
осуществляется у высших растений на свету, у низших растений — в темноте.
В хлоропластах и хроматофорах большая часть Х. (содержание
его обычно составляет 0,5—1,5% на сухую массу) находится в виде светособирающей
«антенны» и меньшая часть — в реакционных центрах, непосредственно участвующих
в работе цепи фотосинтетического переноса электрона. Поглощая квант света,
молекула Х. переходит в возбуждённое состояние (длительность жизни синглетного
возбуждённого состояния около 10-9 сек), которое может
переходить в долгоживущее триплетное возбуждённое состояние с длительностью
жизни до 10-3 сек. Возбуждённые светом молекулы Х. способны
переносить электрон от молекулы-донора к молекуле-акцептору. Механизм этих
реакций в модельных системах выяснен в работах советских учёных А.А.
Красновского, В.Б. Евстигнеева и др. Способность возбуждённого Х. к переносу
электрона обеспечивает функционирование реакционных центров фотосистем цепи
фотосинтетического переноса электрона. Применение спектральной техники и низких
температур показало, что в первичном фотоакте бактериохлорофилл, а возможно, и
Х. активного центра отдают свой электрон молекуле-акцептору (убихинон,
ферредоксин). Этот первичный фотопроцесс сопряжён с цепью энзиматических
реакций, ведущих к образованию восстановленных пиридиннуклеотидов и аденозинтрифосфата,
обеспечивающих работу углеродного цикла. Т. о., свет, поглощённый Х.,
преобразуется в потенциальную химическую энергию органических продуктов
фотосинтеза и молекулярного кислорода. Свет, поглощаемый Х., вызывает в клетках
также др. фотобиологические явления: индуцирует генерацию электрического
потенциала на мембранах хлоропластов, влияет на движение одноклеточных
организмов (фототаксис) и т.д.
Исследованию свойств Х. на разных уровнях молекулярной
организации уделяется большое внимание, т.к. эти свойства тесно связаны с
фундаментальным явлением преобразования энергии света в химическую энергию при
фотосинтезе.
2.3 Электропроводность органических полупроводников
Изучение неорганических и
органических полупроводников показало, что в них возникают
следующие виды зарядоносителей:
а) атомы, которые, потеряв свой
электрон с внешней оболочки, становятся положительно заряженными
частицами и участвуют в переносе положительных
зарядов;
б) освобожденные при этом изменении
электроны, которые становятся
носителями зарядов;
в) ионизированные атомы-акцепторы,
т.е. атомы, захватившие у соседнего атома электрон; они тоже
являются отрицательно заряженными
частицами и участвуют в переносе отрицательных частиц;
г) дырки, образовавшиеся при захвате
у атома валентных электронов; они начинают притягивать электроны от
соседнего атома и становятся своеобразными
носителями положительного электричества.
Значительно больше видов движения
зарядоносителей у органических полупроводников. Здесь их перемещение
представляет собой совмещение сложных
явлений, одно из которых обусловлено «блуждающими» по
молекуле электронами.Так как молекулы различны, то и связи их с электроном
различны.
Электрическое поле, в которое помещен полупроводник, вызывает направленное
движение носителей (дрейф), обусловливающее протекание тока в полупроводнике.
Основным для круга вопросов, связанных с прохождением
электрического тока в полупроводнике, является понятие подвижности носителей m,
определяемое, как отношение средней скорости направленного их движения
(скорости дрейфа), вызванного электрическим полем uд, к
напряжённости Е этого поля:
m = uд/Е (2.1)
Подвижности разных типов носителей в одном и том же полупроводнике
различны, а в анизотропных полупроводниках различны и подвижности каждого типа
носителей для разных направлений поля. Дрейфовая скорость, возникающая в
электрическом поле, добавляется к скорости теплового хаотического движения, не
дающего вклада в ток. Тот факт, что при заданном поле носитель имеет постоянную
дрейфовую скорость uд, а не ускоряется неограниченно, связан с
наличием процессов торможения — рассеяния. В идеальном кристалле даже в
отсутствие поля каждый носитель имел бы определённую и неизменную как по
величине, так и по направлению скорость uд. Однако реальный кристалл
содержит примеси и различные дефекты структуры, сталкиваясь с которыми носитель
каждый раз меняет направление скорости — рассеивается, так что движение его
становится хаотическим. Под действием поля носитель эффективно ускоряется
только до момента очередного столкновения, а затем, рассеиваясь, теряет
направленность своего движения и энергию, после чего ускорение в направлении
поля Е начинается заново до следующего столкновения. Т. о., средняя
скорость его направленного движения набирается только за интервал времени Dt
между 2 последовательными столкновениями (время свободного пробега) и равна:
uд = eEDt/m,
откуда:
m = -еDt/т. (2.2.)
Процессы рассеяния носителей тока разнообразны. Наиболее
общим для всех веществ является рассеяние на колебаниях кристаллической решётки
(фононах), которые вызывают смещения атомов кристалла из их положений
равновесия в решётке и тем самым также нарушают её упорядоченность. Испуская
или поглощая фононы, носитель изменяет свой квазиимпульс, а,
следовательно, и скорость, т. е. рассеивается. Средняя частота столкновений 1/Dt
зависит как от природы кристалла, интенсивности и характера его колебаний и
содержания в нём примесей и дефектов, так и от энергии носителей. Поэтому m
зависит от температуры. При температурах T ~ 300 К определяющим, как
правило, является рассеяние на фононах. Однако с понижением температуры
вероятность этого процесса падает, т.к. уменьшается интенсивность тепловых
колебаний решётки, а, кроме того, малая тепловая энергия самих носителей
позволяет им испускать не любые возможные в данном кристалле фононы, а лишь
небольшую часть из них, имеющих достаточно малые энергии (частоты). В таких
условиях для не очень чистых кристаллов преобладающим становится рассеяние на
заряженных примесях или дефектах, вероятность которого, наоборот, растет с
понижением энергии носителей.
Представления о свободном движении носителей, лишь изредка
прерываемом актами рассеяния, применимы, однако, лишь к полупроводникам с не
слишком малым m (m ³ 1 см2/сек). Для меньшей подвижности
l становится меньше размеров элементарной ячейки кристалла (~10-8
см) и теряет смысл, т.к. само понятие «свободного» движения
носителей в кристалле связано с переходом их из одной ячейки в другую (внутри
каждой ячейки электрон движется, как в атоме или молекуле). Столь малые
значения m характерны для многих химических соединений переходных и
редкоземельных металлов с элементами VI группы периодической системы элементов
и для большинства полупроводников органических. Причиной является,
по-видимому, сильное взаимодействие носителей с локальными деформациями
кристаллической решётки, проявляющееся в том, что носитель, локализованный в какой-либо
элементарной ячейке, сильно взаимодействуя с образующими её и соседние ячейки
атомами, смещает их из тех положений, которые они занимают, когда носителя нет.
Энергия носителя в такой деформированной ячейке (поляроне) оказывается ниже,
чем в соседних недеформированных, и переход его в соседнюю ячейку требует
затраты энергии, которую он может получить от какой-либо тепловой флуктуации.
После перехода покинутая носителем ячейка возвращается в недеформированное
состояние, а деформируется та, в которую он перешёл. Поэтому следующий его
переход в 3-ю ячейку снова потребует энергии активации и т. д. Такой
механизм движения называется прыжковым, в отличие от рассмотренного выше
зонного, связанного со свободным движением носителей в разрешенных зонах и не
требующего затраты энергии на переход из ячейки в ячейку. При прыжковом
механизме не имеют смысла такие представления зонной теории твёрдого тела,
как квазиимпульс, эффективная масса, время и длина свободного пробега, но
понятия средней скорости дрейфа под действием поля и подвижности остаются в
силе.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 |