mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2015-4-233-239mateltech-220Research ArticleСТАТЬИARTICLESПОВЕРХНОСТНОЕ ДИПОЛЬНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ СУБМИКРОННЫХ ПЛЕНОК ПОЛИДИФЕНИЛЕНФТАЛИДАSURFACE DIPOLE ORDERING OF SUBMICRON POLYDIPHENYLENEPHTHALIDE FILMSКарамовД. Д.KaramovD. D.

Карамов Данфис Данисович 

ул. Октябрьской революции, д. 3а, Уфа, 450000

karamov_danfis@bk.ruКиселевД. А.KiselevD. A.

Киселев Дмитрий Александрович 

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Dmitry A. Kiselev — Cand. Sci. (Phys.−Math.), Senior Researcher; 

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

dm.kiselev@gmail.comМалинковичМ. Д.MalinkovichM. D.

Малинкович Михаил Давыдович 

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Mikhail D. Malinkovich — Cand. Sci. (Phys.− Math.), Ass. Prof. 

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

malinkovich@yandex.ruКорниловВ. М.KornilovV. M.

Корнилов Виктор Михайлович 

ул. Октябрьской революции, д. 3а, Уфа, 450000

kornilov@anrb.ruЛачиновА. М.LachinovA. N.

Лачинов Алексей Николаевич 

Уфа

lachinov@anrb.ruГадиевР. М.GadievR. M.

Гадиев Радик Мансафович 

ул. Октябрьской революции, д. 3а, Уфа, 450000

gadiev.radik@gmail.comБашкирский государственный педагогический университет им. Акмуллы; ФГБУ Уфимский научный центр РАНРоссияBashkir State Pedagogical University named after M. Akmulla; Ufa Scientific Center of Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»Russian FederationБашкирский государственный педагогический университет им. АкмуллыРоссияBashkir State Pedagogical University named after M. AkmullaRussian FederationБашкирский государственный педагогический университет им. Акмуллы; ФГБУ Уфимский научный центр РАНRussian Federation201513122017184233239Copyright © Карамов Д.Д., Киселев Д.А., Малинкович М.Д., Корнилов В.М., Лачинов А.М., Гадиев Р.М., 20172017Карамов Д.Д., Киселев Д.А., Малинкович М.Д., Корнилов В.М., Лачинов А.М., Гадиев Р.М.Karamov D.D., Kiselev D.A., Malinkovich M.D., Kornilov V.M., Lachinov A.N., Gadiev R.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/220

Рассмотрена проблема поверхностного дипольного упорядочения тонких полимерных слоев в нанометровой области толщин. Экспериментально исследованы субмикронные диэлектрические пленки электроактивного полимера полидифениленфталида, в состав молекул которого входят боковые фталидные группы с относительно большим дипольным моментом. Интерес к данному полимеру вызван аномально высокой проводимостью границы раздела полимер—полимер. Ранее этот эффект связывали с возможным поверхностным упорядочением фталидных групп. Используя методы сканирующей микроскопии пьезоэлектрического отклика, исследована поверхность субмикронных пленок, созданных методом центрифугирования. Обнаружено проявление спонтанной поляризации, указывающей на наличие упорядочения диполей. Для определения объемного и поверхностного вклада в поляризацию пленок, исследованы процессы поляризации и релаксации в образцах разной толщины. Установлено, что при уменьшении толщины возрастает сигнал пьезоэлектрического отклика и электрически формируемые домены приобретают идеальную радиальную форму. Это является подтверждением того, что преобладающий вклад в ориентационные процессы вносят поверхностные слои полимерной пленки. Обнаружено переключение поляризации, проявляющееся в смене контраста сигнала пьезоотклика при приложении поля различной полярности. Наличие таких поверхностных явлений привлечено для объяснения уникальных электронных свойств границ раздела полярных органических диэлектриков.

This paper considers the problem of surface dipole ordering of thin polymer layers with nanometer range thicknesses. We have experimentally studied submicron dielectric films of electrically active polydiphenylenephthalide polymer composed of molecules that included a side phthalide group with a relatively large dipole moment. The interest to this polymer is caused by an abnormally high conductivity at the polymer/polymer interface which was previously associated with possible superficial ordering of the phthalide groups. Using the methods of piezoresponse force microscopy we have explored the surface of submicron films synthesized by centrifugation. We have detected a manifestation of spontaneous polarization indicating the ordering of dipoles. Also, in order to determine the bulk and surface contributions to the polarization of the films we have studied the polarization and relaxation in samples of different thicknesses. With a reduction of the thickness the piezoelectric response of the signal increases and electrically generated domains acquire ideal radial shapes. This confirms that the surface layers of the polymer film make the predominant contribution to orientation processes. Polarization switching occurs in the films, manifested by the change of the piezoelectric response signal contrast when fields of different polarity are applied. We use these surface phenomena to explain the unique electronic properties of the boundaries of polar organic dielectrics.

тонкие пленкиповерхностьполяризацияполидефиниленфталиддипольное упорядочениеthin polymer filmssurfacepolarizationМинистерство образования и науки Российской Федерации (проект № 11.1568.2014/К); 14−02−01224)РФФИ (грантMinistry of Education and Science of the Russian Federation (Project No. 11.1568.2014/K); Russian Federal Property Foundation (Grant No. 14–02–01224).ReferencesBune, A. V. Two−dimensional ferroelectric films / A. V. Bune, V. M. Fridkin, S. Ducharme, L. M. Blinov, S. P. Palto, A. V. Sorokin, S. G. Yudin, A. Zlatkin // Nature. − 1998. − V. 391, N 6670. − P. 874—877.Bune A. V., Fridkin V. M., Ducharme S., Blinov L. M., Palto S. P., Sorokin A. V., Yudin S. G., Zlatkin A. Two−dimensional ferroelectric films. Nature, 1998, vol. 391, no. 6670, pp. 874—877.Fridkin, V. M. Ferroelectricity at the nanoscale / V. M. Fridkin, S. Ducharme // Physics−Uspekhi. − 2014. − V. 57, N 6. − P. 597— 603. DOI: 10.3367/UFNr.0184.201406d.0645Fridkin V. M., Ducharme S. Ferroelectricity at the nanoscale. Physics−Uspekhi, 2014, vol. 57, no. 6, pp. 597—603. DOI: 10.3367/ UFNr.0184.201406d.0645Khan, M. A. High−performance ferroelectric memory based on phase−separated films of polymer blends / M. A. Khan, U. S. Bhansali, M. N. Almadhoun, I. N. Odeh, D. Cha, H. N. Alshareef // Adv. Funct. Mater. − 2014. − V. 24, N 10. − P. 1372—1381.Khan M. A., Bhansali U. S., Almadhoun M. N., Odeh I. N., Cha D., Alshareef H. N. High−performance ferroelectric memory based on phase−separated films of polymer blends. Advanced Functional Materials, 2014, vol. 24, no. 10, pp. 1372—1381.Blinov, L. M. Two−dimensional ferroelectrics / L. M. Blinov, V. M. Fridkin, S. P. Palto, A. V. Bune, P. A. Dowben, S. Ducharme // Physics−Uspekhi. − 2000. − V. 43, N 3. − P. 243—257. DOI: 10.1070/ PU2000v043n03ABEH000639Blinov L. M., Fridkin V. M., Palto S. P., Bune A. V., Dowben P. A., Ducharme S. Two−dimensional ferroelectrics. Physics− Uspekhi, 2000, vol. 43, no. 3, pp. 243—257. DOI: 10.1070/PU2000v043n03ABEH000639Alves, H. Metallic conduction at organic charge−transfer interfaces / H. Alves, A. S. Molinari, H. Xie, A. F. Morpurgo // Nature materials. − 2008. − V. 7, N 7. − P. 574—580. DOI: 10.1038/nmat2205Alves H., Molinari A. S., Xie H., Morpurgo A. F. Metallic conduction at organic charge−transfer interfaces. Nature materials, 2008, vol. 7, no. 7, pp. 574—580. DOI: 10.1038/nmat2205Gadiev, R. M. The conducting polymer/polymer interface / R. M. Gadiev, A. N. Lachinov, R. B. Salikhov, R. G. Rakhmeev, V. M. Kornilov, A. R. Yusupov // Appl. Phys. Lett. − 2011. − V. 98, N 17. − P. 173305−1—173305−3. DOI: 10.1063/1.3584135Gadiev R. M., Lachinov A. N., Salikhov R. B., Rakhmeev R. G., Kornilov V. M., Yusupov A. R. The conducting polymer/polymer interface. Appl. Phys. Lett., 2011, vol. 98, no.17, pp. 173305−1—173305−3. DOI: 10.1063/1.3584135Gadiev, R. M. Effect of dipole ordering on the electrical properties of the interface between two organic insulators / R. M. Gadiev, A. N. Lachinov, A. F. Galiev, L. R. Kalimullina, I. R. Nabiullin // JETP Lett. − 2014. − V. 100, N 4. − P. 251—255. DOI: 10.1134/ S0021364014160061Gadiev R. M., Lachinov A. N., Galiev A. F., Kalimullina L. R., Nabiullin I. R. Effect of dipole ordering on the electrical properties of the interface between two organic insulators. J. Experimental and Theoretical Phys. Lett., 2014, vol. 100, no.4, pp. 251—255. DOI: 10.1134/ S0021364014160061Peter, F. Piezoresponse force microscopy and surface effects of perovskite ferroelectric nanostructures. Reihe Informationstechnik/ Information Technology. Bd. 11 / F. Peter. − Julich : Forschungszentrum Julich GmbH, 2006. − 106 p.Frank Peter. Piezoresponse Force Microscopy and Surface Effects of Perovskite Ferroelectric Nanostructures. Schriften des Forschungszentrums Julich Reihe Informationstechnik, Information Technology Band 11, 2006. 106 p.Bystrov, V. S. Nanoscale polarization patterning of ferroelectric Langmuir–Blodgett P (VDF−TrFE) films / V. S. Bystrov, I. K. Bdikin, D. A. Kiselev, S. Yudin, V. M. Fridkin, A. L. Kholkin // J. Phys. D: Appl. Phys. − 2007. − V. 40, N 15. − P. 4571—4577. DOI: 10.1088/0022-3727/40/15/030.Bystrov V. S., Bdikin I. K., Kiselev D. A., Yudin S., Fridkin V. M., Kholkin A. L. Nanoscale polarization patterning of ferroelectric Langmuir—Blodgett P (VDF−TrFE) films. J. Phys. D: Appl. Phys. 2007, vol. 40, no. 15, pp. 4571—4577. DOI: 10.1088/00223727/40/15/030Wu, C. R. Some chemical and electronic structures of the non−conjugated polymer poly (3, 3′−phthalidylidene−4, 4′−biphenylene) / C. R. Wu, A. N. Lachinov, N. Johansson, S. Stafstrom, T. Kugler, J. Rasmusson, W. R. Salaneck // Synthetic Metals. − 1994. − V. 67, N 1. − P. 125—128. DOI:10.1016/0379-6779(94)90024-8Wu C. R., Lachinov A. N., Johansson N., Stafstrom S., Kugler T., Rasmusson J., Salaneck W. R. Some chemical and electronic structures of the non−conjugated polymer poly (3, 3′−phthalidylidene− 4, 4′−biphenylene). Synthetic Metals, 1994, vol. 67, no. 1. pp. 125—128. DOI: 10.1016/0379−6779(94)90024−8Kukhta, A. Polydiphenylenephthalide: Optical Spectroscopy and DFT Calculations. / A. Kukhta, I. Kukhta, S. Salazkin // Mater. Sci. − 2011. − V. 17, N 3. − P. 266—270.Kukhta A., Kukhta I., Salazkin S. Polydiphenylenephthalide: Optical Spectroscopy and DFT Calculations. Materials Science− Medziagotyra. 2011, vol. 17, no. 3, pp. 266—270.Kiselev, D. A. Investigation of the ferroelectric properties and dynamics of nanodomains in LiNbO3 thin films grown on Si (100) substrate by scanning probe microscopy techniques / D. A. Kiselev, R. N. Zhukov, S. V. Ksenich, A. P. Kozlova, A. S. Bykov, M. D. Malinkovich, Yu. N. Parkhomenko // Thin Solid Films. − 2014. − V. 556. − P. 142—145. DOI: 10.1016/j.tsf.2014.01.041Kiselev D. A., Zhukov R. N., Ksenich S. V., Kozlova A. P., Bykov A. S., Malinkovich M. D., Parkhomenko Yu. N. Investigation of the ferroelectric properties and dynamics of nanodomains in LiNbO3 thin films grown on Si (100) substrate by scanning probe microscopy techniques. Thin Solid Films. 2014, vol. 556, pp. 142—145. DOI: 10.1016/j.tsf.2014.01.041Kiselev, D. A. Piezo− and pyroelectric hysteresis in thin unipolar PZT films / D. A. Kiselev, A. L. Kholkin, A. A. Bogomolov, O. N. Sergeeva, E. Y. Kaptelov, I. P. Pronin // Techn. Phys. Lett. − 2008. − V. 34, N 8. − P. 646—649. DOI: 10.1134/S1063785008080063Kiselev D. A., Kholkin A. L., Bogomolov A. A., Sergeeva O. N., Kaptelov E. Y., Pronin I. P. Piezo− and pyroelectric hysteresis in thin unipolar PZT films. Technical Physics Letters. 2008, vol. 34, no. 8, pp. 646—649. DOI: 10.1134/S1063785008080063Kholkin, A. L. Self−polarization effect in Pb(Zr, Ti)O3 thin films / A. L. Kholkin, K. G. Brooks, D. V. Taylor, S. Hiboux, N. Setter // Integrated Ferroelectrics: An International Journal. − 1998. − V. 22, N 1−4. − P. 525—533. DOI: 10.1080/10584589808208071Kholkin A. L., Brooks K. G., Taylor D. V., Hiboux S., Setter N. Self−polarization effect in Pb(Zr, Ti)O3 thin films. Integrated Ferroelectrics: An International Journal. 1998, vol. 22, no. 1−4, pp. 525—533. DOI: 10.1080/10584589808208071Jonscher, A. K. Universal relaxation law / A. K. Jonscher. − London : Chelsea Dielectric Press, 1996. − 415 p. 16. Kornilov, V. M. Electron−microscopic analysis of polymer thin films capable of switching to the conductive state / V. M. Kornilov, A. N. Lachinov // Synthetic metals. − 1992. − V. 53, N 1. − P. 71— 76. DOI: 10.1016/0379-6779(92)90009-8Jonscher A. K. Universal relaxation law. London: Chelsea Dielectric Press, 1996. 415 p.Киселев, Д. А. Инициирование поляризованного состояние в тонких пленках ниобата лития, синтезированных на изолированные кремниевые подложки / Д. А. Киселев, Р. Н. Жуков, А. С. Быков, М. Д. Малинкович, Ю. Н. Пархоменко, Е. А. Выговская // Известия вузов. Материалы электронной техники. − 2012. − № 2. − С. 25—29.Kornilov V. M., Lachinov A. N. Electron−microscopic analysis of polymer thin films capable of switching to the conductive state. Synthetic metals. 1992, vol. 53, no. 1, pp. 71—76. DOI: 10.1016/03796779(92)90009-8Lines, M. E. Principles and application of ferroelectrics and related materials / M. E. Lines, A. M. Glass. − Oxford : Clarendon Press, 1977. − 736 p.Kiselev D. A., Zhukov R. N., Bykov A. S., Malinkovich M. D., Parkhomenko Yu. N., Vygovsksya E. A. Initiation of Polarized State in Lithium Niobate Thin Films Synthesized on Isolated Silicon Substrates. Izvestiya vuzov. Materialy elektronnoi tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2012, no. 2, pp. 25—29.Lines M. E., Glass A. M. Principles and Application of Ferroelectrics and Related Materials. Oxford: Clarendon Press, 1977. 736 p.Lines M. E., Glass A. M. Principles and Application of Ferroelectrics and Related Materials. Oxford: Clarendon Press, 1977. 736 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.