Электропроводность.

На сегодняшний день нет твердо установившихся представлений о механизмах протекания электрического тока через структуры металл-диэлектрик-металл, где роль диэлектрика играет лэнгмюровская пленка. При заданном напряжении на электродах величина тока резко зависит от толщины мультислоя, материала электродов, температуры окружающей атмосферы и, разумеется, от материала самого мультислоя. В последнем случае существенную роль играет наличие или отсутствие в мультислое молекул с протяженной цепочкой сопряженных связей.

По-видимому, более простым является случай чрезвычайно тонких пленок, толщиной в один или два монослоя (что составляет 25-50 А для жирных кислот). Считается, что доминирующем механизмом протекания тока при температуре от комнатной и ниже является тунеллирование электронов сквозь монослой.

Для туннельного механизма характерно отсутствие зависимости величины тока от температуры и экспоненциальное уменьшение тока с увеличением толщины монослоя; последнюю можно изменять, переходя от низших гомологов жирных кислот (n=14) к более высоким (n=20). Толщина монослоя при этом меняется от 21 до 28 A, а эффективная электропроводность примерно на 5 порядков величины. На величину туннельного тока существенно влияет также наличие пленки окисла на поверхности металла; учет этого влияния необходим при расчете характеристик энергетического барьера для туннелирующих электронов.

Протекание тока последовательно через два монослоя, по-видимому, также обусловлено туннельным механизмом, по крайней мере при низких температурах. При большом числе монослоев начинают играть заметную роль другие процессы. Наиболее вероятным из них является прыжковый механизм переноса электрона. Суть его заключается в следующем. Считается, что на границах монослоев имеется большое число поверхностных энергетических состояний. Поэтому электрон продвигается через мультислой от отрицательного электрода к положительному не с помощью одного сквозного туннельного перехода (что было бы крайне маловероятно уже при числе монослоев, превышающем 3), а отдельными мелкими прыжками (прыжок - это туннеллирование, сопровождаемое термическим возбуждением) через каждый монослой по очереди. В данной модели величина тока экспоненциально падает с увеличением толщины каждого монослоя в отдельности, но с увеличением числа одинаковых монослоев понижается лишь по линейному закону. Этот вывод находится в полном согласии с экспериментом.

Наряду с прыжковой проводимостью заметный вклад в ток могут дать ижектированные носители, связанные с эмиссией электронов из электрода в объем мультислоя через приконтактный потенциальный барьер. Этим механизмом (эмиссией Шотки) можно, по-видимому, объяснить сильное влияние материала контактов на проводимость системы металл - лэнгмюровская пленка - металл. Не исключая также возможность ионизации электрическим полем примесных молекул, находящихся в объеме мультислоя (механизм Пула - Френкеля). Последний эффект может играть доминирующую роль в относительно толстых мультислоях (десятки монослоев)

В мультислоях, образованных молекулами замещённого антрацена, наблюдается резкая анизотропия электропроводности. При одних и тех же значениях напряженности электрического поля проводимость в плоскости мультислоя может на 8 порядков превышать проводимость, измеренную в перпендикулярном направлении. Авторы работы объясняют эту анизотропию специальным типом упаковки молекул соединения в монослое, облегчающем перенос электронов от молекулы к молекуле в плоскости монослоя. Следует, однако, учитывать и возможность проводимости по межслойным поверхностным состояниям. Прохождение тока вдоль монослоя в последнем случае не требует активационных перескоков электронов через относительно широкие барьеры, и величина тока должна быть существенно больше для направления поля в плоскости монослоев.

Введение молекул, обладающих протяженной цепочкой сопряженных связей, в качестве примесей к монослою жироной кислоты приводит увеличению туннельного тока через монослой. Такой эксперимент выполнен в работе c использованием каротиновой кислоты. Молекулы этой кислоты, образно говоря, играют роль тонких "проводников", которые частично "закорачивают" монослой жирной кислоты, поскольку имеют свободный электронный уровень, находящийся ниже уровня энергии электрона в вакууме и облегчающий туннелирование электрона. Фактически молекулы с сопряженными связями снижают высоту потенциального барьера для туннельного перехода. Подобным же образом влияют на проводимость молекулы азокрасителей, сопряженная связь которых ориентирована перпендикулярно плоскости монослоя.