Method Article

الكمية التوصيل المتزامن والخصائص الميكانيكية للمواد القياسات الضوئية العضوية باستخدام AFM

DOI:

10.3791/50293

⸱

January 23rd, 2013

 , 
1Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory, 2Institute for Molecular Engineering, University of Chicago

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

العضوية الضوئية (OPV) المواد غير متجانسة بطبيعتها على مقياس متناهي الصغر. التجانس المواد النانوية OPV يؤثر على أداء الأجهزة الضوئية. في هذه الورقة، ونحن تصف بروتوكول للقياسات الكمية من الخواص الكهربائية والميكانيكية لمواد OPV للقرار نانومتر الفرعية-100.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

العضوية الضوئية (OPV) المواد غير متجانسة بطبيعتها على مقياس متناهي الصغر. التجانس المواد النانوية OPV يؤثر على أداء الأجهزة الضوئية. وهكذا، فهم الاختلافات المكانية في تكوين وكذلك الخصائص الكهربائية للمواد OPV هو أمر بالغ الأهمية للمضي قدما PV التكنولوجيا، 1،2 في هذه الورقة، ونحن تصف بروتوكول للقياسات الكمية من الخواص الكهربائية والميكانيكية لمواد OPV مع الفرعية -100 نانومتر القرار. حاليا، يقوم خصائص القياسات باستخدام المواد المتاحة تجاريا AFM التقنيات المعتمدة على (PeakForce، AFM موصل) توفير المعلومات فقط عموما النوعية. قيم المقاومة وكذلك معامل يونغ تقاس باستخدام طريقتنا على تنميط ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC نظام BM 61 تتوافق بشكل جيد مع البيانات الأدب. وP3HT: مزيج PC BM 61 يفصل على 61 BM-PC الغنية والغنية P3HT domaiNS. الخواص الميكانيكية للالمجالات 61 BM-PC الغنية والغنية P3HT مختلفة، والذي يسمح لإعطاء المجال على سطح الفيلم. الأهم من ذلك، الجمع بين البيانات الميكانيكية والكهربائية يسمح لارتباط بنية المجال على سطح الفيلم مع اختلاف الخصائص الكهربائية من خلال قياس سمك الفيلم.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

جلبت اختراقات الأخيرة في كفاءة تحويل الطاقة (PCE) من الضوئية العضوية (OPV) الخلايا (دفع 10٪ على مستوى الخلية) 3 بالتنسيق مع الامتثال لعمليات التصنيع عالية الإنتاجية وانخفاض تكلفة-4 الضوء على التكنولوجيا باعتبارها OPV ممكن حل لهذا التحدي غير مكلفة لتصنيع واسعة المجال الخلايا الشمسية. مواد غير متجانسة بطبيعتها هي OPV على مقياس متناهي الصغر. ويرتبط ارتباطا وثيقا التجانس المواد النانوية OPV وأداء الأجهزة الضوئية. وهكذا، فهم التجانس في التركيب وكذلك الخصائص الكهربائية للمواد OPV هو أمر بالغ الأهمية للمضي قدما OPV التكنولوجيا. وقد وضعت قوة ذرية المجهر (AFM) كأداة لقياس عالية الدقة من تضاريس سطح منذ عام 1986 .. 5 في أيامنا هذه، وتقنيات لخصائص المواد (معامل يونغ، 6-10 عمل وظيفة، 11 السلوكivity، 12 الميكانيكية الكهربائية، 13-15 الخ) القياسات تجتذب اهتماما متزايدا. في حالة المواد OPV، والارتباط لتكوين المرحلة المحلية والخواص الكهربائية يبشر بالخير لفهم أفضل للكشف عن الأعمال الداخلية للخلايا الشمسية العضوية .. 1، 16-17 AFM التقنيات المعتمدة على قادرة على عالية الدقة مرحلة الإسناد 8 على النحو جيدا كما الكهربائية خصائص رسم الخرائط في المواد البوليمرية. وهكذا، من حيث المبدأ، والارتباط لتكوين البوليمر المرحلة (من خلال القياسات الميكانيكية) 18 والخواص الكهربائية من الممكن استخدام التقنيات المعتمدة على AFM. العديد من التقنيات المعتمدة على AFM لقياس الخواص الميكانيكية والكهربائية للمواد استخدام افتراض ثابت منطقة التماس بين لجنة التحقيق وAFM سطح. هذا الافتراض غالبا ما يفشل، والذي ينتج في ارتباط قوي بين تضاريس سطح والخواص الميكانيكية / الكهربائية. مؤخرا، AFM جديد يستند إلى تقنية لوقدم عالية الإنتاجية قياسات الخواص الميكانيكية (PeakForce) 19. PeakForce TUNA (اختلاف الأسلوب PeakForce) يوفر منبرا للقياسات متزامنة من الخواص الميكانيكية والكهربائية من العينة. ومع ذلك، فإن طريقة TUNA PeakForce تنتج خرائط الملكية الميكانيكية والكهربائية، والتي عادة ما ترتبط بقوة بسبب تقلب عداد المفقودين من خلال الاتصال القياسات. في هذه الورقة، نقدم بروتوكول التجريبية لإزالة الارتباطات المرتبطة بدرجات نصف قطرها اتصال مع الحفاظ على قياسات دقيقة للخصائص الميكانيكية والكهربائية باستخدام AFM. تنفيذ نتائج القياسات الكمية في بروتوكول المقاومة المواد 'ومعامل يونغ.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. إشارة شراء

  1. تثبيت العينة (البوليمر الخلايا الشمسية دون الكاثود (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) في AFM والمتعدد التجارية (Veeco، سانتا باربارا، CA) مجهزة Nanoscope-V تحكم.
  2. تثبيت موصل AFM التحقيق في التحقيق المتعدد حامل AFM.
  3. إنشاء اتصال بين التحقيق الكهربائية AFM، عينة ومصدر الجهد.
  4. خرج مكبر للصوت الطريق الحالي (إشارة الحالي)، المتعدد الناتج انحراف AFM (قوة الإشارة)، المتعدد ارتفاع AFM عينة الإخراج (إشارة عن بعد) في بطاقة اكتساب الرقمية (NI-PCI-6115 دق). الربح على فيمتو DLPCA-200 مكبر للصوت الحالي هو 1 نا / V في عرض النطاق الترددي كيلو هرتز 50.
  5. تطبيق التحيز 6V بين التحقيق وAFM القطب ITO.
  6. تشغيل AFM المتعدد في وضع PeakForceTM جمع إشارة التضاريس: ذروة نقطة قوة مجموعة من 30 NN، والسعة التذبذب الدعم من 300 نانومتر، تردد التذبذب دعم من 2 كيلو هرتز، وهو معدل المسح من 1 هرتز، وresoluti علىعلى حسب من 512 512 بكسل.
  7. جمع الإشارات الواردة في القسم دال من ابفيف / MATLAB التحكم بالتزامن مع اكتساب إشارة تضاريس (ه الخطوة).

2. تحليل البيانات الخطوة 1: توليد قوة السحب لمرة و، وتصلب الاتصال، والخرائط الحالية

  1. قراءة الوقت الحالي ختمها، والقوة والمسافة إشارات إلى MATLAB.
  2. إنشاء قوة 2000 - المسافة، والقوة - المنحنيات الحالية للخط المسح الأول. عدد من المنحنيات هي وظيفة من وتيرة التذبذب دعم سعر الفحص.
  3. من كل قوة - المسافة منحنى، وتحديد الاتصال صلابة وكنزات خارج القوة أثناء انسحاب التحقيق AFM (الشكل 1).
  4. من كل قوة - منحنى الحالية، تحديد متوسط ​​الحالي في حين أن التحقيق AFM على اتصال مع السطح خلال سحب (الشكل 1).
  5. أقحم 2000 تصلب الاتصال متباعدة بشكل متساو، سحب قبالة القوة، ونقاط الحالي نحو 512 نقطة لمباراة resoluنشوئها من إشارة التضاريس. ويتم مسح خط الاتصال الأول لتصلب، سحب قبالة القوة، والخرائط الحالية.
  6. إنشاء الاتصال صلابة، سحب قبالة القوة، والخرائط الحالية بتكرار الخطوات b خلال أوقات 512 ه. وتظهر النتائج في الشكل 2.

3. تحليل البيانات الخطوة 2: القضاء على قطع أثرية في منطقة الاتصال

  1. استخدام المعادلة (1) و (2) للحصول على معامل يونغ (E المادية) والمقاومة (ρ) من المادة في كل نقطة من الفحص: 20
    figure-protocol-1
     F = ADH باستخدام F PULL - 8 ن ن (التصاق بسبب الغضروف المفصلي المياه بين AFM وسطح)، 20 تصلب الاتصال (ك)، والحالية (I) خرائط؛ الجهد التحقيق (V)، وسمك الفيلم (L)، و التصاقالطاقة (W = γ γ + PROBE MATERIA L - γ PROBE - مادة، حيث γ PROBE - الطاقة السطحية للمواد التحقيق، γ MATERIAL - الطاقة سطح مادة العينة، وγ PROBE المادية - الطاقة بينية من مادة العينة والمادية التحقيق) 20

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وصف معامل الشباب والخرائط المقاومة (الشكل 3) النتائج النموذجية الحالية للقياسات أعلاه. تم قياس PC كومة BM 61 في الفولتية (+6 V) سلبية (-10 V) وإيجابية تطبيقها على تحقيق AFM: الخواص الميكانيكية والكهربائية للITO / PEDOT: PSS/P3HT. التحف والتصوير، والمرتبطة التفاعل بين لجنة التحقيق كهرباء AFM وأخذ عينات من، هي مشكلة شائعة لقياس كمية من الخواص الوظيفية باستخدام AFM. تشابه حجم معاملات الرجوعية يونغ قياس الفولتية في مختلف يوضح قوة من بروتوكول القياس المذكورة...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MPN عن امتنانه لبرنامج زمالة المدير للحصول على الدعم المالي. MPN يريد أن أشكر يو تشيه تسينج للمساعدة في تطوير بروتوكول لمعالجة الخلايا الشمسية. تم تنفيذ هذا العمل في مركز للمواد النانومترية الحجم، وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم ومكتب الطاقة الأساسية مرفق العضو علوم بموجب العقد رقم DE-AC02-06CH11357.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
اسم الكاشف / المواد شركة كتالوج رقم تعليقات
الأحبار Plextronics Plexcore PV 1000
ركائز الزجاج ITO المغلفة دلتا للتكنولوجيا، وشركة 25 أوم / متر مربع
30 ميغاهرتز توليفها مولد ظيفة Stanfor بحوث النظم DS345
مكبر للصوت الحالي فيمتو DLPCA-200
المتعدد AFM Veeco، سانتا باربارا، CA مجهزة Nanoscope-V تحكم
دق بطاقة الصكوك الوطنية NI-PCI-6115
المعادن تحقيقات حزب العمال RMNano 12Pt3008
MATLAB البرمجيات ماثووركس
ابفيف البرمجيات الصكوك الوطنية

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Morphology characterization in organic and hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2012).
  2. Dupont, S. R., Oliver, M., Krebs, F. C., Dauskardt, R. H. Interlayer adhesion in roll-to-roll processed flexible inverted polymer solar cells. Sol. Energy. 97, 171-175 (2012).
  3. Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 39). Progress in Photovoltaics. 20 (1), 12-20 (2012).
  4. Krebs, F. C., Gevorgyan, S. A., Alstrup, J. A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture and operational stability studies. Journal of Materials Chemistry. 19 (30), 5442-5451 (2009).
  5. Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters. 56 (9), 930-933 (1986).
  6. Hurley, D. C., Kopycinska-Muller, M., Kos, A. B., Geiss, R. H. Nanoscale elastic-property measurements and mapping using atomic force acoustic microscopy methods. Measurement Science & Technology. 16 (11), 2167-2172 (2005).
  7. Jesse, S., Nikiforov, M. P., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Local thermomechanical characterization of phase transitions using band excitation atomic force acoustic microscopy with heated probe. Applied Physics Letters. 93 (7), (2008).
  8. Nikiforov, M. P., Gam, S., Jesse, S., Composto, R. J., Kalinin, S. V. Morphology Mapping of Phase-Separated Polymer Films Using Nanothermal Analysis. Macromolecules. 43 (16), 6724-6730 (2010).
  9. Nikiforov, M. P., Jesse, S., Morozovska, A. N., Eliseev, E. A., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Probing the temperature dependence of the mechanical properties of polymers at the nanoscale with band excitation thermal scanning probe microscopy. Nanotechnology. 20 (39), (2009).
  10. Rabe, U., Amelio, S., Kopycinska, M., Hirsekorn, S., Kempf, M., Goken, M., Arnold, W. Imaging and measurement of local mechanical material properties by atomic force acoustic microscopy. Surface and Interface Analysis. 33 (2), 65-70 (2002).
  11. Nikiforov, M. P., Zerweck, U., Milde, P., Loppacher, C., Park, T. -H., Uyeda, H. T., Therien, M. J., Eng, L., Bonnell, D. The effect of molecular orientation on the potential of porphyrin-metal contacts. Nano Letters. 8 (1), 110-113 (2008).
  12. Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. High-resolution characterization of defects in oxide thin films. Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).
  13. Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M. Nanoelectromechanics of piezoresponse force microscopy. Physical Review B. 70 (18), (2004).
  14. Kolosov, O., Gruverman, A., Hatano, J., Takahashi, K., Tokumoto, H. Nanoscale Visualization and Control of Ferroelectric Domains by Atomic-Force Microscopy. Physical Review Letters. 74 (21), 4309-4312 (1995).
  15. Nikiforov, M. P., Thompson, G. L., Reukov, V. V., Jesse, S., Guo, S., Rodriguez, B. J., Seal, K., Vertegel, A. A., Kalinin, S. V. Double-Layer Mediated Electromechanical Response of Amyloid Fibrils in Liquid Environment. Acs Nano. 4 (2), 689-698 (2010).
  16. Botiz, I., Darling, S. B. Optoelectronics using block copolymers. Materials Today. 13 (5), 42-51 (2010).
  17. Brabec, C. J., Heeney, M., McCulloch, I., Nelson, J. Influence of blend microstructure on bulk heterojunction organic photovoltaic performance. Chemical Society Reviews. 40 (3), 1185-1199 (2011).
  18. Karagiannidis, P. G., Kassavetis, S., Pitsalidis, C., Logothetidis, S. Thermal annealing effect on the nanomechanical properties and structure of P3HT: PCBM thin films. Thin Solid Films. 519 (12), 4105-4109 (2011).
  19. Sweers, K., vander Werf, K., Bennink, M., Subramaniam, V. Nanomechanical properties of alpha-synuclein amyloid fibrils: a comparative study by nanoindentation, harmonic force microscopy, and Peakforce QNM. Nanoscale Research Letters. 6, (2011).
  20. Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).
  21. Li, H. -C., Rao, K. K., Jeng, J. -Y., Hsiao, Y. -J., Guo, T. -F., Jeng, Y. -R., Wen, T. -C. Nano-scale mechanical properties of polymer/fullerene bulk hetero-junction films and their influence on photovoltaic cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (11), 2976-2980 (2011).
  22. Mueller, C., Goffri, S., Breiby, D. W., Andreasen, J. W., Chanzy, H. D., Janssen, R. A. J., Nielsen, M. M., Radano, C. P., Sirringhaus, H., Smith, P., Stingelin-Stutzmann, N. Tough, semiconducting polyethylene-poly(3-hexylthiophene) diblock copolymers. Advanced Functional Materials. 17 (15), 2674-2679 (2007).
  23. Kuila, B. K., Nandi, A. K. Physical, mechanical, and conductivity properties of poly(3-hexylthiophene)-montmorillonite clay nanocomposites produced by the solvent casting method. Macromolecules. 37 (23), 8577-8584 (2004).
  24. O'Connor, B., Chan, E. P., Chan, C., Conrad, B. R., Richter, L. J., Kline, R. J., Heeney, M., McCulloch, I., Soles, C. L., DeLongchamp, D. M. Correlations between Mechanical and Electrical Properties of Polythiophenes. Acs Nano. 4 (12), 7538-7544 (2010).
  25. Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -Y. Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method. Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).
  26. Kuila, B. K., Nandi, A. K. Structural hierarchy in melt-processed poly(3-hexyl thiophene)-montmorillonite clay nanocomposites: Novel physical, mechanical, optical, and conductivity properties. Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1621-1631 (2006).
  27. Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , In Press (2012).
  28. Kim, J. Y., Frisbie, D. Correlation of Phase Behavior and Charge Transport in Conjugated Polymer/Fullerene Blends. Journal of Physical Chemistry C. 112 (45), 17726-17736 (2008).
  29. Bange, S., Kuksov, A., Neher, D., Vollmer, A., Koch, N., Ludemann, A., Heun, S. The role of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulphonate) as a hole injection layer in a blue-emitting polymer light-emitting diode. Journal of Applied Physics. 104 (10), (2008).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Organic Photovoltaic MaterialsAFM Conductivity MeasurementsMechanical Properties AnalysisConcurrent Electrical MeasurementsAtomic Force MicroscopyPeakForce ModeConductive AFM ProbeYoung s Modulus MappingResistivity MappingPhase Separated Blends

Related Articles