مقالة منهجية

باستخدام النيوترون سبين صدى حل انتشار الرعي للتحقيق في مواد الخلايا الشمسية العضوية

DOI:

10.3791/51129

⸱

يناير 15, 2014

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, 2Department of Chemical and Biological Engineering, The University of Sheffield, 3ISIS Pulsed Neutron and Muon Source Science and Technology Facilities Council, Rutherford Appleton Laboratory

في هذه المقالة

ملخص

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

وقد أحرز تقدم في استخدام تشتت حالات الرعي التي تم حلها في صدى الدوران (SERGIS) بصورة تقنية تشتت النيوترونات من أجل استكشاف مقاييس الطول في العينات غير المنتظمة. وقد تم فحص كريستاليت من [6،6] - فينيل - C61 - بوتير حامض ال بوتير باستخدام تقنية SERGIS والنتائج التي أكدها المجهر البصري والقوة الذرية.

الملخص

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

وقد تم استخدام تقنية تشتت حالات التشتت (SERGIS) التي حلها صدى الدوران للتحقيق في مقاييس الطول المرتبطة بالبلورات غير المنتظمة الشكل. يتم تمرير النيوترونات من خلال منطقتين محددتين جيدا من المجال المغناطيسي; واحد قبل واحد بعد العينة. وتكفي المنطقتان المغنطيسيتان قطبيتين متقابلتين، ويتم ضبطهما بحيث تخضع النيوترونات التي تمر عبر المنطقتين، دون أن تكون مضطربة، لنفس العدد من النتوئات في اتجاهين متعارضين. في هذه الحالة يقال إن السبق النيوتروني في الذراع الثاني "صدى" الأول ، ويتم الحفاظ على الاستقطاب الأصلي للشعاع. إذا تفاعل النيوترون مع عينة وتناثر مرونيا المسار من خلال الذراع الثاني ليست هي نفسها كما الأولى والاستقطاب الأصلي لا يتعافى. إزالة الاستقطاب من شعاع النيوترون هو مسبار حساسة للغاية في زوايا صغيرة جدا (<50 ميكروراد) ولكن لا يزال يسمح كثافة عالية، شعاع متباينة لاستخدامها. ويمكن أن يرتبط الانخفاض في استقطاب الشعاع المنعكس من العينة بالمقارنة مع ذلك من العينة المرجعية ارتباطا مباشرا بالهيكل داخل العينة.

بالمقارنة مع التشتت الملاحظ في قياسات انعكاس النيوترونات، غالبا ما تكون إشارات SERGIS ضعيفة ومن غير المرجح ملاحظتها إذا كانت الهياكل داخل المستوى داخل العينة قيد التحقيق مخففة أو مضطربة أو صغيرة الحجم وتعدد الأضلاع أو أن تباين تشتت النيوترون منخفض. لذلك، من المرجح أن يتم الحصول على نتائج جيدة باستخدام تقنية SERGIS إذا كانت العينة التي يتم قياسها تتكون من أفلام رقيقة على ركيزة مسطحة وتحتوي على ميزات مبعثرة تحتوي على كثافة عالية من الميزات متوسطة الحجم (30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر) والتي تنتشر النيوترونات بقوة أو يتم ترتيب الميزات على شعرية. ميزة تقنية SERGIS هي أنه يمكن استكشاف الهياكل في مستوى العينة.

المقدمة

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

تهدف تقنية SERGIS إلى أن تكون قادرة على تقديم معلومات هيكلية فريدة لا يمكن الوصول إليها باستخدام تقنيات التشتت أو المجهر الأخرى من عينات رقيقة. تقنيات المجهر عادة ما تكون محدودة السطح أو تتطلب تغيير كبير / إعداد العينة لعرض الهياكل الداخلية. تقنيات التشتت التقليدية مثل الانعكاسية يمكن أن توفر معلومات مفصلة عن هياكل العينة المدفونة كدالة للعمق داخل الفيلم رقيقة ولكن لا يمكن التحقيق هيكل في الطائرة من فيلم رقيقة بسهولة. في نهاية المطاف يؤمل أن سيرجيس ستمكن هذا الهيكل الجانبي أن يكون التحقيق حتى عندما دفن داخل عينة رقيقة الفيلم. وتبين النتائج التمثيلية المعروضة هنا أنه من الممكن رصد إشارة سيرجيس من خصائص العينة غير المنتظمة، وأن الإشارة المقاسة يمكن ربطها بمقياس طول مميز مرتبط بالسمات الموجودة في العينة، كما تؤكد ذلك تقنيات الفحص المجهري التقليدية.

تم تطوير تقنيات صدى الدوران غير الميلاستيك من قبل Mezei وآخرون. 1 في السبعينات. ومنذ ذلك الحين تم إثبات تقنية SERGIS (التي هي امتداد لأفكار Mezei وآخرون)بنجاح باستخدام مجموعة متنوعة من العينات مثل صريف الحيود العادية للغاية2-6 وقطرات البوليمر الدائرية غير الرطبة7. وقد وضعت نظرية ديناميكية من قبل بين وزملاء العمل لنموذج التشتت قوية من عينات منتظمة للغاية3-6،8. وقد سلط هذا العمل الضوء على العديد من الجوانب العملية التي ينبغي النظر فيها عند إجراء هذا النوع من القياس وأدى إلى حوار مستمر داخل مجتمع صغير متعدد الجنسيات.

من المرجح أن يتم الحصول على نتائج جيدة من تجارب SERGIS إذا كانت العينة التي يتم قياسها تتكون من فيلم رقيق على ركيزة مسطحة ويحتوي على ميزات مبعثرة مع كثافة عالية من الميزات متوسطة الحجم (30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر) التي تبعثر النيوترونات بقوة ، كما أظهر المؤلفون9. على عكس تقنيات الانعكاسية الراسخة الأخرى التي تحقق في العينة كدالة للعمق ، فإن تقنية SERGIS لديها ميزة أنها يمكن أن تحقق في هياكل في مستوى سطح العينة. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام الصدى الدوراني يزيل شرط التخلص بإحكام من شعاع النيوترون من أجل الحصول على دقة مكانية أو طاقة عالية، وبالتالي يمكن تحقيق مكاسب كبيرة في التدفق. وهذا أمر وثيق الصلة بشكل خاص بهندسات حالات الرعي التي تكون محدودة التدفق بشكل كبير بسبب الحاجة إلى الرفقة القوية للشعاع في اتجاه واحد. ولذلك، ينبغي أن يكون من الممكن، باستخدام أداة أوفسبك، استكشاف مقاييس الطول من 30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر في كل من الهياكل السائبة والسطحية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

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

1. إعداد العينة

  1. تنظيف ركائز السيليكون عن طريق وضع 2 في رقائق السيليكون التي هي 4 مم سميكة في بلازما الأكسجين لمدة 10 دقيقة.
  2. سبينكوت الطبقة الأولى على الركائز
    1. تصفية بولي (3,4-إيثيلين ديوكسيثيوفين): بولي (ستايرنسلفونات) (PEDOT:PSS) من خلال مرشح PTFE 0.45 ميكرومتر (PALL).
    2. استخدام ما يقرب من 0.5 مل لكل عينة لتدور معطف PEDOT: PSS رقيقة الفيلم على اثنين من الركائز النظيفة في 5000 دورة في الدقيقة الغزل لمدة 60 ثانية.
    3. جفف كل ركيزة لمدة 10 دقائق في الفرن عند 70 درجة مئوية.
  3. إعداد حل المزج للطبقة الثانية
    1. حل بعض بولي (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) في الكلوروبنزين بتركيز 50 ملغم/مل.
    2. إعداد حل للPCBM أيضا في الكلوروبنزين بتركيز 50 ملغم /مل.
    3. مزيج من اثنين من الحلول في نسبة 1:0.7 P3HT: PCBM.
    4. تصفية الحل المختلط من خلال مرشح PTFE 0.45 ميكرومتر.
  4. Spincoat الطبقة الثانية عن طريق إيداع ما يقرب من 100 ميكرولتر من P3HT: PCBM الحل على PEDOT: PSS المغلفة الركائز ثم تدور في 2000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية لتشكيل الطبقة الثانية.
  5. اترك عينة واحدة كقالب الزهر وعلة حراريا الأخرى لمدة ساعة واحدة عند 150 درجة مئوية في الفرن. وهذا يؤدي إلى نمو بلورات PCBM كبيرة على سطح الفيلم رقيقة.

2. عينة التوصيف بواسطة المجهر

  1. المجهر البصري
    1. التقط صورة مجهرية بصرية لكلا العينتين باستخدام هدف المجهر 40X على مجهر بصري يعمل في وضع الانعكاس ، والتقاط الصور باستخدام كاميرا CCD.
    2. تسجيل صورة معايرة لعينة من الطول المعروف بنفس التكبير المستخدم للخطوة 2.1.1
    3. حساب حجم البكسل في ميكرون للصور عن طريق تحديد عدد وحدات البكسل لعينة من الحجم المعروف.
    4. استخدم هذا الحجم البكسلي لمعايرة الصور باستخدام أي برنامج مجهري متاح بسهولة. يظهر مثال لصورة مجهرية بصرية معايرة في الشكل 1.
  2. المجهر القوة الذرية
    1. خذ صورة مجهر القوة الذرية (AFM) للعينتين.
    2. تحليل البيانات باستخدام أي مسح متاح بسهولة التحقيق البرمجيات لتوليد خط الأرقام الشخصية مثل تلك المقدمة في الشكل 1.

3. تجربة سيرجيس

  1. حدد عينة مرجعية مناسبة لتوفير الاستقطاب المرجعي P0، مما يتيح تطبيع البيانات المكتسبة من عينة بيانات الاهتمام.
  2. محاذاة نموذج و عينة المرجع
    1. ضع العينات الثلاثة على جدول تحديد المواقع؛ ويمكن ترجمة ذلك عبر شعاع النيوترون بحيث يمكن وضع كل عينة في الشعاع بدوره.
    2. ضع عينة المرجع P0 في الحزمة عن طريق ترجمة جدول العينة.
    3. قم بمحاذاة العينة المرجعية P0 إلى دقة زاوية <0.005 درجة باستخدام أساليب محاذاة الانعكاس القياسية.
    4. ضع عينة الاهتمام في شعاع النيوترون عن طريق ترجمة جدول العينة.
    5. قم بمحاذاة عينة الاهتمام بدقة زاوية <0.005 درجة باستخدام أساليب محاذاة الانعكاس القياسية.
    6. كرر عملية المحاذاة هذه لكافة العينات ذات الأهمية التي سيتم قياسها.
  3. ضبط جهاز SERGIS بحيث يكون في وضع الصدى
    1. قم بإعداد مقياس العاكسة المخصص خارج المواصفات OffSpec في نيوترون ISIS Pulsed ومصدر الميون (أكسفوردشاير ، المملكة المتحدة) لإنتاج أطوال موجية من 2-14 Å. مزيد من التفاصيل عن إعداد المستخدمة يمكن الاطلاع هنا10.
    2. ضبط الجهاز لتحقيق التوازن بين العدد الإجمالي للسبق النيوتروني في كل ذراع من الجهاز عن طريق مسح التيار في جزء من ترتيب حقل الدليل. ويتحقق ذلك عن طريق تحديد قوة وميل الحقول المغناطيسية داخل أذرع ترميز الجهاز ، والتي يتم تعريفها من خلال المسافة بين زعانف دوران RF.
  4. تعيين زاوية حدوث الرعي عن طريق إمالة جدول العينة بحيث شعاع النيوترون هو الحادث على عينة P0 (لهذه التجربة بزاوية 0.3 درجة).
  5. منع شعاع النيوترونات المنقول مباشرة من الوصول إلى الكاشف من أجل منع مشاكل التشبع.
  6. قياس العينات
    1. نقل مرحلة ترجمة العينة بحيث تكون العينة المرجعية مرة أخرى في شعاع النيوترون وقياس كثافة النيوترون المتناثرة كدالة لوضع على كاشف خطي موجه رأسيا للعينة المرجعية. قياس كل من تدور صعودا وتدور أسفل التوجهات عن طريق التقليب تدور من شعاع متناثرة مباشرة قبل المحلل. عادة ما يتم ذلك لمدة ساعة واحدة. وهذا يمكن من تحديد الاستقطاب وكذلك الكثافة المتناثرة لكلا الإعدادين.
    2. ترجمة مرحلة العينة وذلك لقياس أول من عينات من الفائدة، وتسجيل مرة أخرى على حد سواء تدور صعودا وتدور أسفل التوجهات كدالة الموقف باستخدام كاشف scintillator الخطية الموجهة عموديا لفترة حوالي 1 ساعة.
    3. كرر الخطوتين 3-6-1 و3-6-2 إلى أن يتم الحصول على إحصاءات جيدة بما فيه الكفاية لحساب هذا القياس. عادة ما يكون هذا حوالي 8 ساعة / عينة في المجموع.
    4. كرر الخطوات 3.6.1-3.6.3 لأي عينات أخرى تحتاج إلى قياس.
  7. تتكون البيانات التي تم جمعها من كل من الدوران صعودا وهبوطا خرائط كثافة 2D لكل عينة. حساب الاستقطاب لكل بكسل في مجموعات البيانات 2D باستخدام الصيغة
    figure-protocol-1
    حيث P هو الاستقطاب وأناصعودا وأناأسفل هي تدور قياس صعودا وتدور أسفل كثافة على التوالي.
  8. تطبيع مجموعات البيانات المكتسبة للعينات ذات الاهتمام باستخدام بيانات العينة المرجعية P0 التي تم جمعها لإنتاج خريطة كثافة استقطاب طبيعية وفقا للصيغة
    figure-protocol-2
    حيث PNormalized هو الاستقطاب المحدد المحسوبوP Sample هو قيمة الاستقطاب العينة وP0 هو الاستقطاب الذي يقاس باستخدام العينة المرجعية P0.
  9. دمج بيانات SERGIS عبر نطاق مناسب
    1. حدد المنطقة(أي نطاق البكسل في مخطط الاستقطاب الذي تم تسويته) لدمج بيانات SERGIS. وينبغي اختيار هذا المجال لتجنب إغراق إشارة سيرجيس المرغوبة بأي أوجه قصور محتملة في الاستقطاب ناتجة عن عيوب في تكاملات خط الميدان. مساحة Q المتوفرة التي يمكن دمج إشارة SERGIS عبرها تقتصر فعليا على سلسلة من قيم Q المنفصلة في أي تكوين معين لطول الصدى الدوراني ، حيث Q هو متجه نقل الزخم أي التغير في زخم النيوترون بعد التفاعل مع العينة
    2. تقليل البيانات 2D عن طريق دمج الاستقطاب تطبيع للحصول على وظيفة الارتباط SERGIS G(y) التي تم تعريفها سابقا5. يجب أن يتم دمج G(y) بدقة إلى ما لا نهاية على كلا المتجهين Q عموديا على y ، ومع ذلك ، لأسباب تجريبية ، تقتصر منطقة التكامل على كثافة محددة تم اكتشافها فوق أفق العينة.
  10. تعويض عن كثافة طول التشتت المختلفة على أطوال موجية مختلفة عن طريق التعامل مع البيانات بطريقة مماثلة لتدور صدى بيانات تشتت النيوترونات الصغيرة الزاوية عن طريق رسم البيانات في الشكل:
    figure-protocol-3
    حيث λ هو طول صدى الدوران في نانومتر ويمكن حسابه بسهولة باستخدام y = αλ2 ، حيث α هو ثابت يحدد باستخدام ثوابت معايرة لإعداد أداة معينة11.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

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

النتائج التمثيلية من عينات من [6،6] - فينيل - C61 - بوتيريك حامض الميثيل استر (PCBM) وبولي (3 -hexylthiophene - 2،5 - diyl) (P3HT) المقدمة هنا هي ذات أهمية كبيرة بسبب تطبيقها على نطاق واسع كما السائبة المواد تقاطع التريتو في الخلايا الكهروضوئية العضوية12،13. عادة أثناء تصنيع جهاز عضوي ضوئي ، يكون محلول مزيج P3HT:PCBM تدور المدلى بها من محلول مزيج لتشكيل فيلم رقيق على بولي (3،4-Ethylenedioxythiophene):p ول (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) المغلفة الأنود الشفاف (أكسيد القصدير النديوم عادة). ثم يتم المغلفة الفيلم ر...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

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

تظهر بيانات المجهر في الشكل 1 بوضوح أنه قبل أن يتم ثني الفيلم الرقيق P3HT:PCBM مسطح وسلس وبعد التلين الحراري هناك العديد من بلورات PCBM غير المنتظمة الكبيرة الموجودة على السطح ذات الأبعاد الجانبية التي تتراوح بين حوالي 1-10 ميكرومتر. ويعزى ذلك إلى هجرة PCBM نحو السطح العلوي للفيلم والتجميع اللاحق لتشكيل بلورات كبيرة. وينظر إلى إشارة سيرجيس قوية المرتبطة التشتت من بلورات PCBM في عينة معشوق في الشكل 4. إذا تم النظر في البيانات بطريقة مماثلة ل سبين إيكو الصغيرة زاوية النيوترون النيوترونية ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

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

المؤلف روبرت دالغليش هو موظف في مصدر ISIS Pulsed Neutron وMuon Source الذي يستضيف الأداة المستخدمة في هذه التجربة.

شكر وتقدير

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

تم تمويل AJP من قبل منصة EPSRC لتكنولوجيا النانو الناعمة منح EP/E046215/1. وقد دعمت التجارب النيوترونية من قبل STFC عن طريق تخصيص الوقت التجريبي لاستخدام OffSpec (RB 1110285).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

http://www.mantidproject.org/Main_Page< / a>

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
السيليكون 2 في ركائز السيليكون Prolog4 مم مصقول جانب واحد
من الأكسجين بلازمادينرالأكسجين نظام تنظيف البلازما للأكسجين لتنظيف الركائز قبل الطلاء
بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين): بولي (ستايرينسولفونات)أوسيلاPEDOT: طبقة بوليمر موصلة PSS للعينات الكهروضوئية العضوية
0.45 & mu ؛ مرشح م PTFESigma AldrichFiler لإزالة الركام من PEDOT: حلول PSS و P3HT
مذيب كلوروبنزينسيجما ألدريتشل P3HT
Poly (3-hexylthiophene-2،5-diyl)OssilaP3HT - البوليمر المستخدم في الخلايا الكهروضوئية البوليمرية
Spin Coaterنظامالترسيب لصنع أفلام بوليمر رقيقة مسطحة
فرن فراغالموثقفرن ذهابا وإيابا عينات التلدين بعد التحضير
نيكون Eclipse E600 مجهر بصرينيكون
Veeco Dimension 3100 AFMVeecoAFM
نصائح وضع التنصت (~ 275 كيلو هرتز)OlympusAFM
عينات مرجع قرصلقياس SERGIS
Spin Echo خارج المرآوي مقياس الانعكاسOffSpec في مصدر النيوترونات والميون النبضي لداعش (أوكسفوردشاير ، المملكة المتحدة)ينتج نيوترونات نبضية 2-14 & Aring;
كاشف النيوتروناتكاشفالوميض الخطي الموجه عموديا
زعانف الدوران RFأدلة
برنامج معالجة البيانات
نصائح الكوارتز المجال المغناطيسي Offspec خارج المواصفات Mantid

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Mezei, F. Neutron spin echo: A new concept in polarized thermal neutron techniques. Zeitschriftfür Physik A Hadrons Nuclei. 255, 146-160 (1972).
  2. Falus, P., Vorobiev, A., Krist, T. Test of a two-dimensional neutron spin analyzer. Physica B Condens. Matter. Mater. Phys. , 385-386 (2006).
  3. Ashkar, R., et al. Dynamical theory calculations of spin-echo resolved grazing-incidence scattering from a diffraction grating. J. Appl. Crystallogr. 43 (3), 455-465 (2010).
  4. Ashkar, R., et al. Dynamical theory: Application to spin-echo resolved grazing incidence scattering from periodic structures. J. Appl. Phys. 110 (10), (2011).
  5. Pynn, R., Ashkar, R., Stonaha, P., Washington, A.L.,Some recent results using spin echo resolved grazing incidence scattering. SERGIS). hysica B Condens. Matter. Mater. Phys. 406 (12), 2350-2353 (2011).
  6. Ashkar, R., et al. Spin-Echo Resolved Grazing Incidence Scattering (SERGIS) at Pulsed and CW Neutron Sources. J. Phy. Conf. Ser. 251 (1), (2010).
  7. Vorobiev, A., et al. Phase and microphase separation of polymer thin films dewetted from Silicon-A spin-echo resolved grazing incidence neutron scattering study. J. Phys. Chem. B. 115 (19), 5754-5765 (2011).
  8. Major, J., et al. A spin-echo resolved grazing incidence scattering setup for the neutron interrogation of buried nanostructures. Rev. Sci. Instrum. 80 (12), (2009).
  9. Parnell, A. J., Dalgliesh, R. M., Jones, R. A. L., Dunbar, A. D. F. A neutron spin echo resolved grazing incidence scattering study of crystallites in organic photovoltaic thin films. Appl. Phys. Lett. 102, (2013).
  10. Dalgliesh, R. M., Langridge, S., Plomp, J., De Haan, V. O., Van Well, A. A. Offspec, the ISIS spin-echo reflectometer. hysica B Condens. Matter. Mater. Phys. 406 (12), 2346-2349 (2011).
  11. Krouglov, T., de Schepper, I. M., Bouwman, W. G., Rekveldt, M. T. Real-space interpretation of spin-echo small-angle neutron scattering. J. Appl. Crystallogr. 36, 117-124 (2003).
  12. Brady, M. A., Su, G. M., Chabinyc, M. L. Recent progress in the morphology of bulk heterojunctionphotovoltaics. Soft Matter. 7 (23), 11065-11077 (2011).
  13. Huang, Y. -C., et al. Study of the effect of annealing process on the performance of P3HT/PCBM photovoltaic devices using scanning-probe microscopy. Solar Energy Mater. Solar Cells. 93 (6-7), 888-892 (2009).
  14. Parnell, A. J., et al. Depletion of PCBM at the Cathode Interface in P3HT/PCBM Thin Films as Quantified via Neutron Reflectivity Measurements. Adv. Mater. 22 (22), 2444-2447 (2010).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

SERGIS

مقالات ذات صلة