الكمية التوصيل المتزامن والخصائص الميكانيكية للمواد القياسات الضوئية العضوية باستخدام AFM

الهدف العام من التجربة التالية هو فهم آليات التوصيلية الكهربية في خلطات بوليمر الفوليرين المنفصلة عن الطور من خلال ارتباط التشكل بالأداء الكهربائي. يعد التشكل والخصائص الكهربائية لخلطات البوليمر عاملين أساسيين يتحكمان في أدائها داخل الخلايا الشمسية العضوية. يتم تحقيق ارتباط التشكل بالأداء الكهربائي للعينات من خلال القياسات المتزامنة للخصائص الميكانيكية والكهربائية للعينة باستخدام مجهر القوة الذرية مع وحدة تحكم محلية الصنع ونظام الحصول على البيانات.

يستخدم هذا لجمع البيانات التي تم حلها مكانيا حول اعتماد المسافة للقوة بين مسبار FM A وسطح العينة ، بالإضافة إلى اعتماد المسافة للتيار بين مسبار A FM والعينة كخطوة ثانية ، وإجراء تحليل تلقائي لمسافة القوة ومنحنيات المسافة الحالية التي تم جمعها في كل نقطة من نقطة المسح. ينتج عن هذا خرائط عالية الدقة للتلامس والصلابة وقوة السحب والتيار. بعد ذلك ، قم بتطبيق نموذج ميكانيكا التلامس التقريبي لتنفيذ تحويل رياضي للتلامس والصلابة والبيانات الحالية من أجل الحصول على معامل يونغ ومقاومة العينة.

تحدد النتائج الطبيعة الكيميائية للمجالات داخل العينة بناء على التوقيع الميكانيكي ، بالإضافة إلى الاختلافات الكمية في توصيل البوليمر الغني والمراحل الغنية التالية للمزيج بناء على قياسات الخواص الميكانيكية والكهربائية المتزامنة. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال تطوير الخلايا الشمسية العضوية ، مثل كفاءة واستقرار تلك الخلايا من خلال فهم تأثيرات مورفولوجيا الطبقة النشطة على الأداء على أداء الخلية المصدر ، وارتباط تكوين وجه الطبقة النشطة بالخصائص الكهربائية. أيضا ، يمكن تطبيق هذه الطريقة على أنظمة أخرى مثل المواد الإلكترونية العضوية والبطاريات.

الميزة الرئيسية لهذه التقنية على طرق رسم خرائط التوصيلية الكهربية الأخرى هي أن عدم اليقين في منطقة تلامس عينة الطرف يتم القضاء عليه تقريبا. هذا يعني أن لديك صورة أوضح بكثير للخصائص البينية. قم بإعداد العينة لاكتساب الإشارة.

ابدأ بعينة من الخلايا الشمسية البوليمرية P three H-T-P-C-B-M بدون قطب علوي. قم بتركيب هذا في حامل عينة مع موصلات كهربائية خارجية لمجهر القوة الذرية. بعد ذلك ، قم بتوصيل حامل العينة بمجهر القوة الذرية التجاري متعدد الأوضاع ، المجهز بوحدة تحكم ذات نطاق نانوي خمسة.

قم بتركيب مسبار موصل في حامل مسبار A FM وقم بتركيب الحامل في المجهر. الآن قم بتوصيل مجموعة المسبار بمكبر صوت تيار خارجي. يتم تجذير إخراج مكبر الصوت الحالي في بطاقة اكتساب رقمية.

فقط المسبار لإجراء اتصال كهربائي بين مسبار A FM والعينة ومصدر جهد A FM. تأكد من توصيل خرج انحراف FM A ، وإشارة القوة ، وإخراج ارتفاع العينة ، وإشارة المسافة ببطاقة اكتساب رقمية. اضبط معدل الاستحواذ على بطاقات الاستحواذ الرقمية على 250،000 عينة في الثانية ووقت الاستحواذ على ثانية واحدة.

بعد ذلك ، قم بتطبيق التحيز المطلوب بين مسبار A FM وعينات قطب الخلايا الشمسية. تمت دراستها عند كل من الموجب ستة فولت وسالب 10 فولت في هذه التجربة. الآن اضبط FM ليعمل في وضع قوة الذروة ، وجمع بيانات التضاريس بنقطة ضبط قوة ذروة تبلغ 30 نانو نيوتن ، وسعة تذبذب دعم تبلغ 300 نانومتر ، وتردد تذبذب دعم يبلغ كيلوهرتز ، ومعدل مسح واحد هرتز ، ودقة خمسة 12 × خمسة 12 بكسل.

يمكن أن يتداخل مستوى الضوضاء على الإشارة الحالية من مسبار FM مع اكتساب الإشارة الجيد. إذا كانت هذه مشكلة ، فجرب مخططات أسلاك مختلفة لتوصيل مضخم التيار لمسبار FM ومصدر الجهد اجمع مسافة القوة ومنحنيات المسافة الحالية بالتزامن مع الحصول على بيانات التضاريس. هنا ، يتم ذلك باستخدام عرض المختبر.

مراقبة Matlab للتجربة. يبدأ تحليل البيانات بقراءة قوة التيار المختوم زمنيا وإشارات المسافة في MATLAB. بالنسبة للإعدادات المستخدمة ، قم بإنشاء منحنيات تيار 2000 لمسافة القوة والمسافة.

بالنسبة لخط المسح الأول ، يكون عدد المنحنيات دالة لتردد تذبذب الدعم ومعدل المسح. يظهر هنا منحنى تمثيلي مع بيانات المسافة القسرية الموضحة باللون الأزرق ، ويتم إعطاء صلابة التلامس بواسطة الزاوية ألفا المحددة في الرسم البياني قيمة قوة السحب. يظهر أيضا الحد الأدنى الأول للقوة أثناء التفاعل من كل منحنى ، ويحدد صلابة التلامس وقوة السحب.

المنحنى الأحمر في الرسم البياني مخصص لبيانات القوة الحالية ، متوسط قيمة التيار عندما يبدأ الدعم في جزء التراجع من تذبذبه حتى ينفصل المسبار عن السطح ويشار إليه باسم التيار الذي تظهر قيمته. لهذه البيانات ، حدد هذا التيار لإكماله كل منحنى. يقوم خط المسح الأول لصلابة التلامس وقوة السحب والخرائط الحالية باستيفاء 2000 نقطة بيانات متباعدة بشكل متساو لكل كمية من هذه الكميات بمقدار 512 نقطة لمطابقة إشارة التضاريس.

كرر هذه الخطوات لكل خط من خطوط الفحص البالغ عددها 512. تظهر أمثلة على الصور الناتجة في الجزء العلوي الأيسر هي نتائج القياس الطبوغرافي. في أعلى اليمين ، قياسات قوة السحب التي تم حلها مكانيا.

يظهر الجزء السفلي الأيسر صلابة التلامس. يوضح الجزء السفلي الأيمن التيار الذي كانت العينة عبارة عن خلية شمسية من البوليمر P three HT PCBM بدون قطب علوي عند سالب 10 فولت ، وحجم الصورة 10 ميكرومتر × 10 ميكرومتر. يمكن التخلص من الارتباطات بين صلابة تلامس قوة السحب والصور الحالية من خلال مراعاة التغيير في منطقة التلامس بين مسبار A FM والسطح.

أثناء التجربة ، استخدم البيانات والمعادلات المعروضة للعثور على E ، معامل Young وتصفيف المقاومة. يتم تعريف المتغيرات في بروتوكول النص الموضح هنا على أنه معامل يونغ المحسوب للعينة الموضحة سابقا. جهد التحيز ناقص 10 فولت.

هناك نوعان من المجالات مع ModuLite الشباب المختلفين واضحين. تظهر تلك الغنية بالبوليمر في المجالات الزرقاء ، والغنية بالامتلاء حمراء داكنة. توفر خرائط المقاومة معلومات عن الاتصال الكهربائي بين طبقات الخلية الشمسية.

فيما يلي معامل الشباب الذي تم حله مكانيا والمقاومة من منطقة مختلفة من نفس العينة. هذه المرة بجهد تحيز يبلغ ستة فولت ، تشير الأسهم البيضاء إلى مناطق ذات مجالات غنية بالكامل. لاحظ أن المقاومة تتحول كدالة لقطبية جهد التحيز.

المناطق بمقاومة منخفضة عندما يكون هناك تحيز سلبي ومقاومة عالية عندما يكون هناك تحيز إيجابي باتباع هذا الإجراء. يمكن إجراء طرق أخرى مثل تحويل الطاقة وقياس كفاءة الخلية الشمسية الكاملة من أجل الإجابة على أسئلة إضافية مثل ربط ارتباط مورفولوجيا الطبقة النشطة في الخلايا الشمسية العضوية بأداء الجهاز.