Name: 并行定量的导电性和力学性能测试的有机光伏材料利用原子力显微镜 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-01-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: 了解利用原子力显微镜对有机光伏材料进行并行导电性和力学性能定量测试的方法。该技术可实现亚100纳米分辨率的高精度测量，揭示形貌与电学性能之间的关联机制。

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MPN 感谢主任研究员计划提供的经费支持。MPN 要感谢 Yu-Chih Tseng 在太阳能电池制备方案开发过程中给予的帮助。本工作在纳米级材料中心完成，该中心是美国能源部科学办公室基础能源科学用户设施，项目合同编号为 DE-AC02-06CH11357。

1. 信号采集
<ol class="lalpha">
 <li>将样品（无阴极的聚合物太阳能电池，结构为 ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM）安装至配备 Nanoscope-V 控制器的商用多模式原子力显微镜（Multimode AFM，Veeco，Santa Barbara，CA）中。</li>
 <li>将导电原子力显微镜探针安装至 Multimode AFM 探针 holder 中。</li>
 <li>在原子力显微镜探针、样品与电压源之间建立电连接。</li>
 <li>将电流放大器输出（电流信号）、Multimode AFM 偏转输出（力信号）、Multimode AFM 样品高度输出（距离信号）接入数字采集卡（NI-PCI-6115 DAQ）。Femto DLPCA-200 电流放大器的增益为 1 nA/V，带宽为 50 kHz。</li>
 <li>在原子力显微镜探针与 ITO 电极之间施加 6 V 偏压。</li>
 <li>以 PeakForceTM 模式运行 Multimode AFM，采集形貌信号：设定峰值力为 30 nN，支撑振荡振幅为 300 nm，支撑振荡频率为 2 kHz，扫描速率为 1 Hz，分辨率为 512 × 512 像素。</li>
 <li>通过 LabView/MATLAB 控制，与形貌信号采集（步骤 e）同步采集第 d 节所列信号。</li>
</ol>
2. 数据分析步骤1：生成脱附力、接触刚度和电流图谱
<ol class="lalpha">
 <li>将带有时间戳的电流、力和距离信号读入 MATLAB。</li>
 <li>为第一条扫描线生成 2,000 条力-距离曲线和力-电流曲线。曲线数量取决于支撑振荡频率和扫描速率。</li>
 <li>从每条力-距离曲线中，确定 AFM 探针撤回过程中接触刚度和脱附力（图 1）。</li>
 <li>从每条力-电流曲线中，确定 AFM 探针在撤回过程中与表面接触时的平均电流（图 1）。</li>
 <li>将 2,000 个等间距的接触刚度、脱附力和电流数据点插值为 512 个点，以匹配形貌信号的分辨率。第一条扫描线的接触刚度、脱附力和电流图即完成。</li>
 <li>通过重复步骤 b 至 e 共 512 次，生成接触刚度、脱附力和电流图。结果如 图 2 所示。</li>
</ol>
3. 数据分析步骤2：消除接触面积伪影
<ol class="lalpha">
 <li>使用公式（1）和（2）计算扫描过程中每个点的材料杨氏模量（EMATERIAL）和电阻率（ρ）：20 
 <img alt="力学性能方程、材料强度分析、公式、教育研究用途" fo:content-width="2.853in" fo:src="/files/ftp_upload/50293/50293eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50293/50293eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="公式 1"> 
 其中，FADH = FPULL - 8 nN（AFM探针与表面间水弯月面引起的粘附力）20，结合接触刚度（k）和电流（I）图谱、探针电压（V）、薄膜厚度（L）以及粘附能（w = γPROBE + γMATERIAL - γPROBE-MATERIAL，其中γPROBE为探针材料的表面能，γMATERIAL为样品材料的表面能，γPROBE-MATERIAL为探针材料与样品材料之间的界面能）20。</li>
</ol>

<ol><li>Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphology+characterization+in+organic+and+hybrid+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Morphology characterization in organic and hybrid solar cells.</a> Energy Environ. Sci. , (2012).</li>
<li>Dupont, S. R., Oliver, M., Krebs, F. C., Dauskardt, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interlayer+adhesion+in+roll-to-roll+processed+flexible+inverted+polymer+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Sol.+Energy%22%5BJournal%5D)">Interlayer adhesion in roll-to-roll processed flexible inverted polymer solar cells.</a> Sol. Energy. 97, 171-175 (2012).</li>
<li>Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solar+cell+efficiency+tables+%28version+39%29%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Photovoltaics%22%5BJournal%5D)">Solar cell efficiency tables (version 39).</a> Progress in Photovoltaics. 20 (1), 12-20 (2012).</li>
<li>Krebs, F. C., Gevorgyan, S. A., Alstrup, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+roll-to-roll+process+to+flexible+polymer+solar+cells%3A+model+studies%2C+manufacture+and+operational+stability+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry%22%5BJournal%5D)">A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture and operational stability studies.</a> Journal of Materials Chemistry. 19 (30), 5442-5451 (2009).</li>
<li>Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+Force+Microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Atomic Force Microscope.</a> Physical Review Letters. 56 (9), 930-933 (1986).</li>
<li>Hurley, D. C., Kopycinska-Muller, M., Kos, A. B., Geiss, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+elastic-property+measurements+and+mapping+using+atomic+force+acoustic+microscopy+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Nanoscale elastic-property measurements and mapping using atomic force acoustic microscopy methods.</a> Measurement Science & Technology. 16 (11), 2167-2172 (2005).</li>
<li>Jesse, S., Nikiforov, M. P., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+thermomechanical+characterization+of+phase+transitions+using+band+excitation+atomic+force+acoustic+microscopy+with+heated+probe%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Local thermomechanical characterization of phase transitions using band excitation atomic force acoustic microscopy with heated probe.</a> Applied Physics Letters. 93 (7), (2008).</li>
<li>Nikiforov, M. P., Gam, S., Jesse, S., Composto, R. J., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphology+Mapping+of+Phase-Separated+Polymer+Films+Using+Nanothermal+Analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Morphology Mapping of Phase-Separated Polymer Films Using Nanothermal Analysis.</a> Macromolecules. 43 (16), 6724-6730 (2010).</li>
<li>Nikiforov, M. P., Jesse, S., Morozovska, A. N., Eliseev, E. A., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+the+temperature+dependence+of+the+mechanical+properties+of+polymers+at+the+nanoscale+with+band+excitation+thermal+scanning+probe+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Probing the temperature dependence of the mechanical properties of polymers at the nanoscale with band excitation thermal scanning probe microscopy.</a> Nanotechnology. 20 (39), (2009).</li>
<li>Rabe, U., Amelio, S., Kopycinska, M., Hirsekorn, S., Kempf, M., Goken, M., Arnold, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Imaging+and+measurement+of+local+mechanical+material+properties+by+atomic+force+acoustic+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Surface+and+Interface+Analysis%22%5BJournal%5D)">Imaging and measurement of local mechanical material properties by atomic force acoustic microscopy.</a> Surface and Interface Analysis. 33 (2), 65-70 (2002).</li>
<li>Nikiforov, M. P., Zerweck, U., Milde, P., Loppacher, C., Park, T. -H., Uyeda, H. T., Therien, M. J., Eng, L., Bonnell, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+molecular+orientation+on+the+potential+of+porphyrin-metal+contacts%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">The effect of molecular orientation on the potential of porphyrin-metal contacts.</a> Nano Letters. 8 (1), 110-113 (2008).</li>
<li>Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+characterization+of+defects+in+oxide+thin+films%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">High-resolution characterization of defects in oxide thin films.</a> Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).</li>
<li>Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoelectromechanics+of+piezoresponse+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+B%22%5BJournal%5D)">Nanoelectromechanics of piezoresponse force microscopy.</a> Physical Review B. 70 (18), (2004).</li>
<li>Kolosov, O., Gruverman, A., Hatano, J., Takahashi, K., Tokumoto, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+Visualization+and+Control+of+Ferroelectric+Domains+by+Atomic-Force+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanoscale Visualization and Control of Ferroelectric Domains by Atomic-Force Microscopy.</a> Physical Review Letters. 74 (21), 4309-4312 (1995).</li>
<li>Nikiforov, M. P., Thompson, G. L., Reukov, V. V., Jesse, S., Guo, S., Rodriguez, B. J., Seal, K., Vertegel, A. A., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Double-Layer+Mediated+Electromechanical+Response+of+Amyloid+Fibrils+in+Liquid+Environment%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Double-Layer Mediated Electromechanical Response of Amyloid Fibrils in Liquid Environment.</a> Acs Nano. 4 (2), 689-698 (2010).</li>
<li>Botiz, I., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optoelectronics+using+block+copolymers%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Optoelectronics using block copolymers.</a> Materials Today. 13 (5), 42-51 (2010).</li>
<li>Brabec, C. J., Heeney, M., McCulloch, I., Nelson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+blend+microstructure+on+bulk+heterojunction+organic+photovoltaic+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Influence of blend microstructure on bulk heterojunction organic photovoltaic performance.</a> Chemical Society Reviews. 40 (3), 1185-1199 (2011).</li>
<li>Karagiannidis, P. G., Kassavetis, S., Pitsalidis, C., Logothetidis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+annealing+effect+on+the+nanomechanical+properties+and+structure+of+P3HT%3A+PCBM+thin+films%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Thermal annealing effect on the nanomechanical properties and structure of P3HT: PCBM thin films.</a> Thin Solid Films. 519 (12), 4105-4109 (2011).</li>
<li>Sweers, K., vander Werf, K., Bennink, M., Subramaniam, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanomechanical+properties+of+alpha-synuclein+amyloid+fibrils%3A+a+comparative+study+by+nanoindentation%2C+harmonic+force+microscopy%2C+and+Peakforce+QNM%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale+Research+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanomechanical properties of alpha-synuclein amyloid fibrils: a comparative study by nanoindentation, harmonic force microscopy, and Peakforce QNM.</a> Nanoscale Research Letters. 6, (2011).</li>
<li>Nikiforov, M. P., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+conductive+atomic+force+microscopy+measurements+on+organic+photovoltaic+materials+via+mitigation+of+contact+area+uncertainty%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Photovoltaics%3A+Research+and+Applications%22%5BJournal%5D)">Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).</li>
<li>Li, H. -C., Rao, K. K., Jeng, J. -Y., Hsiao, Y. -J., Guo, T. -F., Jeng, Y. -R., Wen, T. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-scale+mechanical+properties+of+polymer%2Ffullerene+bulk+hetero-junction+films+and+their+influence+on+photovoltaic+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy+Materials+and+Solar+Cells%22%5BJournal%5D)">Nano-scale mechanical properties of polymer/fullerene bulk hetero-junction films and their influence on photovoltaic cells.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (11), 2976-2980 (2011).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tough%2C+semiconducting+polyethylene-poly%283-hexylthiophene%29+diblock+copolymers%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">Tough, semiconducting polyethylene-poly(3-hexylthiophene) diblock copolymers.</a> Advanced Functional Materials. 17 (15), 2674-2679 (2007).</li>
<li>Kuila, B. K., Nandi, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical%2C+mechanical%2C+and+conductivity+properties+of+poly%283-hexylthiophene%29-montmorillonite+clay+nanocomposites+produced+by+the+solvent+casting+method%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Physical, mechanical, and conductivity properties of poly(3-hexylthiophene)-montmorillonite clay nanocomposites produced by the solvent casting method.</a> Macromolecules. 37 (23), 8577-8584 (2004).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlations+between+Mechanical+and+Electrical+Properties+of+Polythiophenes%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Correlations between Mechanical and Electrical Properties of Polythiophenes.</a> Acs Nano. 4 (12), 7538-7544 (2010).</li>
<li>Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+Moduli+of+Organic+Electronic+Materials+by+the+Buckling+Method%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method.</a> Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).</li>
<li>Kuila, B. K., Nandi, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+hierarchy+in+melt-processed+poly%283-hexyl+thiophene%29-montmorillonite+clay+nanocomposites%3A+Novel+physical%2C+mechanical%2C+optical%2C+and+conductivity+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+B%22%5BJournal%5D)">Structural hierarchy in melt-processed poly(3-hexyl thiophene)-montmorillonite clay nanocomposites: Novel physical, mechanical, optical, and conductivity properties.</a> Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1621-1631 (2006).</li>
<li>Nikiforov, M. P., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+conductive+atomic+force+microscopy+measurements+on+organic+photovoltaic+materials+via+mitigation+of+contact+area+uncertainty%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Photovoltaics%3A+Research+and+Applications%22%5BJournal%5D)">Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , In Press (2012).</li>
<li>Kim, J. Y., Frisbie, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlation+of+Phase+Behavior+and+Charge+Transport+in+Conjugated+Polymer%2FFullerene+Blends%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Correlation of Phase Behavior and Charge Transport in Conjugated Polymer/Fullerene Blends.</a> Journal of Physical Chemistry C. 112 (45), 17726-17736 (2008).</li>
<li>Bange, S., Kuksov, A., Neher, D., Vollmer, A., Koch, N., Ludemann, A., Heun, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+poly%283%2C4-ethylenedioxythiophene%29%3Apoly%28styrenesulphonate%29+as+a+hole+injection+layer+in+a+blue-emitting+polymer+light-emitting+diode%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">The role of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulphonate) as a hole injection layer in a blue-emitting polymer light-emitting diode.</a> Journal of Applied Physics. 104 (10), (2008).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

有机光伏（OPV）电池在能量转换效率（PCE）方面近期取得的重大突破（在单电池层面已接近10%）3，结合其与高通量、低成本制造工艺的兼容性4，使OPV技术成为实现大面积太阳能电池低成本制造的一种潜在解决方案，因而受到广泛关注。OPV材料在纳米尺度上本质上具有非均质性。OPV材料的纳米级非均质性与其光伏器件性能密切相关。因此，深入理解OPV材料在组分和电学性质方面的非均质性，对于推动OPV技术的发展至关重要。自1986年以来，原子力显微镜（AFM）已被发展为一种用于高分辨率表面形貌测量的工具5。如今，针对材料性能（如杨氏模量6-10、功函数11、导电性12、机电响应13-15等）的测量技术正受到越来越多的关注。对于OPV材料而言，局部相组分与电学性质之间的关联有望揭示有机太阳能电池内部工作机制的更深层次理解1, 16-17。基于AFM的技术能够实现高分辨率的相识别8以及聚合物材料中电学性质的映射。因此，原则上可通过基于AFM的技术实现聚合物相组分（通过力学测量）18与电学性质之间的关联分析。许多用于测量材料力学与电学性质的AFM技术依赖于AFM探针与样品表面接触面积恒定的假设。然而，这一假设常常不成立，从而导致表面形貌与力学/电学性质之间出现强烈的相关性。最近，一种新型基于AFM的高通量力学性能测量技术（PeakForce）19被提出。PeakForce TUNA（PeakForce方法的一种变体）为同步测量样品的力学与电学性质提供了平台。然而，由于测量过程中接触状态的变化未被充分校正，PeakForce TUNA方法所获得的力学与电学性质图谱通常表现出强烈的相关性。本文中，我们提出一种实验方案，可在保持AFM对力学与电学性质精确测量的同时，消除由接触半径变化引起的相关性。该方案的实施可实现对材料电阻和杨氏模量的定量测量。

<table><tbody><tr><td>Plextronics 墨水</td><td>Plexcore</td><td>PV 1000</td><td></td></tr><tr><td>ITO 涂层玻璃基底</td><td>Delta Technologies, Inc</td><td></td><td>25 欧姆/平方</td></tr><tr><td>30 MHz 合成函数发生器</td><td>Stanfor Research Systems</td><td>DS345</td><td></td></tr><tr><td>电流放大器</td><td>Femto</td><td>DLPCA-200</td><td></td></tr><tr><td>多模式原子力显微镜（AFM）</td><td>Veeco, Santa Barbara, CA</td><td></td><td>配备 Nanoscope-V 控制器</td></tr><tr><td>数据采集卡（DAQ card）</td><td>National Instruments</td><td>NI-PCI-6115</td><td></td></tr><tr><td>金属铂探针</td><td>RMNano</td><td>12Pt3008</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB 软件</td><td>Mathworks</td><td></td><td></td></tr><tr><td>LabView 软件</td><td>National Instruments</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

使用原子力显微镜对有机光伏材料进行同步定量电导率与力学性能测量

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

有机光伏（OPV）材料在纳米尺度上本质上是不均匀的。OPV材料的纳米级不均匀性会影响光伏器件的性能。因此，深入理解OPV材料在组成和电学性质方面的空间变化，对于推动光伏技术的发展至关重要1,2。本文中，我们描述了一种以亚100 nm分辨率对OPV材料的电学和力学性质进行定量测量的实验方案。目前，利用商用原子力显微镜（AFM）技术（如PeakForce、导电AFM）进行的材料性质测量通常仅能提供定性信息。我们所采用的方法在典型的ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM体系上测得的电阻和杨氏模量值，与文献报道的数据高度一致。P3HT:PC61BM共混物会分离形成富含PC61BM和富含P3HT的相区。富含PC61BM和富含P3HT相区的力学性质不同，这使得能够在薄膜表面区分并归因于不同相区。尤为重要的是，结合力学与电学数据，可将薄膜表面的相区结构与贯穿薄膜厚度方向的电学性质变化相关联。

杨氏模量和电阻率图谱（图3）展示了上述测量的典型结果。在施加负电压（-10 V）和正电压（+6 V）至原子力显微镜（AFM）探针的条件下，测量了ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM多层结构的力学和电学性能。由于AFM探针与样品之间的静电相互作用所引起的成像伪影，是利用AFM进行功能特性定量测量时常见的问题。在不同电压下测得的杨氏模量数值相近，表明上述测量方案对静电伪影具有良好的抗干扰能力。材料内部化学组成的差异通常与局部杨氏模量的变化相关。本研究中使用的样品为无上电极的太阳能电池器件。多层结构中的顶层（P3HT:PC61BM）是太阳能电池的活性层，光能在此转化为电能。太阳能电池的性能在很大程度上取决于活性层的形貌和化学组成。
使用原子力显微镜（AFM）测得的接触刚度与电流通常存在相关性（图4），这是由于AFM探针与样品表面之间的接触面积存在变化。这种相关性常常使材料的力学性能（杨氏模量）和电学性能（电阻率）的定量测定变得复杂。上述方案通过直接测量AFM探针与...

有机光伏（OPV）材料在纳米尺度上本质上是不均匀的。OPV材料的纳米级不均匀性会影响光伏器件的性能。本文中，我们描述了一种用于定量测量OPV材料电学和力学性能的实验方案，空间分辨率优于100 nm。

有机光伏（OPV）材料在纳米尺度上本质上具有非均质性。OPV材料的纳米级非均质性影响其性能……

以下实验的总体目标是通过将形貌与电学性能相关联，理解相分离的富勒烯-聚合物共混物中的导电机制。聚合物共混物的形貌和电学性能是决定其在有机太阳能电池中性能表现的两个主要因素。通过使用配备自制控制器和数据采集系统的原子力显微镜，对样品的力学和电学性能进行同步测量，从而实现样品形貌与电学性能之间的关联分析。这用于收集原子力显微镜探针与样品表面之间作用力随距离变化的空间分辨数据，以及探针与样品之间电流随距离变化的空间分辨数据；随后，对扫描每个点采集到的力-距离曲线和电流-距离曲线进行自动分析。由此生成接触力、刚度、脱附力和电流的高分辨率图谱。接下来，应用近似的接触力学模型，对接触力、刚度和电流数据进行数学转换，以获得样品的杨氏模量和电阻。该结果基于力学特征识别样品中各相区的化学性质，并通过同步测量力学和电学性能，定量分析共混物中富聚合物相和富富勒烯相的导电性差异。该方法有助于解答有机太阳能电池领域中的关键问题，例如通过理解活性层形貌对电池性能的影响，揭示此类电池的效率与稳定性问题，以及活性层相组成与电学性能之间的关联。此外，该方法还可应用于其他体系，如有机电子材料和电池。该技术相较于其他导电性成像方法的主要优势在于，几乎完全消除了探针与样品接触面积的不确定性。这意味着您能够更清晰地了解界面特性。准备样品以进行信号采集。取一个未蒸镀顶电极的P3HT:PCBM聚合物太阳能电池样品。将该样品安装到带有外接电极引线的样品台中，用于原子力显微镜检测。接着，将样品台连接至配备NanoScope V控制器的商用多模式原子力显微镜。将导电探针安装到原子力显微镜（AFM）探针 holder 中，并将该 holder 安装到显微镜上。然后将探针组件连接至外部电流放大器。电流放大器的输出端接入数字采集卡。仅需将探针连接至原子力显微镜探针、样品以及原子力显微镜电压源之间，以建立电连接。务必将原子力显微镜偏转输出信号、力信号、样品高度输出信号以及距离信号连接至数字采集卡。将数字采集卡的采样率设置为每秒250,000个样本，采集时间为1秒。接下来，在原子力显微镜探针与太阳能电池电极样品之间施加所需偏压。本实验中研究了正6伏和负10伏两种条件。现在将原子力显微镜设置为峰值力模式运行，以30纳牛的峰值力设定值、300纳米的支撑振荡幅度、2千赫兹的支撑振荡频率、1赫兹的扫描速率以及512×512像素的分辨率，采集形貌数据。来自 A FM 探针的电流信号中的噪声水平可能干扰良好的信号采集。如果存在此问题，可尝试采用不同的布线方案来连接 A FM 探针的电流放大器和电压源。在采集形貌数据的同时，并行采集力-距离曲线和电流-距离曲线。此处使用 LabVIEW 实现该功能。使用Matlab控制实验。数据分析首先将带时间戳的电流、力和距离信号读入MATLAB。根据所用设置，生成2000条力-距离曲线和距离-电

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并行定量的导电性和力学性能测试的有机光伏材料利用原子力显微镜

本文展示了一种利用原子力显微镜（AFM）通过微压痕法表征活细胞力学特性的实验方案。...

利用原子力显微镜测量活细胞的机械特性

在利用自旋回波分辨掠入射散射（SERGIS）作为中子散射技术探测不规则样品中长度尺度方面已取得进展。采用SERGIS技术对[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的微晶进行了探测，并通过光学显微镜和原子力显微镜验证了结果。...

利用中子自旋回声分辨掠入射散射技术研究有机太阳能电池材料

本实验方案描述了如何利用原子力显微镜在真正的纳米尺度上测量硬度，并检测单个原子级的塑性事件。...

通过仪器化原子力显微镜压痕法进行定量硬度测量

本文介绍了用于分析有机电子学应用中有机化合物的电化学、电子顺磁共振以及紫外-可见和近红外光谱电化学方法。...

利用循环伏安法、紫外-可见-近红外光谱和电子顺磁共振光谱电化学分析有机化合物

本文介绍了原子力显微镜（AFM）作为细胞和组织的纳米及微米级压痕工具的应用。该仪器可同时获取样品的三维表面形貌及其力学特性，包括细胞壁的杨氏模量以及膨压。...

利用原子力显微镜测量植物细胞和植物组织的机械特性及膨压

将探针分子共价连接到原子力显微镜（AFM）悬臂尖端是研究其物理性质的关键技术。通过基于AFM的单分子力谱法，可高度可重复地测定聚合物的拉伸力、脱附力及其长度。...

用于基于原子力显微镜的力谱单分子共价连接

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细胞壁生物力学的研究对于理解植物生长和形态发生至关重要。本方案旨在利用原子力显微镜研究幼嫩植物器官内部组织中的薄初生细胞壁。...

利用原子力显微镜表征活体植物器官初生细胞壁的力学特性

量化原子力显微镜（AFM）探针尖端与样品表面之间的接触面积及施加的力，可实现纳米尺度力学性能的测定。本文讨论了在空气或液体环境中，对软质和硬质样品实施基于AFM悬臂梁的纳米压痕技术以测量弹性模量或其他纳米力学性能的最佳实践方法。...

基于原子力显微镜悬臂的纳米压痕技术：在空气与液体环境中进行纳米尺度力学性能测量

具有纳米级分辨率的大规模样品检测具有广泛的应用，尤其适用于纳米制造的半导体晶圆。原子力显微镜可以成为实现此目的的有效工具，但其成像速度受到限制。本研究利用原子力显微镜中的并行主动悬臂阵列，实现高通量和大规模检测。...

采用四通道并行悬臂阵列的有源探针原子力显微镜用于高通量大规模样品检测

了解利用原子力显微镜对有机光伏材料进行并行导电性和力学性能定量测试的方法。该技术可实现亚100纳米分辨率的高精度测量，揭示形貌与电学性能之间的关联机制。

使用原子力显微镜对有机光伏材料进行同步定量电导率与力学性能测量

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