Concurrent Quantitative Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften Measurements of Organic Photovoltaic Materials mittels AFM

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die Leitfähigkeitsmechanismen in phasengetrennten Fulleren-Polymermischungen durch Korrelation der Morphologie mit der elektrischen Leistung zu verstehen. Morphologie und elektrische Eigenschaften von Polymermischungen sind zwei Hauptfaktoren, die ihre Leistung in organischen Solarzellen steuern. Die Korrelation der Morphologie mit der elektrischen Leistung der Proben wird durch gleichzeitige Messungen der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Probe unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops mit einem selbstgebauten Controller und Datenerfassungssystem erreicht.

Dies wird verwendet, um ortsaufgelöste Daten über die Abstandsabhängigkeit der Kraft zwischen der A FM-Sonde und der Probenoberfläche sowie die Abstandsabhängigkeit des Stroms zwischen der A FM-Sonde und der Probe zu sammeln. In einem zweiten Schritt führen Sie eine automatische Analyse der Kraft-, Abstands- und Stromabstandskurven durch, die an jedem Punkt des Scans gesammelt wurden. Dadurch werden hochauflösende Karten von Kontakt, Steifigkeit, Abzugskraft und Strom erstellt. Wenden Sie als Nächstes ein approximatives Kontaktmechanikmodell an, um eine mathematische Umwandlung von Kontakt-, Steifigkeits- und Stromdaten durchzuführen und so den Elastizitätsmodul und den Widerstand der Probe zu erhalten.

Die Ergebnisse identifizieren die chemische Natur der Domänen innerhalb der Probe auf der Grundlage der mechanischen Signatur sowie quantitative Unterschiede in der Leitfähigkeit von polymerreichen und nachfolgenden reichhaltigen Phasen der Mischung auf der Grundlage gleichzeitiger Messungen mechanischer und elektrischer Eigenschaften. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen auf dem Gebiet der Entwicklung organischer Solarzellen zu beantworten, wie z. B. den Wirkungsgrad und die Stabilität dieser Zellen durch das Verständnis der Auswirkungen der Morphologie der aktiven Schicht auf die Leistung der Quellzellen und die Korrelation der Oberflächenzusammensetzung der aktiven Schicht mit den elektrischen Eigenschaften. Diese Methode kann auch auf andere Systeme wie organische elektronische Materialien und Batterien angewendet werden.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber anderen Leitfähigkeits-Mapping-Methoden besteht darin, dass die Unsicherheit im Kontaktbereich der Spitzenprobe praktisch eliminiert wird. Das bedeutet, dass Sie ein viel klareres Bild von den Grenzflächeneigenschaften haben. Bereiten Sie die Probe für die Signalerfassung vor.

Beginnen Sie mit einer P drei H-T-P-C-B-M Polymer-Solarzellenprobe ohne obere Elektrode. Montieren Sie diesen in einen Probenhalter mit externen elektrischen Anschlüssen für das Rasterkraftmikroskop. Schließen Sie anschließend den Probenhalter an ein handelsübliches Multimode-Rasterkraftmikroskop an, das mit einem Nanoskop-Fünf-Controller ausgestattet ist.

Setzen Sie eine leitfähige Sonde in den Sondenhalter A FM ein und montieren Sie die Halterung im Mikroskop. Verbinden Sie nun die Sondenbaugruppe mit einem externen Stromverstärker. Der Ausgang des Stromverstärkers ist in einer digitalen Erfassungskarte verankert.

Nur die Sonde, um eine elektrische Verbindung zwischen der A-FM-Sonde, der Probe und der A-FM-Spannungsquelle herzustellen. Stellen Sie sicher, dass der FM-Ablenkausgang A, das Kraftsignal, der Abtasthöhenausgang und das Entfernungssignal an eine digitale Erfassungskarte angeschlossen sind. Stellen Sie die Erfassungsrate auf den digitalen Erfassungskarten auf 250.000 Samples pro Sekunde und die Erfassungszeit auf eine Sekunde ein.

Wenden Sie als Nächstes die gewünschte Vorspannung zwischen der A-FM-Sonde und den Solarzellenelektrodenproben an. Wurden in diesem Experiment sowohl bei positiven sechs Volt als auch bei minus 10 Volt untersucht. Stellen Sie nun den a FM so ein, dass er im Spitzenkraftmodus ausgeführt wird, und sammeln Sie Topographiedaten mit einem Spitzenkraft-Sollwert von 30 Nanonewton, einer Unterstützungsschwingungsamplitude von 300 Nanometern, einer Unterstützungsschwingungsfrequenz von zwei Kilohertz, einer Abtastrate von einem Hertz und einer Auflösung von fünf 12 x fünf 12 Pixeln.

Der Rauschpegel des aktuellen Signals von der A-FM-Sonde kann eine gute Signalerfassung beeinträchtigen. Wenn dies ein Problem ist, probieren Sie unterschiedliche Verdrahtungsschemata für den Anschluss des Stromverstärkers A FM-Sonde und der Spannungsquelle aus. Erfassen Sie Kraft-, Abstands- und Stromabstandskurven gleichzeitig mit der Erfassung von Topographiedaten. Hier erfolgt dies in der Lab-Ansicht.

Matlab-Steuerung des Experiments. Die Datenanalyse beginnt mit dem Einlesen der mit einem Zeitstempel versehenen Strom-, Kraft- und Entfernungssignale in MATLAB. Für die verwendeten Einstellungen erstellen Sie 2000 Kraft-, Weg- und Wegstromkurven.

Für die erste Abtastzeile ist die Anzahl der Kurven eine Funktion der Stützschwingungsfrequenz und der Abtastrate. Hier ist eine repräsentative Kurve mit den blau dargestellten Daten des erzwungenen Abstandes dargestellt, die Kontaktsteifigkeit ist durch den im Diagramm definierten Winkel alpha der Wert der Abzugskraft gegeben. Aus jeder Kurve wird auch das erste Minimum der Kraft während der Reaktion angezeigt, bestimmen Sie die Kontaktsteifigkeit und die Abzugskraft.

Die rote Kurve im Diagramm bezieht sich auf die Kraftstromdaten, den Durchschnittswert des Stroms, wenn das Lager den Rückzugsteil seiner Schwingung startet, bis sich die Sonde von der Oberfläche trennt, wird als Strom bezeichnet, dessen Wert angezeigt wird. Bestimmen Sie für diese Daten diesen Strom für jede zu vervollständigende Kurve. Die erste Abtastzeile für Kontaktsteifigkeit, Abzugskraft und Stromkarten interpoliert 2000 Datenpunkte mit gleichen Abständen für jede dieser Größen mit 512 Punkten, um dem Topographiesignal zu entsprechen.

Wiederholen Sie diese Schritte für jede der 512 Scanzeilen. Beispiele für die resultierenden Bilder sind oben links die Ergebnisse der topographischen Vermessung. Oben rechts eine ortsaufgelöste Abzugskraftmessung.

Unten links ist die Kontaktsteifigkeit dargestellt. Unten rechts ist der Strom zu sehen, bei dem es sich bei der Probe um eine P drei HT PCBM Polymer-Solarzelle ohne obere Elektrode bei minus 10 Volt handelt, die Bildgröße beträgt 10 Mikrometer mal 10 Mikrometer. Die Korrelationen zwischen der Abzugskraft, der Kontaktsteifigkeit und den Strombildern können unter Berücksichtigung der Änderung der Kontaktfläche zwischen der A FM-Sonde und der Oberfläche eliminiert werden.

Verwenden Sie während des Experiments die Daten und die angezeigten Gleichungen, um E, den Elastizitätsmodul, zu finden und den spezifischen Widerstand zu reihen. Die Variablen sind in dem hier gezeigten Textprotokoll als der berechnete Elastizitätsmodul der zuvor gezeigten Stichprobe definiert. Die Vorspannung beträgt minus 10 Volt.

Es gibt zwei Arten von Domains mit unterschiedlichem ModuLite von young. Diejenigen, die reich an Polymeren sind, erscheinen in blauen Bereichen, reich an Walkstoffen sind dunkelrot. Die Widerstandskarten geben Aufschluss über die elektrische Verbindung zwischen den Schichten der Solarzelle.

Hier sind die ortsaufgelösten Youngs, Modulus und Widerstand aus einem anderen Bereich derselben Probe. Diesmal mit einer Vorspannung von sechs Volt zeigen die weißen Pfeile auf Bereiche voll angereicherter Domänen. Beachten Sie, dass der Widerstand in Abhängigkeit von der Polarität der Vorspannung schaltet.

Die Bereiche haben einen niedrigen spezifischen Widerstand, wenn eine negative Vorspannung vorhanden ist, und einen hohen spezifischen Widerstand, wenn eine positive Vorspannung vorhanden ist. Andere Methoden wie die Leistungsumwandlung und die Effizienzmessung der gesamten Solarzelle können durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, wie z.B. die Korrelation der Korrelation der Morphologie der aktiven Schicht in organischen Solarzellen mit der Leistung des Geräts.