Name: Concurrent Quantitative Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften Measurements of Organic Photovoltaic Materials mittels AFM (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-01-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie mit AFM gleichzeitig mechanische und elektrische Eigenschaften organischer photovoltaischer Materialien messen. Diese Methode ermöglicht hochaufgelöste Korrelationen von Morphologie und Leitfähigkeit.

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MPN ist dankbar, des Direktors Fellowship Program für finanzielle Unterstützung. MPN will Yu-Chih Tseng für die Hilfe bei der Entwicklung des Protokolls für Solarzellenprozessierung danken. Diese Arbeit wurde am Center for Nanoscale Materials, ein US-Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences User Facility unter Vertrag Nr. DE-AC02-06CH11357 durchgeführt.

Ein. Signalerfassung <ol class="lalpha"><li> Installieren Probe (Polymer-Solarzelle ohne Kathode (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) in einem kommerziellen Multimode AFM (Veeco, Santa Barbara, CA) mit Nanoscope-V-Controller ausgestattet. </li><li> Installieren leitenden AFM-Sonde in Multimode AFM Sondenhalter. </li><li> Erstellen elektrische Verbindung zwischen der AFM-Sonde, Proben-und Spannungsquelle. </li><li> Route aktuellen Verstärkerausgang (Stromsignal), Multimode AFM Ablenkung Ausgang (Kraft-Signal), Multimode AFM Probenhöhe Ausgang (Abstandssignal) in einen digitalen Messkarte (NI-PCI-6115 DAQ). Der Gewinn aus Femto DLPCA-200 Stromverstärkers ist 1 nA / V bei 50 kHz Bandbreite. </li><li> Bewerben 6V Vorspannung zwischen AFM-Sonde und ITO-Elektrode. </li><li> Führen Multimode AFM in PeakForceTM Modus Sammeln Topographie Signal: Spitzenkraft Sollwert von 30 nN, einen Träger Schwingungsamplitude von 300 nm, einem Träger Oszillationsfrequenz von 2 kHz, einer Scangeschwindigkeit von 1 Hz und einer resolutiauf der 512 x 512 Pixel. </li><li> Collect-Signale in Abschnitt d durch LabView / MATLAB Kontrolle gleichzeitig mit dem Erwerb der Topographie (Schritt e) aufgeführt. </li></ol> 2. Data Analysis Schritt 1: Erzeugung von Pull-off Force, Kontakt Steifigkeit und aktuellen Karten <ol class="lalpha"><li> Lesen Zeitstempel Strom, Kraft und Distanz Signale in MATLAB. </li><li> Erstellen 2.000 Kraft - Abstand und Kraft - Strom-Kurven für die ersten Scan-Linie. Anzahl der Kurven ist eine Funktion der Unterstützung Oszillationsfrequenz und Scangeschwindigkeit. </li><li> Von jeder Kraft - Abstand Eichkurve kontaktieren Steifigkeit und Pull-off-Kraft beim Herausziehen des AFM-Sonde (Abbildung 1). </li><li> Von jeder Kraft - Stromkurve, den mittleren Strom zu ermitteln, während der AFM-Sonde in Kontakt mit der Oberfläche während zurückzuziehen (Abbildung 1). </li><li> Interpolieren 2.000 gleichem Abstand Kontakt Steifigkeit, Pull-off-Kraft, und aktuelle Punkte 512 Punkte Auflösung entsprechention der Topographie Signal. Die erste Abtastzeile für Berührungssteifigkeit, Abzugshilfeelement Kraft, und aktuellen Karten erfolgt. </li><li> Kontakt erstellen Steifigkeit, Pull-off-Kraft und aktuellen Karten durch Wiederholen der Schritte b bis e 512-mal. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt. </li></ol> 3. Data Analysis Schritt 2: Beseitigung von Kontakt-Bereich Artifacts <ol class="lalpha"><li> Verwenden Gleichung (1) und (2) zum Elastizitätsmodul (E MATERIAL) und Widerstand (ρ) des Materials an jedem Punkt des Scans erhalten: 20 <img alt="Gleichung 1" fo:content-width="2.853in" fo:src="/files/ftp_upload/50293/50293eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50293/50293eq1.jpg" /> mit F ADH = F PULL - 8 nN (Adhäsion durch Wasser Meniskus zwischen der AFM und der Oberfläche), 20 Kontakt Steifigkeit (k) und Strom (I) Karten; Messspannung (V), Schichtdicke (L), und HaftungEnergie (w = γ PROBE + γ MATERIA L - γ PROBE - MATERIAL, wo γ PROBE - Oberflächenenergie der Sonde Material, γ MATERIAL - Oberflächenenergie von Probenmaterial und γ PROBE-MATERIAL - Grenzflächenenergie von Probenmaterial und Sonde Material) . 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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Neueste Innovationen in Leistungswandlungseffizienz (PCE) von organischen Photovoltaik (OPV)-Zellen (stossend 10% auf Zellebene) 3 in Absprache mit der Einhaltung High-Throughput-und Low-Cost Fertigungsprozesse 4 haben ein Schlaglicht auf die OPV-Technologie gebracht, wie ein mögliche Lösung für die Herausforderung, kostengünstige Herstellung von großflächigen Solarzellen. OPV Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien und die Leistung von Photovoltaik-Geräte sind eng miteinander verbunden. Daher ist das Verständnis Inhomogenität in der Zusammensetzung als auch elektrischen Eigenschaften der OPV-Materialien von größter Bedeutung für die Bewegung OPV-Technologie voran. Atomic Force Microscopy (AFM) wurde als ein Werkzeug für hochauflösende Messungen der Oberflächentopographie seit 1986 entwickelt. 5 Heute, Techniken für Materialien Eigenschaften (Elastizitätsmodul, 6-10 Austrittsarbeit, 11 Verhaltenduktivität, 12 Elektromechanik, 13-15 etc.) Messungen gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit. Im Fall von OPV-Materialien hält Korrelation von lokalen Phase Zusammensetzung und elektrischen Eigenschaften Versprechen für die Entdeckung ein besseres Verständnis der inneren Abläufe von organischen Solarzellen. 1, 16-17 AFM-basierte Techniken in der Lage hochauflösende Phase Zurechnung 8 sowie Als elektrische Eigenschaften Abbilden in polymeren Stoffen. Somit ist prinzipiell Korrelation der Polymerphase Zusammensetzung (durch mechanische Messungen) 18 und elektrischen Eigenschaften möglich mittels AFM-basierte Techniken. Viele AFM-basierte Techniken zur Messung von mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Materialien verwenden Annahme konstanter Fläche des Kontakts zwischen der AFM-Sonde und der Oberfläche. Diese Annahme scheitert oft, was zu starken Korrelation zwischen Oberflächentopographie und mechanische / elektrische Eigenschaften. Kürzlich wurde eine neue AFM-Technik zumHigh-Throughput-Messungen der mechanischen Eigenschaften (PeakForce) 19 eingeführt wurde. PeakForce TUNA (Variation des PeakForce Methode) bietet eine Plattform für die gleichzeitige Messung von mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Probe. Jedoch erzeugt die PeakForce TUNA Verfahren mechanische und elektrische Eigenschaft Karten, die in der Regel wegen der stark nachgewiesenes Variabilität der Kontakt während Messungen korreliert. In diesem Beitrag stellen wir ein experimentelles Protokoll für das Entfernen Korrelationen mit unterschiedlichem Kontakt Radius unter Beibehaltung genaue Messungen der mechanischen und elektrischen Eigenschaften mittels AFM assoziiert. Umsetzung des Protokolls in quantitativen Messungen der Materialien &quot;Widerstand und Elastizitätsmodul.

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenz / Material </td><td> Firma </td><td> Catalog Number </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Plextronics Tinten </td><td> Plexcore </td><td> PV 1000 </td><td></td></tr><tr><td> ITO-beschichtete Glassubstrate </td><td> Delta Technologies, Inc </td><td></td><td> 25 Ohm / sq </td></tr><tr><td> 30 MHz synthetisiert Funktionsgenerator </td><td> Stanfor Research Systems </td><td> DS345 </td><td></td></tr><tr><td> Stromverstärker </td><td> Femto </td><td> DLPCA-200 </td><td></td></tr><tr><td> Multimode AFM </td><td> Veeco, Santa Barbara, CA </td><td></td><td> ausgestattet mit Nanoscope-V-Controller </td></tr><tr><td> Messkarte </td><td> National Instruments </td><td> NI-PCI-6115 </td><td></td></tr><tr><td> Metall Pt Sonden </td><td> RMNano </td><td> 12Pt3008 </td><td></td></tr><tr><td> MATLAB-Software </td><td> Mathworks </td><td></td><td></td></tr><tr><td> LabView-Software </td><td> National Instruments </td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

concurrent quantitative leitfähigkeit und mechanische eigenschaften measurements of organic photovoltaic materials mittels afm

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

Organische Photovoltaik (OPV) Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien beeinflusst die Leistung von Photovoltaik-Geräte. So, das Verständnis der räumlichen Variationen in der Zusammensetzung als auch elektrischen Eigenschaften der OPV-Materialien ist von größter Bedeutung für die Bewegung PV-Technologie voran. 1,2 In diesem Papier beschreiben wir ein Protokoll für quantitative Messungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der OPV Materialien mit sub -100 nm Auflösung. Derzeit durchgeführt Materialeigenschaften Messungen mit handelsüblichen AFM-Techniken (PeakForce, leitenden AFM) in der Regel lediglich qualitative Informationen. Die Werte für den Widerstand als auch Elastizitätsmodul gemessen mit unserer Methode auf der prototypischen ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM-System gut mit Daten aus der Literatur. Die P3HT: PC 61 BM Mischung trennt sich auf dem PC 61 BM-reich und P3HT-reiche domains. Mechanische Eigenschaften von BM-PC 61 reichen und P3HT-reiche Domänen unterschiedlich sind, das es ermöglicht, honorarfrei Domäne auf der Oberfläche des Films. Wichtig ist, dass die Kombination von mechanischen und elektrischen Daten können zur Korrelation der Domäne Struktur auf der Oberfläche der Folie mit elektrischen Eigenschaften Schwankungen durch die Dicke des Films gemessen.

Elastizitätsmodul und Widerstandsfähigkeit Karten (Abbildung 3) derzeit typischen Ergebnisse der Messungen beschrieben. Mechanische und elektrische Eigenschaften der ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM Stapel wurden bei negativen (-10 V) und positive (+6 V) Spannungen, die an der AFM-Sonde gemessen. Imaging Artefakte, mit elektrostatischen Wechselwirkung zwischen der AFM-Sonde und der Probe verbunden sind, sind ein häufiges Problem für quantitative Messungen der funktionellen Eigenschaften mittel...

Organische Photovoltaik (OPV) Materialien sind von Natur aus inhomogenen auf der Nanometerskala. Nanoscale Inhomogenität der OPV-Materialien beeinflusst die Leistung von Photovoltaik-Geräte. In diesem Papier beschreiben wir ein Protokoll für quantitative Messungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der OPV Materialien mit sub-100 nm Auflösung.

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

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, Leitfähigkeitsmechanismen in phasenseparierten Fullerene-Polymer-Blends durch die Korrelation von Morphologie mit elektrischer Leistung zu verstehen. Morphologie und elektrische Eigenschaften von Polymer-Blends sind zwei Hauptfaktoren, die deren Leistung in organischen Solarzellen bestimmen. Die Korrelation von Morphologie mit der elektrischen Leistung der Proben wird durch gleichzeitige Messungen der mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Probe mittels eines Rasterkraftmikroskops mit einem selbstgebauten Controller und Datenerfassungssystem erreicht.Dies dient dazu, ortsauflösende Daten über die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand zwischen der A FM-Sonde und der Probenoberfläche sowie im zweiten Schritt die Abhängigkeit des Stroms vom Abstand zwischen der A FM-Sonde und der Probe zu erfassen und anschließend eine automatische Analyse der Kraft-Abstand- und Strom-Abstand-Kurven durchzuführen, die an jedem Punkt der Aufnahme gewonnen wurden. Dadurch entstehen hochauflösende Karten von Kontakt, Steifigkeit, Ablösekraft und Strom. Anschließend wird ein angenähertes Kontaktmechanik-Modell angewandt, um eine mathema

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Forschung

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In diesem Artikel beschreiben wir elektrochemische, Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz und ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Spectroelectrochemical Methoden für die Analyse organischer Verbindungen für Anwendung in der organischen Elektronik.

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Die kovalente Befestigung von Sondenmolekülen an aatomaren Kraftmikroskopie(AFM)-Auslegerspitzen ist eine wesentliche Technik für die Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften. So können wir die Dehnkraft, Desorptionskraft und Länge von Polymeren über die AFM-basierte Einzelmolekülkraftspektroskopie mit hoher Reproduzierbarkeit bestimmen.

Kovalente Befestigung einzelner Moleküle für die AFM-basierte Kraftspektroskopie

Mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) in Kombination mit der rasterelektrochemischen Mikroskopie (SECM), nämlich AFM-SECM, können gleichzeitig hochauflösende topographische und elektrochemische Informationen auf Materialoberflächen im Nanomaßstab erfasst werden. Solche Informationen sind entscheidend für das Verständnis heterogener Eigenschaften (z. B. Reaktivität, Defekte und Reaktionsstellen) auf lokalen Oberflächen von Nanomaterialien, Elektroden und Biomaterialien.

Sondierung der elektrochemischen Oberflächenaktivität von Nanomaterialien mit einem hybriden Rasterkraftmikroskop-Scanning Elektrochemischen Mikroskop (AFM-SECM)

Studien der Zellwandbiomechanik sind essentiell für das Verständnis des Pflanzenwachstums und der Morphogenese. Das folgende Protokoll wird vorgeschlagen, um dünne primäre Zellwände in den inneren Geweben junger Pflanzenorgane mittels Rasterkraftmikroskopie zu untersuchen.

Charakterisierung mechanischer Eigenschaften der primären Zellwand in lebenden Pflanzenorganen mittels Rasterkraftmikroskopie

Die Quantifizierung der Kontaktfläche und der Kraft, die von einer Rasterkraftmikroskop-Sondenspitze (AFM) auf eine Probenoberfläche ausgeübt wird, ermöglicht die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften im Nanobereich. Best Practices zur Implementierung von AFM-Cantilever-basierter Nanoindentation in Luft oder Flüssigkeit an weichen und harten Proben zur Messung des Elastizitätsmoduls oder anderer nanomechanischer Eigenschaften werden diskutiert.

Rasterkraftmikroskopie Cantilever-basierte Nanoindentation: Messungen mechanischer Eigenschaften auf der Nanoskala in Luft und Flüssigkeit

Die großflächige Probeninspektion mit nanoskaliger Auflösung hat ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere für nanofabrizierte Halbleiterwafer. Rasterkraftmikroskope können ein großartiges Werkzeug für diesen Zweck sein, sind aber durch ihre Abbildungsgeschwindigkeit begrenzt. Bei dieser Arbeit werden parallele aktive Cantilever-Arrays in AFMs verwendet, um Inspektionen mit hohem Durchsatz und großem Maßstab zu ermöglichen.

Rasterkraftmikroskopie mit aktiven Sonden mit quattroparallelen Cantilever-Arrays für die Inspektion von Großproben mit hohem Durchsatz

Erfahren Sie, wie Sie mit AFM gleichzeitig mechanische und elektrische Eigenschaften organischer photovoltaischer Materialien messen. Diese Methode ermöglicht hochaufgelöste Korrelationen von Morphologie und Leitfähigkeit.

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

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