Name: Parallèlement conductivité quantitatives et mesures mécaniques Propriétés des matériaux organiques photovoltaïques par AFM (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-01-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Découvrez les mesures simultanées de propriétés mécaniques et électriques des matériaux photovoltaïques organiques par microscopie à force atomique. Cette méthode permet de corréler la morphologie avec les performances électriques à une résolution inférieure à 100 nm.

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MPN est reconnaissant envers le programme de bourses du directeur d&#39;un soutien financier. MPN tient à remercier Yu-Chih Tseng de l&#39;aide au développement du protocole pour le traitement de cellules solaires. Ce travail a été effectué au Centre pour les nanomatériaux, un Département américain de l&#39;énergie, Bureau de la science, Bureau de la Facilité Energie utilisateur sciences fondamentales en vertu du contrat n ° DE-AC02-06CH11357.

1. Acquisition de signaux <ol class="lalpha"><li> Installez échantillon (cellule solaire polymère sans cathode (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) dans une publicité AFM multimode (Veeco, Santa Barbara, CA) équipé d&#39;Nanoscope-V contrôleur. </li><li> Installez conducteur AFM sonde dans multimode AFM porte-sonde. </li><li> Créer une connexion électrique entre la sonde AFM, l&#39;échantillon et la source de tension. </li><li> Sortie de l&#39;amplificateur itinéraire actuel (signal de courant), multimode de sortie de déflexion AFM (force du signal), multimode de sortie AFM hauteur de l&#39;échantillon (signal de distance) dans une carte d&#39;acquisition numérique (NI PCI-6115-DAQ). Le gain sur la Femto DLPCA-200 amplificateur de courant est de 1 nA / V à 50 kHz de bande passante. </li><li> Appliquer biais 6V entre l&#39;AFM sonde et l&#39;électrode ITO. </li><li> Exécuter multimode AFM en mode PeakForceTM collecte signal de topographie: pic de point de consigne force de 30 nN, une amplitude d&#39;oscillation soutien de 300 nm, une fréquence d&#39;oscillation de soutien de 2 kHz, une vitesse de balayage de 1 Hz, et une resolutile de 512 par 512 pixels. </li><li> Capter les signaux énumérés à l&#39;article j en LabView / MATLAB commande en même temps l&#39;acquisition du signal topographie (e étape). </li></ol> 2. Étape 1 Analyse des données: Génération de Pull-off Force, rigidité de contact et cartes actuelles <ol class="lalpha"><li> Lire horodatées de signaux de courant, la force et la distance dans MATLAB. </li><li> Créez 2.000 vigueur - la distance et la force - courbes de courant pour la première ligne de balayage. Nombre de courbes est une fonction de la fréquence d&#39;oscillation de support et le taux de balayage. </li><li> A partir de chaque courbe force - distance, de déterminer avec rigidité et l&#39;arrachement de la force lors du retrait de la sonde AFM (Figure 1). </li><li> À partir de chaque courbe force - courant, déterminer le courant moyen pendant la sonde AFM est en contact avec la surface pendant retirer (figure 1). </li><li> Interpoler 2000 rigidité de contact à distance égale, l&#39;arrachement de la force, et les points actuels de 512 points pour correspondre à la résolutiontion du signal de la topographie. La première ligne de balayage pour une rigidité de contact, l&#39;arrachement de la force, et les cartes actuelles est effectuée. </li><li> Créer un contact rigidité, une halte-d&#39;œuvre, et les cartes actuelles en répétant les étapes B à E 512 fois. Les résultats sont présentés dans la figure 2. </li></ol> 3. Étape d&#39;analyse des données 2: Élimination de la région de contact Artefacts <ol class="lalpha"><li> Utiliser l&#39;équation (1) et (2) pour obtenir le module d&#39;Young (E MATERIAU) et la résistance (ρ) du matériau en chaque point de l&#39;analyse: 20 <img alt="L&#39;équation 1" fo:content-width="2.853in" fo:src="/files/ftp_upload/50293/50293eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50293/50293eq1.jpg" /> avec F = F ADH PULL - 8 nN (adhérence due à ménisque d&#39;eau entre l&#39;AFM et la surface), 20 raideur de contact (k), et le courant (I) cartes; tension d&#39;évaluation (V), l&#39;épaisseur du film (L), et adhésionl&#39;énergie (w = γ + SONDE L MATERIA γ - γ SONDE - MATERIEL, où SONDE γ - énergie de surface du matériau sonde, MATÉRIEL γ - énergie de surface du matériau de l&#39;échantillon, et γ-SONDE MATÉRIEL - énergie interfaciale du matériau de l&#39;échantillon et le matériau de la sonde) 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>
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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>
<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>
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<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>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>
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</ol>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Les découvertes récentes de l&#39;efficacité de conversion de puissance (PCE) de photovoltaïque organique (OPV) des cellules (10% poussant au niveau cellulaire) 3, de concert avec le respect des procédés de fabrication à haut débit et à faible coût 4 ont mis un coup de projecteur sur la technologie VPO comme un solution possible pour relever le défi de la fabrication bon marché de grande surface des cellules solaires. VPO matériaux sont intrinsèquement inhomogène à l&#39;échelle nanométrique. Inhomogénéité échelle nanométrique de matériaux VPO et les performances des dispositifs photovoltaïques sont intimement liés. Ainsi, la compréhension hétérogénéité de la composition ainsi que les propriétés électriques des matériaux VPO est d&#39;une importance primordiale pour déplacer la technologie VPO avant. Microscopie à force atomique (AFM) a été conçu comme un outil pour les mesures à haute résolution de la topographie de surface depuis 1986. 5 De nos jours, les techniques de propriétés des matériaux (module d&#39;Young, 6-10 fonction de travail, 11 conduitemesures ivité, 12 électromécanique, 13-15, etc) sont d&#39;une attention croissante. Dans le cas de matériaux VPO, la corrélation de composition de la phase locale et les propriétés électriques promet de révéler de mieux comprendre les rouages ​​de cellules solaires organiques. 1, 16-17 AFM à base de techniques sont capables de haute résolution phase d&#39;attribution 8 ainsi comme la cartographie des propriétés électriques des matériaux polymères. Ainsi, en principe, la corrélation de composition de la phase polymère (par des mesures mécaniques) 18 et des propriétés électriques est possible en utilisant des techniques basées sur l&#39;AFM. Beaucoup AFM techniques basées sur des mesures des propriétés mécaniques et électriques des matériaux utiliser l&#39;hypothèse de la région constante de contact entre la sonde et la surface de l&#39;AFM. Cette hypothèse n&#39;est pas souvent, ce qui entraîne une forte corrélation entre la topographie de surface et les propriétés mécaniques / électriques. Récemment, une nouvelle technique basée sur l&#39;AFM pourà haut débit mesures des propriétés mécaniques (PeakForce) 19 a été introduit. THON PeakForce (variante de la méthode PeakForce) fournit une plate-forme pour des mesures simultanées des propriétés mécaniques et électriques de l&#39;échantillon. Cependant, la méthode THON PeakForce produit des cartes de propriétés mécaniques et électriques, qui sont généralement fortement corrélés en raison de la variabilité disparus de contact pendant les mesures. Dans cet article, nous présentons un protocole expérimental pour enlever les corrélations associées à rayon variable de contact tout en maintenant des mesures précises des propriétés mécaniques et électriques par AFM. La mise en œuvre des résultats du protocole de mesures quantitatives de la résistance des matériaux et de module d&#39;Young.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom de réactif / Matériel </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Encres Plextronics </td><td> Plexcore </td><td> PV 1000 </td><td></td></tr><tr><td> Substrats en verre revêtus d&#39;ITO </td><td> Delta Technologies, Inc </td><td></td><td> 25 ohms / carré </td></tr><tr><td> 30 MHz synthétisé générateur de fonction </td><td> Stanfor recherche sur les systèmes </td><td> DS345 </td><td></td></tr><tr><td> Amplificateur de courant </td><td> Femto </td><td> DLPCA-200 </td><td></td></tr><tr><td> Multimode AFM </td><td> Veeco, Santa Barbara, Californie </td><td></td><td> équipé d&#39;Nanoscope-V contrôleur </td></tr><tr><td> DAQ carte </td><td> National Instruments </td><td> NI PCI-6115- </td><td></td></tr><tr><td> Métal sondes Pt </td><td> RMNano </td><td> 12Pt3008 </td><td></td></tr><tr><td> Logiciel MATLAB </td><td> Mathworks </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Logiciel LabView </td><td> National Instruments </td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

parallèlement conductivité quantitatives et mesures mécaniques propriétés des matériaux organiques photovoltaïques par afm

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

Photovoltaïques organiques (OPV) des matériaux sont intrinsèquement inhomogène à l&#39;échelle nanométrique. Inhomogénéité échelle nanométrique de matériaux VPO affecte les performances des dispositifs photovoltaïques. Ainsi, la compréhension des variations spatiales de la composition ainsi que les propriétés électriques des matériaux VPO est d&#39;une importance primordiale pour le déplacement en avant la technologie photovoltaïque. 1,2 Dans cet article, nous décrivons un protocole pour les mesures quantitatives des propriétés électriques et mécaniques des matériaux avec le VPO sous 100 nm résolution. Actuellement, les propriétés des matériaux mesures effectuées par l&#39;AFM disponibles dans le commerce à base de techniques (PeakForce, conducteur AFM) fournissent généralement que des informations qualitatives. Les valeurs de la résistance ainsi que le module d&#39;Young mesuré à l&#39;aide de notre méthode sur le prototype ITO / PEDOT: PSS/P3HT: 61 Système PC BM correspondent bien aux données de la littérature. Le P3HT: PC 61 mélange BM sépare sur le PC 61 BM-riche et P3HT riche domains. Les propriétés mécaniques des PC 61 domaines BM-riches et P3HT-riches sont différents, ce qui permet l&#39;attribution de domaine sur la surface du film. Surtout, la combinaison de données mécaniques et électriques permettant la corrélation de la structure de domaine sur la surface du film avec des variations des propriétés électriques mesurées à travers l&#39;épaisseur du film.

Le module de Young et de la résistivité des cartes (figure 3) présente des résultats typiques des mesures décrites ci-dessus. Propriétés mécaniques et électriques de l&#39;ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 pile BM ont été mesurées à une valeur négative (-10 V) et positive (+6 V) Tensions appliquée à la sonde AFM. Artefacts d&#39;imagerie, associés à l&#39;interaction électrostatique entre la sonde AFM et l&#39;échantillon, sont un problème courant pour les mesures quantitatives des propriétés fonc...

Photovoltaïques organiques (OPV) des matériaux sont intrinsèquement inhomogène à l&#39;échelle nanométrique. Inhomogénéité échelle nanométrique de matériaux VPO affecte les performances des dispositifs photovoltaïques. Dans cet article, nous décrivons un protocole pour les mesures quantitatives des propriétés électriques et mécaniques des matériaux avec une résolution de VPO nm sous-100.

Parallèlement conductivité quantitatives et mesures mécaniques Propriétés des matériaux organiques photovoltaïques par AFM

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

L'objectif général de l'expérience suivante est de comprendre les mécanismes de conductivité dans les mélanges polymères de fullerènes séparés en phases, en corrélant la morphologie aux performances électriques. La morphologie et les propriétés électriques des mélanges polymères sont deux facteurs principaux qui déterminent leur performance au sein des cellules solaires organiques. La corrélation entre la morphologie et les performances électriques des échantillons est obtenue par des mesures simultanées des propriétés mécaniques et électriques de l'échantillon à l'aide d'un microscope à force atomique équipé d'un contrôleur conçu en laboratoire et d'un système d'acquisition de données.Ceci est utilisé pour recueillir des données spatialement résolues sur la dépendance en distance de la force entre la sonde A FM et la surface de l'échantillon, ainsi que sur la dépendance en distance du courant entre la sonde A FM et l'échantillon. Dans un deuxième temps, effectuer une analyse automatique des courbes force-distance et courant-distance recueillies à chaque point de la balayage. Cela produit des cartes haute résolution du contact, de la rigidité, de la force de détachement et du coura

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Cet article démontre un protocole pour caractériser les propriétés mécaniques des cellules vivantes au moyen de microindentation aide d'un microscope à force atomique (AFM).

Mesurer les propriétés mécaniques des cellules vivantes par microscopie à force atomique

Des progrès ont été réalisés dans l’utilisation de la diffusion de l’incidence de pâturage résolue par écho de spin (SERGIS) comme technique de diffusion neutronique pour sonder les échelles de longueur dans des échantillons irréguliers. Des cristallites d’ester méthylique de l’acide [6,6]-phényl-C61-butyrique ont été sondées à l’aide de la technique SERGIS et des résultats confirmés par microscopie optique et à force atomique.

Utilisation de la diffusion de l’incidence de broutage résolue par écho de spin neutronique pour étudier les matériaux des cellules solaires organiques

Ce protocole expérimental décrit comment la microscopie à force atomique peut être utilisée pour mesurer la dureté à l’échelle nanométrique réelle et pour détecter des événements de plasticité atomistique uniques.

Dureté mesure quantitative par instrumenté AFM-indentation

Dans cet article, nous décrivons électrochimique, résonance paramagnétique électronique et les méthodes de spectroélectrochimiques ultraviolet-visible et proche infrarouge pour l’analyse des composés organiques pour application en électronique organique.

À l’aide de voltampérométrie cyclique, UV-Vis-NIR et EPR spectroélectrochimie pour analyser les composés organiques

Ici, nous présentons la microscopie de force atomique (AFM), actionnée comme outil de nano- et de micro-indentation sur des cellules et des tissus. L'instrument permet l'acquisition simultanée de la topographie de surface 3D de l'échantillon et de ses propriétés mécaniques, y compris le modulus de la paroi cellulaire de Young ainsi que la pression de la turgor.

Utilisation de la microscopie de force atomique pour mesurer les propriétés mécaniques et la pression turgor des cellules et des tissus végétaux

L’attachement covalent des molécules de sonde aux pointes de porte-à-faux de force atomique (AFM) est une technique essentielle pour l’étude de leurs propriétés physiques. Cela nous permet de déterminer la force d’étirement, la force de désorption et la longueur des polymères via la spectroscopie de force à molécule unique à base d’AFM avec une reproductibilité élevée.

Attachement covalent de molécules uniques pour la spectroscopie de force basée sur l’AFM

La microscopie à force atomique (AFM) combinée à la microscopie électrochimique à balayage (SECM), à savoir AFM-SECM, peut être utilisée pour acquérir simultanément des informations topographiques et électrochimiques à haute résolution sur les surfaces des matériaux à l’échelle nanométrique. Ces informations sont essentielles pour comprendre les propriétés hétérogènes (p. ex. réactivité, défauts et sites de réaction) sur les surfaces locales des nanomatériaux, des électrodes et des biomatériaux.

Sondage de l’activité électrochimique de surface des nanomatériaux à l’aide d’un microscope électrochimique hybride à force atomique-microscope à balayage (AFM-SECM)

Les études de la biomécanique de la paroi cellulaire sont essentielles pour comprendre la croissance et la morphogenèse des plantes. Le protocole suivant est proposé pour étudier les parois cellulaires primaires minces dans les tissus internes des jeunes organes végétaux à l’aide de la microscopie à force atomique.

Caractérisation des propriétés mécaniques de la paroi cellulaire primaire dans les organes vivants de plantes à l’aide de la microscopie à force atomique

La quantification de la zone de contact et de la force appliquée par la pointe d’une sonde de microscope à force atomique (AFM) à une surface d’échantillon permet de déterminer les propriétés mécaniques à l’échelle nanométrique. Les meilleures pratiques pour mettre en œuvre la nanoindentation à base de porte-à-faux AFM dans l’air ou le fluide sur des échantillons mous et durs pour mesurer le module d’élasticité ou d’autres propriétés nanomécaniques sont discutées.

Microscopie à force atomique Nanoindentation basée sur le porte-à-faux: mesures des propriétés mécaniques à l’échelle nanométrique dans l’air et les fluides

L’inspection d’échantillons à grande échelle avec une résolution à l’échelle nanométrique a un large éventail d’applications, en particulier pour les plaquettes de semi-conducteurs nanofabriquées. Les microscopes à force atomique peuvent être un excellent outil à cette fin, mais sont limités par leur vitesse d’imagerie. Ce travail utilise des réseaux de porte-à-faux actifs parallèles dans les AFM pour permettre des inspections à haut débit et à grande échelle.

Microscopie à force atomique à sonde active avec réseaux en porte-à-faux quattro-parallèles pour l’inspection d’échantillons à grande échelle à haut débit

Découvrez les mesures simultanées de propriétés mécaniques et électriques des matériaux photovoltaïques organiques par microscopie à force atomique. Cette méthode permet de corréler la morphologie avec les performances électriques à une résolution inférieure à 100 nm.

Parallèlement conductivité quantitatives et mesures mécaniques Propriétés des matériaux organiques photovoltaïques par AFM

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