Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Параллельно Количественные проводимости и механических измерений свойств органических фотогальванических материалов с помощью АСМ

Published: January 23, 2013 doi: 10.3791/50293
Automatic Translation
1, 1,2
1Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory, 2Institute for Molecular Engineering, University of Chicago

Summary

Органических фотогальванических (ОПВ) Материалы по сути своей неоднородной в нанометровом масштабе. Наноразмерных неоднородности материалов ОПВ влияет на производительность фотоэлектрических устройств. В этой статье мы опишем протокол для количественных измерений электрических и механических свойств материалов ОПВ с суб-100 нм разрешение.

Abstract

Органических фотогальванических (ОПВ) Материалы по сути своей неоднородной в нанометровом масштабе. Наноразмерных неоднородности материалов ОПВ влияет на производительность фотоэлектрических устройств. Таким образом, понимание пространственной вариации состава, а также электрических свойств материалов ОПВ имеет первостепенное значение для перемещения фотоэлектрической технологии вперед. 1,2 В данной статье мы опишем протокол для количественных измерений электрических и механических свойств материалов ОПВ с подпунктом 100 нм разрешение. В настоящее время материалы свойств измерений, выполненных с использованием коммерчески доступных AFM на основе методов (PeakForce, проводящих AFM), как правило предоставляем исключительно качественную информацию. Значения сопротивления, а также модуль Юнга измеряется с помощью нашего метода на прототип ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM системы хорошо согласуются с литературными данными. P3HT: PC 61 BM смесь отделяется на PC 61 BM-богатых и P3HT богатых Domaiнс. Механические свойства PC 61 BM-богатых и P3HT богатых областей различны, что позволяет области атрибуции на поверхности пленки. Важно отметить, что сочетание механических и электрических данных позволяет корреляции доменной структуры на поверхности пленки с электрическим изменением свойств измеряемой по толщине пленки.

Introduction

Недавние прорывы в энергетическую эффективность преобразования (PCE) органических фотогальванических (ОПВ) клеток (10% нажатия на клеточном уровне) 3 в концерте с соблюдением высокой пропускной способностью и низкой стоимости производственных процессов 4 внесли внимание на технологию ОПВ возможное решение для проблемы недорогой производства больших площадей солнечных батарей. ОПВ материалы всегда имеют неоднородное в нанометровом масштабе. Наноразмерных неоднородности материалов ОПВ и производительности фотогальванических устройств тесно связаны. Таким образом, понимание неоднородности состава, а также электрических свойств материалов ОПВ имеет первостепенное значение для перемещения ОПВ технологии вперед. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) была разработана как инструмент для высокого разрешения измерения топографии поверхности с 1986 года. 5 В настоящее время, методы свойств материалов (модуль Юнга, 6-10 работу выхода, 11 поведенияivity, 12 электромехаников, 13-15 и т.д.) измерения привлекает все большее внимание. В случае материалов, ОПВ, соотношение местных фазовый состав и электрические свойства перспективен для выявления лучшего понимания внутренней работы органических солнечных элементов. 1, 16-17 АСМ-методы на основе способны с высокой разрешающей фазы присвоении 8, а как электрические свойства отображения в полимерные материалы. Таким образом, в принципе, соотношение полимера фазового состава (через механических измерений) 18 и электрические свойства можно с помощью АСМ на основе методов. Многие AFM на основе техники измерения механических и электрических свойств материалов используют предположение о постоянном площадь контакта между зондом АСМ с поверхностью. Это предположение часто выходит из строя, что приводит к сильной корреляции между топографией поверхности и механических / электрических свойств. В последнее время новые AFM на основе методикивысокой пропускной способностью измерения механических свойств (PeakForce) 19 был введен. PeakForce тунца (вариация метода PeakForce) предоставляет платформу для одновременного измерения механических и электрических свойств образца. Тем не менее, метод PeakForce TUNA производит механические и электрические свойства карты, которая обычно сильно коррелируют из-за неучтенных изменчивости контакт во время измерений. В этой статье мы представляем экспериментальный протокол для удаления корреляций, связанных с различными контакте радиусом, сохраняя при этом точные измерения механических и электрических свойств с помощью АСМ. Реализация протокола результатов в количественном измерении материалов сопротивление и модуль Юнга.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Сигнал приобретение

  1. Установка образца (полимер солнечных батарей без катодом (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) в коммерческих многомодовых АСМ (Veeco, Санта-Барбара, Калифорния), оснащенных Наноскоп-V контроллера.
  2. Установить проводящих АСМ зонда в многомодовых держатель АСМ зонда.
  3. Создание электрического соединения между АСМ зонда, образца и источника напряжения.
  4. Маршрут выходного тока усилителя (ток), многомодовый отклонения АСМ-выход (сила сигнала), многомодовый образца АСМ высота выхода (расстояние сигнала) в цифровые карты приобретение (NI PCI-6115 DAQ). Прибыль от Femto DLPCA-200 усилитель тока составляет 1 нА / В при 50 кГц.
  5. Применить 6В смещения между АСМ зондом и ITO электродов.
  6. Выполнить многомодовых АСМ в режиме сбора PeakForceTM топографии сигнала: пиковая точка множества сил от 30 нн, амплитуда колебаний поддержку 300 нм, частота колебаний поддержка 2 кГц, скорость сканирования 1 Гц, и resolutiна в 512 на 512 пикселей.
  7. Сбор сигналов, перечисленных в разделе D на LabView / MATLAB управления одновременно с приобретением сигнал рельефа (шаг е).

2. Анализ данных Шаг 1: Создание усилия отрыва, контактная жесткость, и текущие карты

  1. Читайте отметкой времени ток, сила и расстояния сигналов в MATLAB.
  2. Создайте 2000 сила - расстояние, и сила - текущие кривые для первой линии сканирования. Количество кривых является функцией поддержки частоты колебаний и скорости сканирования.
  3. Из каждой силы - расстояние кривой, определить контактной жесткости и отрыва силы во время вывода зонда АСМ (рис. 1).
  4. Из каждой силы - текущая кривая, определить средний ток при зонда АСМ находится в контакте с поверхностью во время отозвать (рис. 1).
  5. Interpolate 2000 равноотстоящих контактной жесткости, отрыва сила, и текущие точки на 512 пунктов в соответствии с резолюциейния топографии сигнала. В первой строке сканирования для контактной жесткости, отрыва сила, и текущие карты, то сделано.
  6. Создать контакт жесткости, отрыва сила, и текущие карты, повторяя шаги по электронной б 512 раз. Результаты представлены на рисунке 2.

3. Анализ данных Шаг 2: Ликвидация Контакт-зона Артефакты

  1. Использование уравнения (1) и (2) для получения модуля Юнга (E МАТЕРИАЛ) и сопротивления (ρ) материала в каждой точке сканирования: 20
    Уравнение 1
     использованием F = F ADH PULL - 8 Н.Н. (адгезия из-за воды мениска между АСМ и поверхности), 20 контактная жесткость (к), и тока (I) карты; зондирование напряжения (В), толщина пленки (L), и адгезияэнергии (W = γ + γ PROBE MATERIA L - γ PROBE - материал, где γ PROBE - поверхностная энергия материала зонда, γ МАТЕРИАЛЫ - поверхностная энергия материала образца, и γ-PROBE МАТЕРИАЛЫ - межфазные энергии образец материала и материала зонда) 20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Модуль Юнга и удельного сопротивления карты (рис. 3) Настоящий типичные результаты измерений описаны выше. Механические и электрические свойства ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM стек были измерены при отрицательных (-10 В) и положительные (+6 В) напряжения, подаваемого на зонд АСМ. Изображений артефактов, связанных с электростатическим взаимодействием между АСМ зондом и образцом, являются общей проблемой для количественных измерений функциональных свойств с помощью АСМ. Сходство величины модулей Юнга измеряется при различных напряжениях демонстрирует надежность измерений протокол, описанный выше в отношении электростатических артефактов. Часто изменения химического состава в материал, связанный с локальным изменениям в модуль Юнга. Образец, используемый в этом исследовании солнечной ячейки без устройства верхнего электрода. Верхний слой (P3HT: PC 61 BM) в стек солнечных элементов активного слоя, в котором сеансионный света в электричество происходит. Солнечные ячейки производительность сильно зависит от морфологии и химического состава активного слоя.

Связаться с жесткостью и текущее измеренное с помощью АСМ часто коррелируют (рис. 4) в связи с изменениями в зоне контакта между зондом АСМ с поверхностью. Такое соотношение часто усложняет количественного определения механических (модуль Юнга) и электрических (сопротивления) свойства материала. Протокола, указанного выше, счета за изменениями в зоне контакта путем прямого измерения силы адгезии между АСМ зондом и поверхностью, которая, в свою очередь, позволяет количественные измерения модуля Юнга и удельного сопротивления. PC 61 BM-богатой области жестче, чем полимер-богатые. Неспособность объяснить контакт изменчивости области ведет к области введения в заблуждение. Например, жесткая PC 61 BM-богатый домен видна как на жесткость контакта и ЮнгаМодуль линейки профилей (рис. 4а), в то время как другие PC 61 BM-богатый домен (рисунок 4B) появляется только на карте модуля Юнга.

Описанный выше метод позволяет присвоения химического состава на поверхность P3HT: PC 61 BM слоем. Два типа областей с различными модулями Юнга очевидны на рисунке 3 (А) и 3 (B). Знания о химическом составе активного слоя и литературных данных по механическим свойствам P3HT 21-26 и ПК 61 БМ-21 позволяет присвоении области с модулем Юнга около 0,01 ГПа P3HT-богатых (голубого цвета на рисунке 3 (А) и ( B)) и области с модулем Юнга около 0,1 ГПа PC 61 BM-богатых (появляются темно-красным на рисунке 3 (А) и (Б)) 27. Сопротивление карты (рис. 3 (C) и (D) </ STRONG>) предоставляет информацию об электрических соединений между верхней поверхностью P3HT: PC 61 BM слоя и слоя ITO. В операционной солнечной батареи, ток проходит от основной массы активного слоя к токоприемников (ITO и электрода, нанесенных на верхней части P3HT: PC 61 BM слоя, соответственно), таким образом, сопротивление карт жизненно важные части информации, которые позволяют корреляции химического состава и производительность солнечных батарей. цифры 3 (C) и 3 (D) показывают, что сопротивление P3HT богатых и PC 61 BM-богатой области изменяется в зависимости от полярности напряжения, приложенного к зонда АСМ. P3HT богатые домены имеют низкое сопротивление при положительном напряжении и повышенной устойчивостью при отрицательном напряжении по сравнению с PC 61 BM-богатой области. Возможные инжекции дырок из высоких работу функции Pt зонд, относительно высокой дырочной проводимости в P3HT 28 и дырочной проводимостью из PEDOT: PSS объяснить ниже сопротивленияP3HT богатых районах, а также более высокий барьер для инжекции электронов и электронных свойств отказ от PEDOT: PSS были названы 27 в качестве причины повышенной устойчивостью к ПК 61 BM-богатой области в сравнении с P3HT-богатых при положительном смещении зонда АСМ. На отрицательного смещения, сопротивление P3HT богатых областей должны увеличить и сопротивление PC 61 областей BM должна уменьшиться из-за снижения эффективности инжекции дырок из PEDOT: PSS 29 (в результате снижения электронного отказ) и инжекции электронов от отрицательно предвзятым Pt зонда. Химическая присвоения доменов на основе механических измерений свойств действует только в непосредственной близости от воздушной P3HT: PC Интерфейс BM 61, в то время измерения сопротивления предоставлять информацию о текущем пути по толщине пленки. В связи с этим, механических и электрических измерений предоставляется бесплатный информацию об образце. Изменение сопротивления Wiтонкие P3HT богатых и PC 61 BM-богатой области показывает неоднородность поверхности доменной структуры по всему толщина активного слоя пленки.

Подводя итог, описанный протокол для количественных измерений модуля Юнга и удельного сопротивления мягких материалов путем смягчения неопределенности площади контакта. Механические свойства PC 61 BM-богатых и P3HT богатых областей различны, что позволяет области атрибуции на поверхности пленки. Комбинация механических и электрических данных позволяет корреляции доменной структуры на поверхности пленки с электрическим изменением свойств измеряемой по толщине пленки.

Рисунок 1
Рисунок 1 Типичный силы -. Расстояние (синий) и ток - расстояние (красный) Кривыми на ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM с Pt зонда.

Рисунок 2
Рисунок 2 с пространственным разрешением измерения топографии (A), усилия отрыва (B), контактная жесткость (C), и проводимость при -10 V (D) на ITO / PEDOT. PSS/P3HT: PCBM образца. Размер изображения составляет 10 мкм х 10 мкм.

Рисунок 3
Рисунок 3. Пространственным разрешением изменения модуля Юнга (A, B) и сопротивления (C, D) для двух разных местах на поверхности, измеренная при -10 V (A, C) и 6 V (B, D). Изображения (A) и (C) рассчитывались по данным, представленным в 61 BM-богатыми областями, которые демонстрируют сопротивление выключателя в зависимости от полярности напряжения (низкое сопротивление при отрицательном смещении и высокое сопротивление при положительном смещении). Черная пунктирная линия (A, C) указывает территорий, используемых для профилей линии на рисунке 4.

Рисунок 4
Рисунок 4. Линия профилей из указанных областях с черными пунктирными линиями на рисунках 2 и 3А, 3С. Сильная корреляция между жесткостью контакта и текущий счет контакта радиус изменчивости является очевидной. Ликвидация вариации радиуса контакта показывает жесткие PC 61 BM-богатой области, которые плохо видны в противном случае (B). Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

MPN благодарен Fellowship Program директора по финансовой поддержке. MPN хочет поблагодарить Ю-Чи Цзэн за помощь в разработке протокола для солнечных обработки клеток. Эта работа была выполнена в Центре Материалы нано-, Министерство энергетики США, Управление по науке, Управления основной энергии наук Пользователь фонда по договору № DE-AC02-06CH11357.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Plextronics inks Plexcore PV 1000
ITO-coated glass substrates Delta Technologies, Inc 25 Ohms/sq
30 MHz synthesized function generator Stanfor Research Systems DS345
Current amplifier Femto DLPCA-200
Multimode AFM Veeco, Santa Barbara, CA equipped with Nanoscope-V controller
DAQ card National Instruments NI-PCI-6115
Metal Pt probes RMNano 12Pt3008
MATLAB software Mathworks
LabView software National Instruments

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Материаловедение выпуск 71 нанотехнологии машиностроение электротехника информатика физика электрические транспортные свойства твердых тел физика конденсированных сред тонких пленок (теория осаждение и рост) проводимости (твердое состояние) AFM атомно-силовой микроскопии электрические свойства механические свойства органических солнечных батарей микроинженерии солнечных батарей
Параллельно Количественные проводимости и механических измерений свойств органических фотогальванических материалов с помощью АСМ
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Nikiforov, M. P., Darling, S. B.… More

Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM. J. Vis. Exp. (71), e50293, doi:10.3791/50293 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter