Concurrent Kwantitatieve geleidbaarheid en mechanische eigenschappen metingen van organische fotovoltaïsche Materialen met AFM

Het algemene doel van het volgende experiment is om geleidingsmechanismen in fase-gescheiden fullereen polymeermengsels te begrijpen door correlatie van morfologie met elektrische prestaties. Morfologie en elektrische eigenschappen van polymeermengsels zijn twee primaire factoren die hun prestaties in organische zonnecellen bepalen. Correlatie van morfologie met elektrische prestaties van de monsters wordt bereikt door gelijktijdige metingen van mechanische en elektrische eigenschappen van het monster met behulp van een atoomkrachtmicroscoop met een zelfgemaakte controller en data-acquisitiesysteem.

Dit wordt gebruikt om ruimtelijk opgeloste gegevens te verzamelen over afstandsafhankelijkheid van kracht tussen de A FM-sonde en het monsteroppervlak, evenals afstandsafhankelijkheid van stroom tussen de A FM-sonde en het monster als een tweede stap, automatische analyse uitvoeren van de krachtafstand- en stroomafstandcurven die op elk punt van de scan worden verzameld. Dit produceert hoge resolutiekaarten van contact, stijfheid, aftrekkracht en stroom. Vervolgens wordt een benaderd contactmechanicamodel toegepast om een wiskundige omrekening van contact-, stijfheids- en stroomgegevens uit te voeren om de jonge modulus en weerstand van het monster te verkrijgen.

De resultaten identificeren de chemische aard van domeinen binnen het monster op basis van mechanische signatuur, evenals kwantitatieve verschillen in geleidbaarheid van polymeerrijke en volgende rijke fasen van het mengsel op basis van gelijktijdige mechanische en elektrische eigenschappenmetingen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van ontwikkeling van organische zonnecellen, zoals efficiëntie en stabiliteit van die cellen door effecten van actieve laagmorfologie op prestaties van de broncel te begrijpen, en de correlatie van de face-samenstelling van de actieve laag met elektrische eigenschappen. Ook kan deze methode worden toegepast op andere systemen zoals organische elektronische materialen en batterijen.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek boven andere geleidbaarheidskaartmethoden is dat de onzekerheid in het contactgebied tussen sonde en monster vrijwel is geëlimineerd. Dit betekent dat je een veel duidelijker beeld hebt van de interface-eigenschappen. Bereid het monster voor op signaalverwerving.

Begin met een P drie H-T-P-C-B-M polymeer zonnecelmonster zonder bovenelektrode. Monteer dit in een monsterhouder met externe elektrische aansluitingen voor de atoomkrachtmicroscoop. Verbind vervolgens de monsterhouder met een commerciële multi-mode atoomkrachtmicroscoop, uitgerust met een nano scope vijf controller.

Installeer een geleidende sonde in de A FM sondehouder en monteer de houder in de microscoop. Verbind nu de sondeeenheid met een externe stroomversterker. De uitgang van de stroomversterker wordt geroot in een digitale acquisitiekaart.

Gebruik de sonde om een elektrische verbinding te maken tussen de A FM sonde, het monster en de A FM spanningsbron. Zorg ervoor dat de A FM deflectinoutvoer, het krachtsignaal, de monsterhoogtoputvoer en het afstandssignaal worden verbonden met een digitale acquisitiekaart. Stel de acquisitiesnelheid op de digitale acquisitiekaarten in op 250.000 samples per seconde en de acquisitietijd op één seconde.

Pas vervolgens de gewenste bias toe tussen de A FM sonde en de zonnecel elektrodemonsters. In dit experiment werden zowel positieve zes volt als negatieve 10 volt bestudeerd. Stel nu de a FM in om in piek krachtmodus te draaien, topografiegegevens verzamelen met een piekkracht ingestelde punt van 30 nano Newtons, een ondersteunende oscillatieamplitude van 300 nanometer, een ondersteunende oscillatiefrequentie van twee kilohertz, een scannelheid van één hertz en een resolutie van vijf 12 bij vijf 12 pixels.

Het ruisniveau van het stroom signaal van de A FM sonde kan interfereren met goede signaalverwerving. Als dit een probleem is, probeer dan verschillende bedradingsschema's voor het aansluiten van de A FM sonde stroomversterker en de spanningsbron. Verzamel krachtafstand en stroomafstandcurven gelijktijdig met de verwerving van topografiegegevens. Hier wordt dit gedaan met behulp van lab view.

Matlab controle van het experiment. Gegevensanalyse begint met het lezen van de time-stamped stroom kracht- en afstandssignalen in MATLAB. Voor de gebruikte instellingen creëer 2000 krachtafstand en afstandsstroomcurven.

Voor de eerste scanlijn is het aantal curven een functie van de ondersteunende oscillatiefrequentie en scansnelheid. Hier is een representatieve curve weergegeven met de gedwongen afstandsgegevens in blauw, de contact stijfheid wordt gegeven door de hoek alfa gedefinieerd in het diagram, de waarde van de aftrekkracht. Het eerste minimum van de kracht tijdens de reactie wordt ook getoond van elke curve, bepaal de contact stijfheid en de aftrekkracht.

De rode curve in het diagram is voor de krachtstroomgegevens, de gemiddelde waarde van de stroom terwijl de ondersteuning het terugtrekgedeelte van zijn oscillatie start totdat de sonde zich van het oppervlak scheidt, wordt de stroom genoemd, de waarde wordt weergegeven. Voor deze gegevens bepaal deze stroom voor elke curve om te voltooien. De eerste scanlijn voor contact stijfheid, aftrekkracht en stroom kaarten interpoleren 2000 gelijkmatig verdeelde gegevenspunten voor elk van deze hoeveelheden door 512 punten om overeen te komen met het topografiesignaal.

Herhaal deze stappen voor elk van de 512 scanlijnen. Voorbeelden van de resulterende afbeeldingen worden in de bovenste linkerhoek getoond, zijn de resultaten van topografische meting. Rechtsboven, een ruimtelijk opgeloste aftrekkracht meting.

Linksonder toont de contact stijfheid. Rechtsonder toont de stroom, het monster was een P drie HT PCBM polymeer zonnecel zonder bovenelektrode bij negatieve 10 volt, de afbeeldingsgrootte is 10 micrometer bij 10 micrometer. De correlaties tussen de aftrekkracht, contact stijfheid en stroombeelden kunnen worden geëlimineerd door rekening te houden met de verandering in het contactoppervlak tussen de A FM sonde en het oppervlak.

Gedurende het experiment, gebruik de gegevens en de weergegeven vergelijkingen om E te vinden, de jonge modulus en rij de weerstand. De variabelen worden gedefinieerd in het tekstprotocol dat hier wordt weergegeven als de berekende jonge modulus van het monster