Name: Równoczesne ilościowe pomiary przewodności i właściwości mechanicznych organicznych materiałów fotowoltaicznych za pomocą AFM (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-01-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Odkryj mechanizmy przewodnictwa w mieszankach polimerowo-fullerenowych poprzez jednoczesne pomiary właściwości mechanicznych i elektrycznych za pomocą mikroskopii sił atomowych. Ta metoda pozwala skorelować morfologię z wydajnością elektryczną ogniw słonecznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

MPN jest wdzięczny Programowi Stypendialnemu Dyrektora za wsparcie finansowe. MPN pragnie podziękować Yu-Chih Tsengowi za pomoc w opracowaniu protokołu przetwarzania ogniw słonecznych. Praca ta została wykonana w Center for Nanoscale Materials w USA. Departament Energii, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych Obiekt Użytkowany na podstawie Umowy nr DE-AC02-06CH11357.

1. Akwizycja sygnału
<ol class="lalpha">
 <li>Umieścić próbkę (polimerowe ogniwo słoneczne bez katody (ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM)) w komercyjnym mikroskopie AFM Multimode (Veeco, Santa Barbara, CA) wyposażonym w kontroler Nanoscope-V.</li>
 <li>Zamontować przewodzącą sondę AFM w uchwycie sondy AFM Multimode.</li>
 <li>Utworzyć połączenie elektryczne pomiędzy sondą AFM, próbką a źródłem napięcia.</li>
 <li>Poprowadzić wyjście wzmacniacza prądowego (sygnał prądowy), wyjście ugięcia AFM Multimode (sygnał siły) oraz wyjście wysokości próbki AFM Multimode (sygnał odległości) do cyfrowej karty akwizycji (NI-PCI-6115 DAQ). Wzmocnienie wzmacniacza prądowego Femto DLPCA-200 wynosi 1 nA/V przy szerokości pasma 50 kHz.</li>
 <li>Przyłożyć napięcie polaryzujące 6V pomiędzy sondą AFM a elektrodą ITO.</li>
 <li>Uruchomić AFM Multimode w trybie PeakForceTM, zbierając sygnał topografii: wartość zadana siły szczytowej 30 nN, amplituda oscylacji nośnej 300 nm, częstotliwość oscylacji nośnej 2 kHz, prędkość skanowania 1 Hz oraz rozdzielczość 512 na 512 pikseli.</li>
 <li>Zbierać sygnały wymienione w punkcie d za pomocą sterowania LabView/MATLAB równolegle z akwizycją sygnału topografii (krok e).</li>
</ol>
2. Analiza danych Krok 1: Generowanie map siły oderwania, sztywności kontaktu i prądu
<ol class="lalpha">
 <li>Wczytaj sygnały prądu, siły i odległości z sygnaturami czasowymi do programu MATLAB.</li>
 <li>Wygeneruj 2000 krzywych siła-odległość oraz siła-prąd dla pierwszej linii skanowania. Liczba krzywych jest funkcją częstotliwości oscylacji wspornika oraz prędkości skanowania.</li>
 <li>Na podstawie każdej krzywej siła-odległość wyznacz sztywność kontaktu oraz siłę odrywania podczas wycofywania sondy AFM (Rycina 1).</li>
 <li>Na podstawie każdej krzywej siła-prąd wyznacz średni prąd w momencie, gdy sonda AFM pozostaje w kontakcie z powierzchnią podczas wycofywania (Rycina 1).</li>
 <li>Interpoluj 2000 równomiernie rozłożonych punktów sztywności kontaktu, siły odrywania i prądu do 512 punktów, aby dopasować je do rozdzielczości sygnału topografii. Pierwsza linia skanowania dla map sztywności kontaktu, siły odrywania i prądu została ukończona.</li>
 <li>Utwórz mapy sztywności kontaktu, siły odrywania i prądu, powtarzając kroki od b do e 512 razy. Wyniki przedstawiono na Rycynie 2.</li>
</ol>
3. Analiza danych krok 2: Eliminacja artefaktów powierzchni kontaktu
<ol class="lalpha">
 <li>Użyć równania (1) i (2) w celu wyznaczenia modułu Younga (EMATERIAL) oraz rezystywności (ρ) materiału w każdym punkcie skanowania:20 
 <img alt="Równania właściwości mechanicznych, analiza wytrzymałości materiałów, wzory, zastosowanie w badaniach edukacyjnych." fo:content-width="2.853in" fo:src="/files/ftp_upload/50293/50293eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50293/50293eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Równanie 1"> 
 wykorzystując FADH = FPULL - 8 nN (adhezja wynikająca z menisku wodnego między AFM a powierzchnią),20 mapy sztywności kontaktu (k) i natężenia prądu (I); napięcie sondowania (V), grubość filmu (L) oraz energię adhezji (w = γPROBE + γMATERIAL - γPROBE-MATERIAL, gdzie γPROBE - energia powierzchniowa materiału sondy, γMATERIAL - energia powierzchniowa materiału próbki, a γPROBE-MATERIAL - energia międzyfazowa materiału próbki i materiału sondy).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>
<li>Krebs, F. C., Gevorgyan, S. A., Alstrup, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+roll-to-roll+process+to+flexible+polymer+solar+cells%3A+model+studies%2C+manufacture+and+operational+stability+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry%22%5BJournal%5D)">A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture and operational stability studies.</a> Journal of Materials Chemistry. 19 (30), 5442-5451 (2009).</li>
<li>Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+Force+Microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Atomic Force Microscope.</a> Physical Review Letters. 56 (9), 930-933 (1986).</li>
<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>
<li>Jesse, S., Nikiforov, M. P., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+thermomechanical+characterization+of+phase+transitions+using+band+excitation+atomic+force+acoustic+microscopy+with+heated+probe%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Local thermomechanical characterization of phase transitions using band excitation atomic force acoustic microscopy with heated probe.</a> Applied Physics Letters. 93 (7), (2008).</li>
<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>
<li>Nikiforov, M. P., Zerweck, U., Milde, P., Loppacher, C., Park, T. -H., Uyeda, H. T., Therien, M. J., Eng, L., Bonnell, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+molecular+orientation+on+the+potential+of+porphyrin-metal+contacts%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">The effect of molecular orientation on the potential of porphyrin-metal contacts.</a> Nano Letters. 8 (1), 110-113 (2008).</li>
<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>
<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>
<li>Botiz, I., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optoelectronics+using+block+copolymers%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Optoelectronics using block copolymers.</a> Materials Today. 13 (5), 42-51 (2010).</li>
<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>
<li>Karagiannidis, P. G., Kassavetis, S., Pitsalidis, C., Logothetidis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+annealing+effect+on+the+nanomechanical+properties+and+structure+of+P3HT%3A+PCBM+thin+films%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Thermal annealing effect on the nanomechanical properties and structure of P3HT: PCBM thin films.</a> Thin Solid Films. 519 (12), 4105-4109 (2011).</li>
<li>Sweers, K., vander Werf, K., Bennink, M., Subramaniam, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanomechanical+properties+of+alpha-synuclein+amyloid+fibrils%3A+a+comparative+study+by+nanoindentation%2C+harmonic+force+microscopy%2C+and+Peakforce+QNM%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale+Research+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanomechanical properties of alpha-synuclein amyloid fibrils: a comparative study by nanoindentation, harmonic force microscopy, and Peakforce QNM.</a> Nanoscale Research Letters. 6, (2011).</li>
<li>Nikiforov, M. P., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+conductive+atomic+force+microscopy+measurements+on+organic+photovoltaic+materials+via+mitigation+of+contact+area+uncertainty%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Photovoltaics%3A+Research+and+Applications%22%5BJournal%5D)">Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).</li>
<li>Li, H. -C., Rao, K. K., Jeng, J. -Y., Hsiao, Y. -J., Guo, T. -F., Jeng, Y. -R., Wen, T. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nano-scale+mechanical+properties+of+polymer%2Ffullerene+bulk+hetero-junction+films+and+their+influence+on+photovoltaic+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy+Materials+and+Solar+Cells%22%5BJournal%5D)">Nano-scale mechanical properties of polymer/fullerene bulk hetero-junction films and their influence on photovoltaic cells.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (11), 2976-2980 (2011).</li>
<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>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlations+between+Mechanical+and+Electrical+Properties+of+Polythiophenes%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Correlations between Mechanical and Electrical Properties of Polythiophenes.</a> Acs Nano. 4 (12), 7538-7544 (2010).</li>
<li>Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elastic+Moduli+of+Organic+Electronic+Materials+by+the+Buckling+Method%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method.</a> Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).</li>
<li>Kuila, B. K., Nandi, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+hierarchy+in+melt-processed+poly%283-hexyl+thiophene%29-montmorillonite+clay+nanocomposites%3A+Novel+physical%2C+mechanical%2C+optical%2C+and+conductivity+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+B%22%5BJournal%5D)">Structural hierarchy in melt-processed poly(3-hexyl thiophene)-montmorillonite clay nanocomposites: Novel physical, mechanical, optical, and conductivity properties.</a> Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1621-1631 (2006).</li>
<li>Nikiforov, M. P., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+conductive+atomic+force+microscopy+measurements+on+organic+photovoltaic+materials+via+mitigation+of+contact+area+uncertainty%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Photovoltaics%3A+Research+and+Applications%22%5BJournal%5D)">Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , In Press (2012).</li>
<li>Kim, J. Y., Frisbie, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlation+of+Phase+Behavior+and+Charge+Transport+in+Conjugated+Polymer%2FFullerene+Blends%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Correlation of Phase Behavior and Charge Transport in Conjugated Polymer/Fullerene Blends.</a> Journal of Physical Chemistry C. 112 (45), 17726-17736 (2008).</li>
<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>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Ostatnie przełomy w sprawności konwersji energii (PCE) organicznych ogniw fotowoltaicznych (OPV) (zwiększenie o 10% na poziomie ogniw)3 w połączeniu z przestrzeganiem wysokoprzepustowych i tanich procesów produkcyjnych4 zwróciły uwagę na technologię OPV jako możliwe rozwiązanie dla wyzwania, jakim jest tania produkcja ogniw słonecznych o dużej powierzchni. Materiały OPV są z natury niejednorodne w skali nanometrowej. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali i wydajność urządzeń fotowoltaicznych są ze sobą ściśle powiązane. W związku z tym zrozumienie niejednorodności składu, a także właściwości elektrycznych materiałów OPV ma ogromne znaczenie dla rozwoju technologii OPV. Mikroskopia sił atomowych (AFM) jest rozwijana jako narzędzie do pomiarów topografii powierzchni w wysokiej rozdzielczości od 1986 roku. 5 Obecnie coraz większą uwagę cieszą się techniki pomiaru właściwości materiałów (moduł Younga, funkcja pracy 6-10, przewodność11, elektromechanika13-15 itd.). W przypadku materiałów OPV korelacja lokalnego składu fazowego i właściwości elektrycznych daje nadzieję na lepsze zrozumienie wewnętrznego funkcjonowania organicznych ogniw słonecznych. 1, 16-17 Techniki oparte na AFM umożliwiają atrybucję faz w wysokiej rozdzielczości8, a także mapowanie właściwości elektrycznych w materiałach polimerowych. W związku z tym, w zasadzie, korelacja składu fazowego polimeru (poprzez pomiary mechaniczne)18 i właściwości elektrycznych jest możliwa przy użyciu technik opartych na AFM. Wiele technik opartych na AFM do pomiarów właściwości mechanicznych i elektrycznych materiałów wykorzystuje założenie stałej powierzchni styku sondy AFM z powierzchnią. To założenie często zawodzi, co skutkuje silną korelacją między topografią powierzchni a właściwościami mechanicznymi/elektrycznymi. Niedawno wprowadzono nową technikę opartą na AFM do wysokoprzepustowych pomiarów właściwości mechanicznych (PeakForce)19. PeakForce TUNA (odmiana metody PeakForce) stanowi platformę do jednoczesnych pomiarów właściwości mechanicznych i elektrycznych próbki. Jednak metoda PeakForce TUNA tworzy mapy właściwości mechanicznych i elektrycznych, które zwykle są silnie skorelowane ze względu na nieuwzględnioną zmienność kontaktu podczas pomiarów. W artykule przedstawiono eksperymentalny protokół usuwania korelacji związanych ze zmiennym promieniem kontaktu przy zachowaniu dokładnych pomiarów właściwości mechanicznych i elektrycznych za pomocą AFM. Implementacja protokołu skutkuje ilościowymi pomiarami wytrzymałości materiałów i modułu Younga.

<table><tbody><tr><td>Tusze</td><td>Plextronics Plexcore</td><td>PV 1000</td><td></td></tr><tr><td>Podłoża szklane powlekane ITO</td><td>Delta Technologies, Inc</td><td></td><td>25 Ohm/sq</td></tr><tr><td>30 MHz syntetyzowany generator funkcyjny</td><td>Stanfor Research Systems</td><td>DS345</td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz prądowy</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>wyposażony w Kontroler Nanoscope-V</td></tr><tr><td>Karta DAQ</td><td>National Instruments</td><td>NI-PCI-6115</td><td></td></tr><tr><td>Metalowe sondy Pt</td><td>Oprogramowanie RMNano</td><td>12Pt3008</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>Oprogramowanie Mathworks</td><td></td><td></td></tr><tr><td>LabView</td> National <td>Instruments</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

równoczesne ilościowe pomiary przewodności i właściwości mechanicznych organicznych materiałów fotowoltaicznych za pomocą afm

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

Organiczne materiały fotowoltaiczne (OPV) są z natury niejednorodne w skali nanometrów. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali wpływa na wydajność urządzeń fotowoltaicznych. W związku z tym zrozumienie przestrzennych różnic w składzie, a także właściwości elektrycznych materiałów OPV ma ogromne znaczenie dla rozwoju technologii fotowoltaicznej. 1,2 W artykule opisano protokół pomiarów ilościowych właściwości elektrycznych i mechanicznych materiałów OPV o rozdzielczości poniżej 100 nm. Obecnie pomiary właściwości materiałów wykonywane przy użyciu dostępnych na rynku technik opartych na AFM (PeakForce, przewodzący AFM) dostarczają na ogół jedynie informacji jakościowych. Wartości rezystancji oraz modułu Younga zmierzone naszą metodą na prototypowym układzie ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM dobrze korespondują z danymi literaturowymi. Mieszanina P3HT:PC61BM rozdziela się na domeny bogate w PC61BM i bogate w P3HT. Właściwości mechaniczne domen bogatych w PC61BM i P3HT są różne, co pozwala na atrybucję domen na powierzchni folii. Co ważne, połączenie danych mechanicznych i elektrycznych pozwala na korelację struktury domeny na powierzchni folii ze zmiennością właściwości elektrycznych mierzoną przez grubość folii.

Mapy modułu Younga i rezystywności (Rycina 3) przedstawiają typowe wyniki pomiarów opisanych powyżej. Właściwości mechaniczne i elektryczne stosu ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM mierzono przy ujemnym (-10 V) i dodatnim (+6 V) napięciu przyłożonym do sondy AFM. Artefakty obrazowania związane z oddziaływaniem elektrostatycznym między sondą AFM a próbką są częstym problemem w przypadku ilościowych pomiarów właściwości funkcjonalnych z użyciem AFM. Podobieństwo wartości modułu Younga zmierzonych przy ró...

Organiczne materiały fotowoltaiczne (OPV) są z natury niejednorodne w skali nanometrów. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali wpływa na wydajność urządzeń fotowoltaicznych. W artykule opisano protokół pomiarów ilościowych właściwości elektrycznych i mechanicznych materiałów OPV o rozdzielczości poniżej 100 nm.

Równoczesne ilościowe pomiary przewodności i właściwości mechanicznych organicznych materiałów fotowoltaicznych za pomocą AFM

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

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest zrozumienie mechanizmów przewodnictwa w rozdzielonych fazowo mieszaninach polimerowo-fulerenowych poprzez korelację morfologii z właściwościami elektrycznymi. Morfologia i właściwości elektryczne mieszanin polimerowych są dwoma głównymi czynnikami kontrolującymi ich wydajność w organicznych ogniwach słonecznych. Korelację morfologii z właściwościami elektrycznymi próbek osiąga się poprzez jednoczesne pomiary właściwości mechanicznych i elektrycznych próbki przy użyciu mikroskopu sił atomowych z autorskim kontrolerem i systemem akwizycji danych.Metoda ta jest wykorzystywana do zbierania danych o rozdzielczości przestrzennej dotyczących zależności siły od odległości między sondą A FM a powierzchnią próbki, a w drugim kroku zależności natężenia prądu od odległości między sondą A FM a próbką, a następnie do automatycznej analizy krzywych siła-odległość oraz prąd-odległość zebranych w każdym punkcie skanowania. Pozwala to na uzyskanie map wysokiej rozdzielczości kontaktu, sztywności, siły odrywania oraz natężenia prądu. Następnie stosuje się przybliżony model mechaniki kontaktu w celu przeprowadzenia matematycznej konwersji danych dotyczących kontaktu, sztywności i prądu, aby wyznaczyć moduł Younga oraz rezystancję próbki.Wyniki pozwalają na identyfikację charakteru chemicznego domen w próbce na podstawie sygnatury mechanicznej, a także na określenie ilościowych różnic w przewodnictwie faz bogatych w polimer oraz faz bogatych w akceptor w mieszaninie, w oparciu o jednoczesne pomiary właściwości mechanicznych i elektrycznych. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie rozwoju organicznych ogniw słonecznych, takich jak sprawność i stabilność tych ogniw, poprzez zrozumienie wpływu morfologii warstwy aktywnej na wydajność ogniwa oraz korelacji składu fazowego warstwy aktywnej z jej właściwościami elektrycznymi. Ponadto metodę tę można zastosować w innych układach, takich jak organiczne materiały elektroniczne oraz baterie.Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi metodami mapowania przewodnictwa jest praktyczna eliminacja niepewności dotyczącej powierzchni styku próbki z końcówką. Oznacza to uzyskanie znacznie wyraźniejszego obrazu właściwości międzyfazowych. Przygotuj próbkę do akwizycji sygnału.Rozpocznij od próbki polimerowego ogniwa słonecznego P3HT-PCBM bez elektrody górnej. Zamocuj ją w uchwycie do próbek z zewnętrznymi złączami elektrycznymi do mikroskopu sił atomowych. Następnie podłącz uchwyt do próbek do komercyjnego wielotrybowego mikroskopu sił atomowych, wyposażonego w kontroler NanoScope V.Zainstaluj sondę przewodzącą w uchwycie sondy AFM, a następnie zamontuj uchwyt w mikroskopie. Teraz podłącz zespół sondy do zewnętrznego wzmacniacza prądowego. Wyjście wzmacniacza prądowego jest skierowane do cyfrowej karty akwizycji danych.Wystarczy sonda, aby zapewnić połączenie elektryczne między sondą A FM, próbką a źródłem napięcia A FM. Należy upewnić się, że wyjście odchylenia A FM (sygnał siły) oraz wyjście wysokości próbki (sygnał odległości) są podłączone do karty akwizycji cyfrowej. Ustaw częstotliwość próbkowania na kartach akwizycji cyfrowej na 250 000 próbek na sekundę, a czas akwizycji na jedną sekundę.Następnie przyłóż pożądane napięcie polaryzujące pomiędzy sondę AFM a próbki elektrod ogniwa słonecznego. W tym doświadczeniu badano wartości +6 V oraz -10 V. Teraz ustaw AFM tak, aby pracował w trybie Peak Force, zbierając dane topograficzne przy wartości zadanej Peak Force wynoszącej 30 nN, amplitudzie oscylacji wspierających 300 nm, częstotliwości oscylacji wspierających 2 kHz, prędkości skanowania 1 Hz oraz rozdzielczości 512 na 512 pikseli.Poziom szumów w sygnale prądowym z sondy A FM może zakłócać prawidłową akwizycję sygnału. Jeśli występuje taki problem, należy wypróbować różne schematy okablowania przy połączeniu wzmacniacza prądowego sondy A FM z źródłem napięcia. Krzywe siły od odległości oraz prądu od odległości należy rejestrować jednocześnie z akwizycją danych topograficznych. W tym przypadku proces ten jest realizowany przy użyciu programu LabVIEW.Sterowanie eksperymentem za pomocą programu Matlab. Analiza danych rozpoczyna się od odczytania aktualnych sygnałów siły i odległości z sygnaturą czasową do programu MATLAB. Przy zastosowanych ustawieniach generowane są 2000 krzywych siła-odległość oraz odległość-prąd.W przypadku pierwszej linii skanowania liczba krzywych jest funkcją częstotliwości oscylacji wspornika oraz prędkości skanowania. Przedstawiono tutaj reprezentatywną krzywą, na której dane dotyczące wymuszonej odległości zaznaczono kolorem niebieskim; sztywność kontaktu jest określana przez kąt alfa zdefiniowany na schemacie oraz wartość siły odrywania. Na każdej krzywej zaznaczono również pierwsze minimum siły podczas reakcji; na ich podstawie należy wyznaczyć sztywność kontaktu i siłę odrywania.Czerwona krzywa na wykresie przedstawia dane prądu siły; średnia wartość prądu od momentu rozpoczęcia fazy powrotnej oscylacji podpory aż do oddzielenia sondy od powierzchni jest określana jako prąd i jej wartość została wskazana. Dla tych danych należy wyznaczyć ten prąd dla każdej krzywej w celu uzupełnienia wyników. W przypadku pierwszej linii skanowania dla map sztywności kontaktu, siły odrywania i prądu, interpoluje się 2000 równomiernie rozmieszczonych punktów danych dla każdej z tych wielkości do 512 punktów, aby dopasować je do sygnału topografii.Powtórz te kroki dla każdej z 512 linii skanowania. Przykłady uzyskanych obrazów przedstawiono w górnej części: po lewej stronie znajdują się wyniki pomiaru topograficznego, a po prawej wyniki pomiarów siły odrywania w rozdzielczości przestrzennej.W lewym dolnym rogu przedstawiono sztywność kontaktu. W prawym dolnym rogu pokazano prąd; próbką była polimerowa ogniwo słoneczne P3HT:PCBM bez elektrody górnej przy napięciu -10 V, rozmiar obrazu wynosi 10 µm na 10 µm. Korelację między obrazami siły odrywania, sztywności kontaktu i prądu można wyeliminować, uwzględniając zmianę powierzchni styku między sondą AFM a powierzchnią.W trakcie eksperymentu należy wykorzystać dane oraz wyświetlone równania, aby wyznaczyć E, moduł Younga, oraz rezystywność. Zmienne są zdefiniowane w protokole tekstowym przedstawionym tutaj jako obliczony moduł Younga dla próbki pokazanej wcześniej. Napięcie polaryzacyjne wynosi minus 10 V.Wyraźnie widoczne są dwa typy domen o różnym module Younga. Domeny bogate w polimer są koloru niebieskiego, natomiast bogate w wypełniacz – ciemnoczerwonego. Mapy rezystywności dostarczają informacji o przewodnictwie elektrycznym między warstwami ogniwa słonecznego.Poniżej przedstawiono rozkład przestrzenny modułu Younga i rezystywności z innego obszaru tej samej próbki. Tym razem, przy napięciu polaryzującym wynoszącym 6 V, białe strzałki wskazują obszary w pełni wzbogaconych domen. Należy zauważyć, że rezystywność zmienia się w zależności od polarności napięcia polaryzującego.Obszary te wykazują niską rezystywność przy ujemnym napięciu polaryzującym i wysoką rezystywność przy dodatnim napięciu polaryzującym po zastosowaniu tej procedury. W celu udzielenia odpowiedzi na dodatkowe pytania, takie jak korelacja morfologii warstwy aktywnej w organicznych ogniwach słonecznych z wydajnością urządzenia, można zastosować inne metody, np. konwersję mocy czy pomiar sprawności kompletnego ogniwa słonecznego.

concurrent-quantitative-conductivity-mechanical-properties

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Równoległe pomiary ilościowej przewodności i właściwości mechanicznych materiałów fotowoltaicznych organicznych za pomocą AFM

Ten artykuł demonstruje protokół charakteryzujący właściwości mechaniczne żywych komórek za pomocą mikrowgłębienia za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM).

Pomiar właściwości mechanicznych żywych komórek za pomocą mikroskopii sił atomowych

Poczyniono postępy w wykorzystaniu rozpraszania częstości występowania echa spinowego (SERGIS) jako techniki rozpraszania neutronów do badania skal długości w próbkach o nieregularnym charakterze. Krystality estru metylowego kwasu [6,6]-fenylo-C61-masłowego przebadano techniką SERGIS, a wyniki potwierdzono mikroskopią sił optycznych i atomowych.

Wykorzystanie neutronowego echa spinowego do rozwiązania problemu rozpraszania padania w celu zbadania organicznych materiałów ogniw słonecznych

Ten eksperymentalny protokół opisuje, jak mikroskopia sił atomowych może być używana do pomiaru twardości w prawdziwej skali nanometrowej i do wykrywania pojedynczych zdarzeń plastyczności atomowej.

Ilościowy pomiar twardości za pomocą oprzyrządowanego wgłębienia AFM

W tym artykule opisujemy metody elektrochemiczne, elektronowego rezonansu paramagnetycznego oraz ultrafioletowo-widzialnego i bliskiej podczerwieni spektroelektrochemiczne do analizy związków organicznych do zastosowania w elektronice organicznej.

Wykorzystanie woltamperometrii cyklicznej, UV-vis-NIR i spektroelektrochemii EPR do analizy związków organicznych

Tutaj prezentujemy mikroskopię sił atomowych (AFM), działającą jako narzędzie do nano- i mikro-indentacji komórek i tkanek. Przyrząd pozwala na jednoczesne pozyskiwanie topografii powierzchni 3D próbki i jej właściwości mechanicznych, w tym modułu Younga ściany komórkowej oraz ciśnienia turgoru.

Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do pomiaru właściwości mechanicznych i ciśnienia turgoru komórek roślinnych i tkanek roślinnych

Kowalencyjne dołączanie cząsteczek sondy do końcówek wsporników mikroskopii sił atomowych (AFM) jest niezbędną techniką do badania ich właściwości fizycznych. Dzięki temu możemy określić siłę rozciągania, siłę desorpcji i długość polimerów za pomocą spektroskopii sił pojedynczych cząsteczek opartej na AFM o wysokiej odtwarzalności.

Kowalencyjne przyłączanie pojedynczych cząsteczek do spektroskopii sił opartej na AFM

Mikroskopia sił atomowych (AFM) w połączeniu ze skaningową mikroskopią elektrochemiczną (SECM), a mianowicie AFM-SECM, może być używana do jednoczesnego pozyskiwania informacji topograficznych i elektrochemicznych o wysokiej rozdzielczości na powierzchniach materiałów w nanoskali. Takie informacje mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia niejednorodnych właściwości (np. reaktywności, defektów i miejsc reakcji) na lokalnych powierzchniach nanomateriałów, elektrod i biomateriałów.

Sondowanie powierzchniowej aktywności elektrochemicznej nanomateriałów przy użyciu hybrydowego mikroskopu sił atomowych ze skaningowym mikroskopem elektrochemicznym (AFM-SECM)

Badania biomechaniki ściany komórkowej są niezbędne do zrozumienia wzrostu i morfogenezy roślin. Zaproponowano następujący protokół do zbadania cienkich pierwotnych ścian komórkowych w tkankach wewnętrznych młodych organów roślinnych za pomocą mikroskopii sił atomowych.

Charakterystyka właściwości mechanicznych pierwotnej ściany komórkowej w żywych organach roślinnych z wykorzystaniem mikroskopii sił atomowych

Ilościowe określenie powierzchni styku i siły wywieranej przez końcówkę sondy mikroskopu sił atomowych (AFM) na powierzchnię próbki umożliwia określenie właściwości mechanicznych w nanoskali. Omówiono najlepsze praktyki w zakresie wdrażania nanotwardości opartej na wspornikach AFM w powietrzu lub płynie na miękkich i twardych próbkach w celu pomiaru modułu sprężystości lub innych właściwości nanomechanicznych.

Mikroskopia sił atomowych Nanotwardość oparta na wspornikach: pomiary właściwości mechanicznych w nanoskali w powietrzu i płynie

Wielkoskalowa kontrola próbek z rozdzielczością nanoskali ma szeroki zakres zastosowań, szczególnie dla nanofabrykowanych płytek półprzewodnikowych. Mikroskopy sił atomowych mogą być doskonałym narzędziem do tego celu, ale są ograniczone przez szybkość obrazowania. W tej pracy wykorzystuje się równoległe aktywne układy wspornikowe w AFM, aby umożliwić inspekcje o wysokiej przepustowości i na dużą skalę.

Mikroskopia sił atomowych z sondą aktywną z układami wspornikowymi Quattro-Parallel do wysokowydajnej kontroli próbek na dużą skalę

Odkryj mechanizmy przewodnictwa w mieszankach polimerowo-fullerenowych poprzez jednoczesne pomiary właściwości mechanicznych i elektrycznych za pomocą mikroskopii sił atomowych. Ta metoda pozwala skorelować morfologię z wydajnością elektryczną ogniw słonecznych.

Równoczesne ilościowe pomiary przewodności i właściwości mechanicznych organicznych materiałów fotowoltaicznych za pomocą AFM

Przeglądaj więcej filmów