Прогресс был достигнут в использовании спина эхо решен рассеяния заболеваемости выпаса (SERGIS) в качестве метода рассеяния нейтронов для зондирования длины масштаба в нерегулярных образцов. Кристаллиты метилового эстера «6,6»-фенил-C61-бутириковой кислоты были исследованы с использованием метода SERGIS и результатов, подтвержденных оптической и атомной микроскопией силы.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Использование нейтронного спина Эхо Решенные выпаса заболеваемости рассеяния для расследования органических материалов солнечных батарей
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Спин эхо решен выпаса заболеваемости рассеяния (SERGIS) техника была использована для зондирования длины масштабах, связанных с неправильной формы кристаллита. Нейтроны проходят через две четко определенные области магнитного поля; один до и один после образца. Две области магнитного поля имеют противоположную полярность и настроены таким образом, что нейтроны, путешествующие через обе области, не будучи возмущенными, будут подвергаться одинаковому количеству прецессий в противоположных направлениях. В этом случае нейтронная прецессия во второй руке, как говорят, «эхо» первой, и оригинальная поляризация луча сохраняется. Если нейтрон взаимодействует с образцом и эластично рассеивается, путь через вторую руку не такой же, как первый, и первоначальная поляризация не восстанавливается. Деполяризация нейтронного луча является высокочувствительным зондом под очень маленькими углами (<50 градусов), но по-прежнему позволяет использовать высокоинтенсивный, расходящийся луч. Уменьшение поляризации луча, отраженного от выборки, по сравнению с выборкой может быть непосредственно связано со структурой в выборке.
По сравнению с рассеянием, наблюдаемым в измерениях нейтронного отражения, сигналы SERGIS часто слабы и вряд ли будут наблюдаться, если внутри плоскостные структуры в пределах наблюдаемого образца разбавляются, неупорядочиваются, малы по размеру и полидисперсу или контраст рассеяния нейтронов низок. Таким образом, хорошие результаты, скорее всего, будут получены с помощью метода SERGIS, если измеренный образец состоит из тонких пленок на плоском субстрате и содержит функции рассеяния, которые содержат высокую плотность объектов умеренного размера (от 30 нм до 5 мкм), которые сильно рассеивают нейтроны или объекты расположены на решетке. Преимуществом метода SERGIS является то, что он может зондировать структуры в плоскости образца.
Введение
Метод SERGIS стремится получить уникальную структурную информацию, недоступная с использованием других методов рассеяния или микроскопии из образцов тонкой пленки. Методы микроскопии, как правило, ограничены поверхностью или требуют значительных изменений/подготовки образца для просмотра внутренних структур. Обычные методы рассеяния, такие как отражаемость может предоставить подробную информацию о похоронен образцов структуры в качестве функции глубины в тонкой пленке, но не может зонд структуры в плоскости тонкой пленки легко. В конечном счете есть надежда, что SERGIS позволит исследовать эту боковое сооружение даже при зарыти в образец тонкой пленки. Представленные здесь репрезентативные результаты свидетельствуют о том, что можно наблюдать сигнал SERGIS от нерегулярных функций выборки и что измеренный сигнал может быть коррелирован с характерной шкалой длины, связанной с особенностями, присутствующими в образце, что подтверждается обычными методами микроскопии.
Неуязвимые методы эхо спина были разработаны Mezei и др. 1 в 1970-х годах. С тех пор метод SERGIS (который является продолжением идей Mezei et al.)был успешно продемонстрирован экспериментально с использованием различных образцов, таких как очень регулярные дифракционныерешетки 2-6 и круговые обометутые полимерные капли7. Динамическая теория была разработана Pynn и коллегами для моделирования сильного рассеяния из очень регулярныхобразцов 3-6,8. В этой работе были освещены многие практические аспекты, которые следует учитывать при проведении такого рода измерений, и был проведен постоянный диалог в рамках небольшого многонационального сообщества.
Хорошие результаты экспериментов SERGIS, скорее всего, будут получены, если измеренный образец состоит из тонкой пленки на плоском субстрате и содержит функции рассеяния с высокой плотностью умеренного размера (от 30 нм до 5 мкм), которые сильно рассеивают нейтроны, о чемсвидетельствуют авторы 9. В отличие от других установленных методов отражания, которые зондировать образец в качестве функции глубины, метод SERGIS имеет то преимущество, что он может зондировать структуры в плоскости поверхности образца. Кроме того, использование спин-эхо устраняет необходимость плотно коллиматировать нейтронный луч для получения либо высокого пространственного или энергетического разрешения, следовательно, значительные выгоды потока могут быть достигнуты. Это особенно актуально для геометрий выпаса, которые значительно ограничены потоком из-за необходимости сильно коллиматировать луч в одном направлении. Поэтому с помощью прибора OffSpec следует иметь возможность исследовать весы длины от 30 нм до 5 мкм как в навалом, так и в поверхностных структурах.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Подготовка образцов
- Очистите кремниевые субстраты, поместив 2 в кремниевые пластины толщиной 4 мм в кислородной плазме в течение 10 мин.
- Спинкоув первого слоя на субстратах
- Фильтр поли (3,4-этилендиоксиофен): поли (стиренесульфонат) (PEDOT:PSS) через фильтр PTFE 0,45 мкм (PALL).
- Используйте приблизительно 0,5 мл для каждого образца, чтобы вращаться пальто PEDOT: PSS тонкая пленка на два чистых субстрата при 5000 об / мин спиннинг в течение 60 сек.
- Высушите каждый субстрат в течение 10 минут в духовке при температуре 70 градусов по Цельсию.
- Подготовка раствора смеси для второго слоя
- Растворите поли (3-гексилтиофен-2,5-диол) (P3HT) в хлоробензене при концентрации 50 мг/мл.
- Приготовьте раствор PCBM также в хлоробензене при концентрации 50 мг/мл.
- Смешайте два решения в пропорции 1:0.7 P3HT:PCBM.
- Фильтр смешанного раствора через фильтр PTFE 0,45 мкм.
- Spincoat второй слой путем депонирования около 100 мкл P3HT:PCBM решение на PEDOT: PSS покрытием субстратов, а затем спина на 2000 об / мин в течение 30 сек, чтобы сформировать второй слой.
- Оставьте один образец в качестве литых и термически anneal другой в течение 1 часа при температуре 150 градусов по Цельсию в духовке. Это приводит к росту больших кристаллитов PCBM на тонкой поверхности пленки.
2. Характеристика образца микроскопией
- Оптическая микроскопия
- Сделайте оптическое микроскопию изображения обоих образцов с помощью 40X микроскопа цели на оптическом микроскопе, работающих в режиме отражения, захватив изображения с помощью камеры CCD.
- Заметь калибровочное изображение образца известной длины при том же увеличении, используемом для шага 2.1.1
- Рассчитайте размер пикселя в микронах для изображений, определив количество пикселей для выборки известного размера.
- Используйте этот размер пикселей для калибровки изображений с помощью любого легкодоступного программного обеспечения микроскопии. Пример откалиброванного изображения оптической микроскопии показан на рисунке 1.
- Микроскопия атомных сил
- Возьмите атомной силы микроскопа (AFM) изображение двух образцов.
- Анализируйте данные с помощью любого легкодоступного программного обеспечения для сканирования зонда для генерации цифр профиля строки, как те, которые представлены на рисунке 1.
3. СерГИС Эксперимент
- Выберите подходящий эталонный образец для обеспечения эталонной поляризации P0,которая позволяет нормализовать данные, полученные из выборки данных о интересах.
- Выравнивание образца и эталонного образца
- Поместите все три образца на таблицу позиционирования; это может быть переведено через нейтронный луч, так что каждый образец может быть помещен в луч в свою очередь.
- Распоить образец ссылки P0 в луче, перевемив таблицу образца.
- При выравниванииэталонного образца P 0 к угловой точности <0,005 " с использованием стандартных методов выравнивания отражения.
- Поместите образец интереса в нейтронный луч, перевехав таблицу образцов.
- Согласовать выборку, представляющие интерес, с угловой точностью <0,005" с использованием стандартных методов выравнивания отражения.
- Повторите этот процесс выравнивания для всех примеров, представляющих интерес для измеряется.
- Настройте инструмент SERGIS так, чтобы он был в режиме эхо
- Создать специальный внеспециализированный отражалометр OffSpec на ISIS Pulsed Neutron и Muon Source (Оксфордшир, Великобритания) для производства длин волн от 2-14. Более подробную информацию об использовании настройки можно найти здесь10.
- Настройте прибор, чтобы сбалансировать общее количество прецессий нейтронов в каждой руке прибора путем сканирования тока в части расположения направляющего поля. Это достигается путем установления силы и наклона магнитных полей в кодирующих руках прибора, которые определяются расстоянием между флипперами вращения РФ.
- Установите угол выпаса, наклонив таблицу образцов, чтобы нейтронный луч был случайно установленна образце P 0 (для этого эксперимента под углом 0,3 ").
- Блокируйте непосредственно передаваемый нейтронный луч от достижения детектора, чтобы предотвратить проблемы насыщения.
- Измерьте образцы
- Переместите этап перевода образца так, чтобы эталонный образец снова был в нейтронной балке и измерял рассеянную интенсивность нейтронов как функцию положения на вертикально ориентированном линейном детекторе сцинтиллятора для эталонного образца. Измерьте как спин вверх, так и спин вниз ориентации, листать спина рассеянного луча непосредственно перед анализатором. Обычно это делается в течение примерно 1 часа. Это позволяет определить поляризацию, а также рассеянную интенсивность для обоих параметров.
- Перевестите этап выборки таким образом, чтобы измерить первый из образцов, представляющих интерес, снова запись как спина вверх и спина вниз ориентации в качестве функции положения с помощью вертикально ориентированных линейных детектор сцинтиллятора в течение примерно 1 часа.
- Повторите шаги 3.6.1 и 3.6.2 до тех пор, пока не будет получена достаточно хорошая статистика подсчета данных для этого измерения. Обычно это около 8 часов / образец в общей сложности.
- Повторите шаги 3.6.1-3.6.3 для любых дальнейших образцов, которые должны быть измерены.
- Собранные данные состоят как из спина вверх, так и спина вниз 2D-карты интенсивности для каждого образца. Рассчитайте поляризацию для каждого пикселя в наборах 2D данных с помощью формулы
где P является поляризация, ия вверх, и я вниз являются измеренные спина вверх и спина вниз интенсивности соответственно. - Нормализация наборов данных, полученных для выборок, представляющих интерес, с использованиемданных справочной выборки P 0, собранных для создания нормализованной карты интенсивности поляризации в соответствии с формулой
где PNormalized является расчетом обусловленной поляризации, а PSample - значением поляризации выборки, а P0 - поляризацией, измеренной с помощью эталонного образца P0. - Интеграция данных SERGIS в подходящий диапазон
- Выберите область(т.е. диапазон пикселей в нормализованном участке поляризации) для интеграции данных SERGIS. Эта область должна быть выбрана таким образом, чтобы избежать заболачивания желаемого сигнала SERGIS любыми потенциальными неоднородными неоднородности поляризации в результате несовершенства полевых линейных интегралов. Доступное пространство, с которым может быть интегрирован сигнал SERGIS, фактически ограничено рядом дискретных значений в любой конфигурации длины спин-эхо, где вектор передачи импульса, т.е. изменение импульса нейтрона после взаимодействия с образцом
- Уменьшите 2D данные путем интеграции нормализованной поляризации, чтобы получить функцию корреляции SERGIS G(y), которая была определена ранее5. Строго G(y) должны быть интегрированы в бесконечность по обоим векторам, перпендикулярно y, однако, по экспериментальным причинам область интеграции ограничена выбранной обнаруженной интенсивностью выше горизонта выборки.
- Компенсируют различные плотности длины рассеяния на разных длинах волн, рассматривая данные аналогичным образом, чтобы вращаться эхо малых угловых нейтронных рассеяния данных путем построения данных в форме:
где - длина спинового эха в нм и может быть легко рассчитана с помощью yNo 2 , где α является постоянным определяется с помощью калиброванных констант для данной установки инструмента11.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Представленные здесь репрезентативные результаты из образцов «6,6»-фенил-C61-бутириновой кислоты метиловый эстер (PCBM) и поли (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) представляют значительный интерес из-за их широкого применения в качестве навалочных гетеро-соединенийв органических фотоэлектрических клетках 12,13. Обычно во время изготовления органического фотоэлектрического устройства, P3HT:PCBM смесь решение спин-литые из смеси раствор для формирования тонкой пленки на поли (3,4-этилендиоксиофен):p oly (styrenes...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Данные микроскопии на рисунке 1 ясно показывают, что перед annealing P3HT:PCBM тонкая пленка плоская и гладкая и после теплового annealing Есть много больших нерегулярных кристалллитов PCBM присутствует на поверхности с боковой размеры, начиная от около 1-10 мкм. Это объясняется миграцией PCBM к верхней поверхности пленки и последующей агрегацией для формирования больших кристаллитов. Сильный сигнал SERGIS, связанный с рассеянием кристалллитов PCBM в анноленом образце, виден на рисунке 4.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Автор Роберт Dalgliesh является сотрудником ISIS Импульсный нейтрон и Muon Источник, который размещает инструмент, используемый в этом эксперименте.
Благодарности
AJP финансировался грантом платформы EPSRC Soft Nanotechnology EP/E046215/1. Нейтронные эксперименты были поддержаны STFC путем выделения экспериментального времени для использования OffSpec (RB 1110285).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Кремний 2 в кремниевых подложках | Пролог | толщиной 4 мм отполированный с одной стороны | |
| Кислородная плазма | Diener | Система кислородной плазменной очистки для очистки подложек перед нанесением покрытия | |
| Поли(3,4-этилендиокситиофен): поли(стиролсульфонат) | Ossila | PEDOT:PSS проводящий полимерный слой для органических фотоэлектрических образцов | |
| 0,45 мкм; m PTFE фильтр | Sigma Aldrich | Filer для удаления заполнителей из растворов PEDOT:PSS и P3HT | |
| Хлорбензол | Sigma Aldrich | Solvent for P3HT | |
| Poly(3-гексилтиофен-2,5-диил) | Ossila | P3HT - полимер, используемый в полимерной фотовольтаике | |
| Spin Coater | Laurell | Deposition system для изготовления плоских тонких полимерных пленок | |
| Vacuum Oven | Связующая | печь для отжига образцов после подготовки | |
| Nikon Eclipse E600 оптический микроскоп | Nikon | Microscope | |
| Veeco Dimension 3100 AFM | Veeco | AFM | |
| Tapping mode tips (~275 кГц) | Olympus | AFM наконечники | |
| Quartz Disc | Refrence образцы для измерения SERGIS | ||
| Spin Echo off-specular рефлектометр | OffSpec на источнике импульсных нейтронов и мюонов ISIS (Оксфордшир, Великобритания) | Производит импульсные нейтроны 2-14 & Aring; | |
| Нейтронный детектор | Offspec | вертикально ориентированный линейный сцинтилляторный детектор | |
| RF спиновые флипперы | Offspec | ||
| Магнитные полевые направляющие | Offspec | ||
| программное обеспечение для манипулирования данными | Mantid | http://www.mantidproject.org/Main_Page |
Ссылки
- Mezei, F. Neutron spin echo: A new concept in polarized thermal neutron techniques. Zeitschriftfür Physik A Hadrons Nuclei. 255, 146-160 (1972).
- Falus, P., Vorobiev, A., Krist, T. Test of a two-dimensional neutron spin analyzer. Physica B Condens. Matter. Mater. Phys. , 385-386 (2006).
- Ashkar, R., et al. Dynamical theory calculations of spin-echo resolved grazing-incidence scattering from a diffraction grating. J. Appl. Crystallogr. 43 (3), 455-465 (2010).
- Ashkar, R., et al. Dynamical theory: Application to spin-echo resolved grazing incidence scattering from periodic structures. J. Appl. Phys. 110 (10), (2011).
- Pynn, R., Ashkar, R., Stonaha, P., Washington, A.L.,Some recent results using spin echo resolved grazing incidence scattering. SERGIS). hysica B Condens. Matter. Mater. Phys. 406 (12), 2350-2353 (2011).
- Ashkar, R., et al. Spin-Echo Resolved Grazing Incidence Scattering (SERGIS) at Pulsed and CW Neutron Sources. J. Phy. Conf. Ser. 251 (1), (2010).
- Vorobiev, A., et al. Phase and microphase separation of polymer thin films dewetted from Silicon-A spin-echo resolved grazing incidence neutron scattering study. J. Phys. Chem. B. 115 (19), 5754-5765 (2011).
- Major, J., et al. A spin-echo resolved grazing incidence scattering setup for the neutron interrogation of buried nanostructures. Rev. Sci. Instrum. 80 (12), (2009).
- Parnell, A. J., Dalgliesh, R. M., Jones, R. A. L., Dunbar, A. D. F. A neutron spin echo resolved grazing incidence scattering study of crystallites in organic photovoltaic thin films. Appl. Phys. Lett. 102, (2013).
- Dalgliesh, R. M., Langridge, S., Plomp, J., De Haan, V. O., Van Well, A. A. Offspec, the ISIS spin-echo reflectometer. hysica B Condens. Matter. Mater. Phys. 406 (12), 2346-2349 (2011).
- Krouglov, T., de Schepper, I. M., Bouwman, W. G., Rekveldt, M. T. Real-space interpretation of spin-echo small-angle neutron scattering. J. Appl. Crystallogr. 36, 117-124 (2003).
- Brady, M. A., Su, G. M., Chabinyc, M. L. Recent progress in the morphology of bulk heterojunctionphotovoltaics. Soft Matter. 7 (23), 11065-11077 (2011).
- Huang, Y. -C., et al. Study of the effect of annealing process on the performance of P3HT/PCBM photovoltaic devices using scanning-probe microscopy. Solar Energy Mater. Solar Cells. 93 (6-7), 888-892 (2009).
- Parnell, A. J., et al. Depletion of PCBM at the Cathode Interface in P3HT/PCBM Thin Films as Quantified via Neutron Reflectivity Measurements. Adv. Mater. 22 (22), 2444-2447 (2010).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
Теги
