Summary
وقد أحرز تقدم في استخدام تشتت حالات الرعي التي تم حلها في صدى الدوران (SERGIS) بصورة تقنية تشتت النيوترونات من أجل استكشاف مقاييس الطول في العينات غير المنتظمة. وقد تم فحص كريستاليت من [6،6] - فينيل - C61 - بوتير حامض ال بوتير باستخدام تقنية SERGIS والنتائج التي أكدها المجهر البصري والقوة الذرية.
Abstract
وقد تم استخدام تقنية تشتت حالات التشتت (SERGIS) التي حلها صدى الدوران للتحقيق في مقاييس الطول المرتبطة بالبلورات غير المنتظمة الشكل. يتم تمرير النيوترونات من خلال منطقتين محددتين جيدا من المجال المغناطيسي; واحد قبل واحد بعد العينة. وتكفي المنطقتان المغنطيسيتان قطبيتين متقابلتين، ويتم ضبطهما بحيث تخضع النيوترونات التي تمر عبر المنطقتين، دون أن تكون مضطربة، لنفس العدد من النتوئات في اتجاهين متعارضين. في هذه الحالة يقال إن السبق النيوتروني في الذراع الثاني "صدى" الأول ، ويتم الحفاظ على الاستقطاب الأصلي للشعاع. إذا تفاعل النيوترون مع عينة وتناثر مرونيا المسار من خلال الذراع الثاني ليست هي نفسها كما الأولى والاستقطاب الأصلي لا يتعافى. إزالة الاستقطاب من شعاع النيوترون هو مسبار حساسة للغاية في زوايا صغيرة جدا (<50 ميكروراد) ولكن لا يزال يسمح كثافة عالية، شعاع متباينة لاستخدامها. ويمكن أن يرتبط الانخفاض في استقطاب الشعاع المنعكس من العينة بالمقارنة مع ذلك من العينة المرجعية ارتباطا مباشرا بالهيكل داخل العينة.
بالمقارنة مع التشتت الملاحظ في قياسات انعكاس النيوترونات، غالبا ما تكون إشارات SERGIS ضعيفة ومن غير المرجح ملاحظتها إذا كانت الهياكل داخل المستوى داخل العينة قيد التحقيق مخففة أو مضطربة أو صغيرة الحجم وتعدد الأضلاع أو أن تباين تشتت النيوترون منخفض. لذلك، من المرجح أن يتم الحصول على نتائج جيدة باستخدام تقنية SERGIS إذا كانت العينة التي يتم قياسها تتكون من أفلام رقيقة على ركيزة مسطحة وتحتوي على ميزات مبعثرة تحتوي على كثافة عالية من الميزات متوسطة الحجم (30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر) والتي تنتشر النيوترونات بقوة أو يتم ترتيب الميزات على شعرية. ميزة تقنية SERGIS هي أنه يمكن استكشاف الهياكل في مستوى العينة.
Introduction
تهدف تقنية SERGIS إلى أن تكون قادرة على تقديم معلومات هيكلية فريدة لا يمكن الوصول إليها باستخدام تقنيات التشتت أو المجهر الأخرى من عينات رقيقة. تقنيات المجهر عادة ما تكون محدودة السطح أو تتطلب تغيير كبير / إعداد العينة لعرض الهياكل الداخلية. تقنيات التشتت التقليدية مثل الانعكاسية يمكن أن توفر معلومات مفصلة عن هياكل العينة المدفونة كدالة للعمق داخل الفيلم رقيقة ولكن لا يمكن التحقيق هيكل في الطائرة من فيلم رقيقة بسهولة. في نهاية المطاف يؤمل أن سيرجيس ستمكن هذا الهيكل الجانبي أن يكون التحقيق حتى عندما دفن داخل عينة رقيقة الفيلم. وتبين النتائج التمثيلية المعروضة هنا أنه من الممكن رصد إشارة سيرجيس من خصائص العينة غير المنتظمة، وأن الإشارة المقاسة يمكن ربطها بمقياس طول مميز مرتبط بالسمات الموجودة في العينة، كما تؤكد ذلك تقنيات الفحص المجهري التقليدية.
تم تطوير تقنيات صدى الدوران غير الميلاستيك من قبل Mezei وآخرون. 1 في السبعينات. ومنذ ذلك الحين تم إثبات تقنية SERGIS (التي هي امتداد لأفكار Mezei وآخرون)بنجاح باستخدام مجموعة متنوعة من العينات مثل صريف الحيود العادية للغاية2-6 وقطرات البوليمر الدائرية غير الرطبة7. وقد وضعت نظرية ديناميكية من قبل بين وزملاء العمل لنموذج التشتت قوية من عينات منتظمة للغاية3-6،8. وقد سلط هذا العمل الضوء على العديد من الجوانب العملية التي ينبغي النظر فيها عند إجراء هذا النوع من القياس وأدى إلى حوار مستمر داخل مجتمع صغير متعدد الجنسيات.
من المرجح أن يتم الحصول على نتائج جيدة من تجارب SERGIS إذا كانت العينة التي يتم قياسها تتكون من فيلم رقيق على ركيزة مسطحة ويحتوي على ميزات مبعثرة مع كثافة عالية من الميزات متوسطة الحجم (30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر) التي تبعثر النيوترونات بقوة ، كما أظهر المؤلفون9. على عكس تقنيات الانعكاسية الراسخة الأخرى التي تحقق في العينة كدالة للعمق ، فإن تقنية SERGIS لديها ميزة أنها يمكن أن تحقق في هياكل في مستوى سطح العينة. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام الصدى الدوراني يزيل شرط التخلص بإحكام من شعاع النيوترون من أجل الحصول على دقة مكانية أو طاقة عالية، وبالتالي يمكن تحقيق مكاسب كبيرة في التدفق. وهذا أمر وثيق الصلة بشكل خاص بهندسات حالات الرعي التي تكون محدودة التدفق بشكل كبير بسبب الحاجة إلى الرفقة القوية للشعاع في اتجاه واحد. ولذلك، ينبغي أن يكون من الممكن، باستخدام أداة أوفسبك، استكشاف مقاييس الطول من 30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر في كل من الهياكل السائبة والسطحية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إعداد العينة
- تنظيف ركائز السيليكون عن طريق وضع 2 في رقائق السيليكون التي هي 4 مم سميكة في بلازما الأكسجين لمدة 10 دقيقة.
- سبينكوت الطبقة الأولى على الركائز
- تصفية بولي (3,4-إيثيلين ديوكسيثيوفين): بولي (ستايرنسلفونات) (PEDOT:PSS) من خلال مرشح PTFE 0.45 ميكرومتر (PALL).
- استخدام ما يقرب من 0.5 مل لكل عينة لتدور معطف PEDOT: PSS رقيقة الفيلم على اثنين من الركائز النظيفة في 5000 دورة في الدقيقة الغزل لمدة 60 ثانية.
- جفف كل ركيزة لمدة 10 دقائق في الفرن عند 70 درجة مئوية.
- إعداد حل المزج للطبقة الثانية
- حل بعض بولي (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) في الكلوروبنزين بتركيز 50 ملغم/مل.
- إعداد حل للPCBM أيضا في الكلوروبنزين بتركيز 50 ملغم /مل.
- مزيج من اثنين من الحلول في نسبة 1:0.7 P3HT: PCBM.
- تصفية الحل المختلط من خلال مرشح PTFE 0.45 ميكرومتر.
- Spincoat الطبقة الثانية عن طريق إيداع ما يقرب من 100 ميكرولتر من P3HT: PCBM الحل على PEDOT: PSS المغلفة الركائز ثم تدور في 2000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية لتشكيل الطبقة الثانية.
- اترك عينة واحدة كقالب الزهر وعلة حراريا الأخرى لمدة ساعة واحدة عند 150 درجة مئوية في الفرن. وهذا يؤدي إلى نمو بلورات PCBM كبيرة على سطح الفيلم رقيقة.
2. عينة التوصيف بواسطة المجهر
- المجهر البصري
- التقط صورة مجهرية بصرية لكلا العينتين باستخدام هدف المجهر 40X على مجهر بصري يعمل في وضع الانعكاس ، والتقاط الصور باستخدام كاميرا CCD.
- تسجيل صورة معايرة لعينة من الطول المعروف بنفس التكبير المستخدم للخطوة 2.1.1
- حساب حجم البكسل في ميكرون للصور عن طريق تحديد عدد وحدات البكسل لعينة من الحجم المعروف.
- استخدم هذا الحجم البكسلي لمعايرة الصور باستخدام أي برنامج مجهري متاح بسهولة. يظهر مثال لصورة مجهرية بصرية معايرة في الشكل 1.
- المجهر القوة الذرية
- خذ صورة مجهر القوة الذرية (AFM) للعينتين.
- تحليل البيانات باستخدام أي مسح متاح بسهولة التحقيق البرمجيات لتوليد خط الأرقام الشخصية مثل تلك المقدمة في الشكل 1.
3. تجربة سيرجيس
- حدد عينة مرجعية مناسبة لتوفير الاستقطاب المرجعي P0، مما يتيح تطبيع البيانات المكتسبة من عينة بيانات الاهتمام.
- محاذاة نموذج و عينة المرجع
- ضع العينات الثلاثة على جدول تحديد المواقع؛ ويمكن ترجمة ذلك عبر شعاع النيوترون بحيث يمكن وضع كل عينة في الشعاع بدوره.
- ضع عينة المرجع P0 في الحزمة عن طريق ترجمة جدول العينة.
- قم بمحاذاة العينة المرجعية P0 إلى دقة زاوية <0.005 درجة باستخدام أساليب محاذاة الانعكاس القياسية.
- ضع عينة الاهتمام في شعاع النيوترون عن طريق ترجمة جدول العينة.
- قم بمحاذاة عينة الاهتمام بدقة زاوية <0.005 درجة باستخدام أساليب محاذاة الانعكاس القياسية.
- كرر عملية المحاذاة هذه لكافة العينات ذات الأهمية التي سيتم قياسها.
- ضبط جهاز SERGIS بحيث يكون في وضع الصدى
- قم بإعداد مقياس العاكسة المخصص خارج المواصفات OffSpec في نيوترون ISIS Pulsed ومصدر الميون (أكسفوردشاير ، المملكة المتحدة) لإنتاج أطوال موجية من 2-14 Å. مزيد من التفاصيل عن إعداد المستخدمة يمكن الاطلاع هنا10.
- ضبط الجهاز لتحقيق التوازن بين العدد الإجمالي للسبق النيوتروني في كل ذراع من الجهاز عن طريق مسح التيار في جزء من ترتيب حقل الدليل. ويتحقق ذلك عن طريق تحديد قوة وميل الحقول المغناطيسية داخل أذرع ترميز الجهاز ، والتي يتم تعريفها من خلال المسافة بين زعانف دوران RF.
- تعيين زاوية حدوث الرعي عن طريق إمالة جدول العينة بحيث شعاع النيوترون هو الحادث على عينة P0 (لهذه التجربة بزاوية 0.3 درجة).
- منع شعاع النيوترونات المنقول مباشرة من الوصول إلى الكاشف من أجل منع مشاكل التشبع.
- قياس العينات
- نقل مرحلة ترجمة العينة بحيث تكون العينة المرجعية مرة أخرى في شعاع النيوترون وقياس كثافة النيوترون المتناثرة كدالة لوضع على كاشف خطي موجه رأسيا للعينة المرجعية. قياس كل من تدور صعودا وتدور أسفل التوجهات عن طريق التقليب تدور من شعاع متناثرة مباشرة قبل المحلل. عادة ما يتم ذلك لمدة ساعة واحدة. وهذا يمكن من تحديد الاستقطاب وكذلك الكثافة المتناثرة لكلا الإعدادين.
- ترجمة مرحلة العينة وذلك لقياس أول من عينات من الفائدة، وتسجيل مرة أخرى على حد سواء تدور صعودا وتدور أسفل التوجهات كدالة الموقف باستخدام كاشف scintillator الخطية الموجهة عموديا لفترة حوالي 1 ساعة.
- كرر الخطوتين 3-6-1 و3-6-2 إلى أن يتم الحصول على إحصاءات جيدة بما فيه الكفاية لحساب هذا القياس. عادة ما يكون هذا حوالي 8 ساعة / عينة في المجموع.
- كرر الخطوات 3.6.1-3.6.3 لأي عينات أخرى تحتاج إلى قياس.
- تتكون البيانات التي تم جمعها من كل من الدوران صعودا وهبوطا خرائط كثافة 2D لكل عينة. حساب الاستقطاب لكل بكسل في مجموعات البيانات 2D باستخدام الصيغة
حيث P هو الاستقطاب وأناصعودا وأناأسفل هي تدور قياس صعودا وتدور أسفل كثافة على التوالي. - تطبيع مجموعات البيانات المكتسبة للعينات ذات الاهتمام باستخدام بيانات العينة المرجعية P0 التي تم جمعها لإنتاج خريطة كثافة استقطاب طبيعية وفقا للصيغة
حيث PNormalized هو الاستقطاب المحدد المحسوبوP Sample هو قيمة الاستقطاب العينة وP0 هو الاستقطاب الذي يقاس باستخدام العينة المرجعية P0. - دمج بيانات SERGIS عبر نطاق مناسب
- حدد المنطقة(أي نطاق البكسل في مخطط الاستقطاب الذي تم تسويته) لدمج بيانات SERGIS. وينبغي اختيار هذا المجال لتجنب إغراق إشارة سيرجيس المرغوبة بأي أوجه قصور محتملة في الاستقطاب ناتجة عن عيوب في تكاملات خط الميدان. مساحة Q المتوفرة التي يمكن دمج إشارة SERGIS عبرها تقتصر فعليا على سلسلة من قيم Q المنفصلة في أي تكوين معين لطول الصدى الدوراني ، حيث Q هو متجه نقل الزخم أي التغير في زخم النيوترون بعد التفاعل مع العينة
- تقليل البيانات 2D عن طريق دمج الاستقطاب تطبيع للحصول على وظيفة الارتباط SERGIS G(y) التي تم تعريفها سابقا5. يجب أن يتم دمج G(y) بدقة إلى ما لا نهاية على كلا المتجهين Q عموديا على y ، ومع ذلك ، لأسباب تجريبية ، تقتصر منطقة التكامل على كثافة محددة تم اكتشافها فوق أفق العينة.
- تعويض عن كثافة طول التشتت المختلفة على أطوال موجية مختلفة عن طريق التعامل مع البيانات بطريقة مماثلة لتدور صدى بيانات تشتت النيوترونات الصغيرة الزاوية عن طريق رسم البيانات في الشكل:
حيث λ هو طول صدى الدوران في نانومتر ويمكن حسابه بسهولة باستخدام y = αλ2 ، حيث α هو ثابت يحدد باستخدام ثوابت معايرة لإعداد أداة معينة11.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
النتائج التمثيلية من عينات من [6،6] - فينيل - C61 - بوتيريك حامض الميثيل استر (PCBM) وبولي (3 -hexylthiophene - 2،5 - diyl) (P3HT) المقدمة هنا هي ذات أهمية كبيرة بسبب تطبيقها على نطاق واسع كما السائبة المواد تقاطع التريتو في الخلايا الكهروضوئية العضوية12،13. عادة أثناء تصنيع جهاز عضوي ضوئي ، يكون محلول مزيج P3HT:PCBM تدور المدلى بها من محلول مزيج لتشكيل فيلم رقيق على بولي (3،4-Ethylenedioxythiophene):p ول (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) المغلفة الأنود الشفاف (أكسيد القصدير النديوم عادة). ثم يتم المغلفة الفيلم رقيقة الناتجة في طبقة معدنية التي تشكل الكاثود عن طريق التبخر. ثم يتم تغليف الجهاز بأكمله وتغليفه. هناك اهتمام كبير في فهم كيفية عملية التلين يؤثر على فصل المرحلة من P3HT وPCBM وأي نمو كريستاليت PCBM اللاحقة التي قد تحدث داخل الجهاز عند التلأليد لأن P3HT:PCBM الأجهزة الضوئية العضوية عادة ما تكون صلب حراريا لتعزيز كفاءة الجهاز12,13,14. يمكن أن يؤدي التلين الحراري الواسع النطاق إلى تشكيل بلورات PCBM غير منتظمة كبيرة على سطح طبقة المزج؛ ويمكن أن يكون لهذه تأثير كبير على أداء الجهاز عن طريق النعر PCBM من فيلم مزيج وتعطيل الكاثود المعدني.
تظهر النتائج التمثيلية أنه من الممكن استخدام تقنية SERGIS للتحقيق في مقاييس الطول المرتبطة بالبلورات من [6،6]-phenyl-C61-butyric حمض الميثيل استر التي تزين سطح فيلم رقيقة يلقي من مزيج من P3HT:PCBM. إشارة SERGIS من فيلم P3HT:PCBM رقيقة على ركيزة السيليكون المغلفة PEDOT:PSS وعينة مماثلة التي تم صلبها على نطاق واسع. عينة كما يلقي لديه سطح مستو على نحو سلس كما هو مبين في الشكل 1 (أ) ولكن بلورات كبيرة من PCBM تطوير على السطح عند التلين الحراري لفترات طويلة كما هو مبين في الشكل 1 (ب).
ويبين الشكل 2 كثافة نثر النيوترونات ثنائية الأبعاد التي تقاس لعينة P3HT:PCBM الم صلبة في إعداد صدى دوران ثابت واحد (الدوران) باستخدام OffSpec بالطريقة الموصوفة في هذا الإجراء. يتم فرض التشتت العرضي من الاهتمام الذي يجب تحليله في هذه التجارب على تشتت النيوترونات الملاحظ في تجربة انعكاسية طيفية تقليدية. كثافة انعكاسية الطيفية سيكون لها قيمة كثافة الوحدة في نظام الانعكاس الكلي ولكن بعد ذلك يتحلل بسرعة كدالة Q بستة أوامر من الحجم أو أكثر. الميزات الأخرى خارج المواصفات عادة ما تكون أضعف 100-1000 مرة من الإشارة الطيفية وتقع في مواقع محددة جيدا في الفضاء Q.
ويبين الشكل 3 البيانات الخاصة بكل من العينات المزينة وغير الموحدة بعد تسويتها باستخدام بيانات العينة المرجعية. إذا كانت عينة من الاهتمام لا تنتج أي قبالة التشتت الطيفي (مثل عينة مرجعية P0) ثم سوف Pتطبيع الناتجة تكون مساوية ل 1 لجميع الأطوال الموجية. ومع ذلك، إذا كان هناك مقياس طول ارتباط مناسب في النظام، فسوف يلاحظ تغيير الاستقطاب(أي PNormalized ≠ 1) الذي له اعتماد قوي على الطول الموجي. ويمكن رؤية مثال على بيانات الاستقطاب SERGIS تطبيع 2D في الشكل 3 لعينتين تمثيلية من الفائدة(أي معشوق وغير معنون).
وقد تم قياس إشارات SERGIS من كل من المدلى بها وعينة معشوق ومقارنتها، كما هو مبين في الشكل 4. لم تتضمن العينة غير المحددة أي ارتباطات هيكلية على مقاييس الطول التي يكون قياس الصدى الدوراني حساسا لها، وبالتالي ينتج خطا مسطحا عند 0.0 (استقطاب طبيعي من 1). وعلى النقيض من ذلك، تبدأ العينة المصلية من 0.0 وهناك اضمحلال كبير في الاستقطاب مع زيادة طول الصدى قبل الوصول إلى الهضبة التي تبدأ من حوالي 1200 نانومتر. إذا تم النظر في البيانات بطريقة مماثلة لتدور صدى زاوية صغيرة نيوترونية تشتت البيانات من محلول مخفف من الجسيمات ثم البيانات تتفق مع الحد الأقصى لمتوسط قطر الجسيمات من حوالي 1200 نانومتر مع عدم وجود الجيران القريبين.
الشكل 1 - الأرقام 1- الأرقام 1 صور المجهر البصري للفيلم P3HT-PCBM (أ) قبل التلين و (ب) بعد العلة عند 150 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. تظهر أيضا صورة مرحلة AFM أعلى التكبير من واحدة من بلورات PCBM موجودة بعد التلين في (ج)، وتحليل قسم الارتفاع لنفس البلورات PC60BM في 3 مواقف مختلفة على بلورة المشار إليها على النحو 1 و 2 و 3 على (د) تظهر في (ه) 1 ، (و) 2 ، و (ز) 3. أعيد طبعها بإذن من (آبل فيس ليت) 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). حقوق الطبع والنشر 2013، AIP النشر ذ م م. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 2 - الأرقام 2- الأرقام التي تم تدور العادية حتى الانعكاسية من عينة P3HT / PCBM معلى. يشير الخط الأبيض إلى الموضع الذي كان سينعكس فيه الشعاع المباشر لو لم يتم حظره،ويشار إلى الحزمة المنكسرة ب (ب) ، ويشار إلى الانعكاس الطيفي بواسطة (ج). أعيد طبعها بإذن من (آبل فيس ليت) 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). حقوق الطبع والنشر 2013، AIP النشر ذ م م. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 3. صور الاستقطاب 2D تطبيع العينة غيرمعنة ومعل كدالة لزاوية انعكاس والطول الموجي. الكاشف رقم 114 هو موضع الانعكاس الطيفي. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
الشكل 4 - الأرقام 4- الأرقام التي تم ال بيانات SERGIS للعينة الصلبة وغير المزينة التي تظهر استقطابا متميزا وهضبة تبدأ من حوالي 1200 نانومتر في العينة الصلبة والاستقطاب الصفري الفعال في العينة غير المحددة. تم حساب إشارة SERGIS عن طريق دمج الشكل 3 بين بكسل الكاشف 110 و 118 ، والذي يقع على جانبي ويتضمن الانعكاس الطيفي في بكسل الكاشف 114. أعيد طبعها بإذن من (آبل فيس ليت) 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). حقوق الطبع والنشر 2013، AIP النشر ذ م م. انقر هنا لعرض صورة أكبر.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تظهر بيانات المجهر في الشكل 1 بوضوح أنه قبل أن يتم ثني الفيلم الرقيق P3HT:PCBM مسطح وسلس وبعد التلين الحراري هناك العديد من بلورات PCBM غير المنتظمة الكبيرة الموجودة على السطح ذات الأبعاد الجانبية التي تتراوح بين حوالي 1-10 ميكرومتر. ويعزى ذلك إلى هجرة PCBM نحو السطح العلوي للفيلم والتجميع اللاحق لتشكيل بلورات كبيرة. وينظر إلى إشارة سيرجيس قوية المرتبطة التشتت من بلورات PCBM في عينة معشوق في الشكل 4. إذا تم النظر في البيانات بطريقة مماثلة ل سبين إيكو الصغيرة زاوية النيوترون النيوترونية البيانات من محلول مخفف من الجسيمات ثم تجربة SERGIS تشير إلى متوسط قطر الجسيمات القصوى من 1.2 ميكرومتر الذي يقع ضمن النطاق المستمدة من بيانات المجهر، وبالتالي هناك اتفاق جيد بين مقياس الطول التي وجدتها تقنية SERGIS والتي لوحظت عن طريق المجهر.
بالنسبة للعينات التي تحتوي على هياكل منفصلة كبيرة نسبيا منفصلة بشكل جيد ، مثل البلورات في البيانات التمثيلية المعروضة هنا ، يمكن اعتبار الاعتماد على الطول الموجي للاستقطاب مكونا من مكونين متميزين: أحدهما بسبب الارتباطات الهيكلية والآخر بسبب الاعتماد المربع الطول الموجي لكثافة طول النيوترون المتناثرة. هذا الأخير لا يضيف أي معلومات مفيدة إلى البيانات وسوف يخفي الهضبة في الاستقطاب المتوقع في عينة متناثرة بقوة. ولذلك يتم استخدام الخطوة الإجرائية 3.10 لإزالة الاعتماد على الطول الموجي التربيعي لكثافة طول التشتت من أجل تبسيط تفسير نتائج SERGIS. في حين أنه من الصعب بشكل عام فصل بيانات عامل الشكل تماما عن بيانات البنية بين الجسيمات؛ للهياكل المنفصلة المنفصلة بشكل جيد حيث ستكون إشارة البيانات بين الجسيمات ضعيفة كما هو معروض هنا ، يفترض أن إشارة SERGIS الملاحظة هنا يهيمن عليها حجم الجسيمات وشكلها.
بشكل عام ، النيوترونات هي جزيئات ضعيفة التفاعل ، وبالتالي ، كما هو الحال مع تقنيات النيوترون الأخرى ، من المرجح أن يكون SERGIS مناسبا تماما للتحقيق في الهياكل المدفونة (على الرغم من عدم إظهارها هنا). على عكس تقنيات الانعكاس الأخرى التي تحقق في العينة كدالة للعمق ، فإن تقنية SERGIS لديها ميزة أنها يمكن أن تحقق الهياكل في مستوى سطح العينة. ولا تزال القدرات التجريبية الكاملة لتقنية سيرجيس قيد التحديد وهي مجال من مجالات البحوث المستمرة.
بالمقارنة مع التشتت الملاحظ في قياسات انعكاس النيوترونات ، غالبا ما تكون إشارات SERGIS ضعيفة ومن غير المرجح ملاحظتها على الأجهزة الحالية إذا كانت الهياكل داخل المستوى داخل العينة قيد التحقيق مخففة ، أو مضطربة ، أو صغيرة الحجم وتعدد الأضلاع أو تباين تشتت النيوترون منخفض. لذلك، تقتصر تقنية SERGIS على قياس العينات التي تحتوي على كثافة عالية من الميزات متوسطة الحجم (30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر)، والتي تبعثر النيوترونات بقوة، أو العينات التي يتم فيها ترتيب ميزات الاهتمام على شعرية.
إحدى الخطوات الهامة في أي تجربة SERGIS هي تحديد نموذج مرجعي مناسب. ومن الناحية المثالية، ينبغي أن يكون لها منطقة تفكير نقدي ممتدة للغاية من أجل السماح بالحصول على إحصاءات العد الجيد بسرعة نسبية. أيضا، ينبغي أن تكون العينة المرجعية مسطحة قدر الإمكان، وينبغي أن لا تنتج أي تشتت خارج المواصفات، وهذا يضمن أنها لن إزالة الاستقطاب أو توسيع شعاع النيوترون. للحصول على النتائج التمثيلية المعروضة هنا تم استخدام قطعة مسطحة بصريا ونظيفة من الكوارتز غير متبلور لجمع مجموعة البيانات P0. وبالمثل يتم تصنيع عينات من الاهتمام على ركائز السيليكون سميكة للقضاء على أي إمكانية للانحناء رقاقة خلال عملية تجفيف فيلم رقيقة، وبالتالي ضمان التسطيح الأمثل للعينات. وثمة خطوة حاسمة أخرى هي اختيار منطقة مناسبة للتكامل داخل مجموعة البيانات 2D تطبيع المنتجة. وينبغي اختيار هذا المجال لتجنب إغراق إشارة سيرجيس المرغوبة بأي أوجه قصور محتملة في الاستقطاب ناتجة عن عيوب في تكاملات خط الميدان. مساحة Q المتوفرة التي قد تكون إشارة SERGIS متكاملة عبرها تقتصر فعليا على سلسلة من قيم Q المنفصلة في أي تكوين طول دوران صدى معين.
ومن الواضح أن التكلفة والوقت اللازمين لقياس هياكل العينة بواسطة تقنية سيرجيس أكبر بكثير من تقنيات الفحص المجهري المستخدمة لتأكيد البيانات المعروضة هنا. ومع ذلك ، فقد ثبت بوضوح استخدام SERGIS للتحقيق في الجسيمات غير النظامية الجالسة على سطح فيلم رقيق. في المستقبل نأمل أن تكون هذه التقنية قادرة على التحقيق في الهيكل المدفون. وينبغي أن تسمح لهم الطبيعة الضعيفة التفاعل للنيوترونات بالاختراق من خلال العينات، وإزالة الاستقطاب عند الواجهات المدفونة. لذلك ، فإن الميزة الهامة التي قد يتمتع بها SERGIS على التقنيات الأخرى هي أنه يجب أن يكون قادرا على توصيف ميزات وآثار مماثلة عند دفنها ، على عكس التقنيات القائمة على المجهر ، والتي تقتصر عادة على الهياكل السطحية. نأمل في المستقبل سيكون من الممكن استخدام SERGIS للنظر في تأثير التلين على نمو كريستاليت PCBM داخل خلية البوليمر الشمسية التي تم الانتهاء منها مع الكاثود المعدني وطبقة التغليف، على النقيض من هياكل الجهاز غير مكتملة المعروضة هنا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
المؤلف روبرت دالغليش هو موظف في مصدر ISIS Pulsed Neutron وMuon Source الذي يستضيف الأداة المستخدمة في هذه التجربة.
Acknowledgments
تم تمويل AJP من قبل منصة EPSRC لتكنولوجيا النانو الناعمة منح EP/E046215/1. وقد دعمت التجارب النيوترونية من قبل STFC عن طريق تخصيص الوقت التجريبي لاستخدام OffSpec (RB 1110285).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silicon 2 in silicon substrates | Prolog | 4 mm thick polished one side | |
| Oxygen plasma | Diener | Oxygen plasma cleaning system to clean substrates prior to coating | |
| Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) | Ossila | PEDOT:PSS conductive polymer layer for organic photovoltaic samples | |
| 0.45 μm PTFE filter | Sigma Aldrich | Filer to remove aggregates from PEDOT:PSS and P3HT solutions | |
| Chlorobenzene | Sigma Aldrich | Solvent for P3HT | |
| Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) | Ossila | P3HT - polymer used in polymer photovoltaics | |
| Spin Coater | Laurell | Deposition system for making flat thin polymer films | |
| Vacuum Oven | Binder | Oven fro annealing samples after preparation | |
| Nikon Eclipse E600 optical microscope | Nikon | Microscope | |
| Veeco Dimension 3100 AFM | Veeco | AFM | |
| Tapping mode tips (~275 kHz) | Olympus | AFM tips | |
| Quartz Disc | Refrence samples for SERGIS measurement | ||
| Spin Echo off-specular reflectometer | OffSpec at the ISIS Pulsed Neutron and Muon Source (Oxfordshire, UK) | Produces pulsed neutrons 2-14 Å | |
| Neutron Detector | Offspec | vertically oriented linear scintillator detector | |
| RF spin flippers | Offspec | ||
| Magnetic Field Guides | Offspec | ||
| Data Manipulation Software | Mantid | http://www.mantidproject.org/Main_Page |
References
- 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).
