Summary
הושגה התקדמות בשימוש ספין הד נפתרה פיזור שכיחות מרעה (SERGIS) כטכניקת פיזור נויטרונים כדי לחקור את קשקשי אורך בדגימות לא סדירות. גבישים של [6,6]-פניל-C61-חומצה בוטירית מתיל אסתר נבדקו בטכניקת SERGIS והתוצאות אושרו על ידי מיקרוסקופיה של כוח אופטי ואטומי.
Abstract
טכניקת פיזור שכיחות המרעה (SERGIS) של הד הספין שימשה לבדיקת קשקשי האורך הקשורים לקריסטלים בצורה לא סדירה. נייטרונים מועברים דרך שני אזורים מוגדרים היטב של שדה מגנטי; אחד לפני ואחד אחרי הדגימה. לשני אזורי השדה המגנטי יש קוטביות הפוכה והם מכוונים כך שנייטרונים הנוסעים בשני האזורים, מבלי להיות מוטרדים, יעברו את אותו מספר של קדמה בכיוונים מנוגדים. במקרה זה ההקדמה נויטרונים בזרוע השנייה הוא אמר "הד" הראשון, ואת הקיטוב המקורי של הקרן נשמרת. אם הנייטרונים מקיימים אינטראקציה עם מדגם ומפזרים באופן אלסטי הנתיב דרך הזרוע השנייה אינו זהה לראשון והקיטוב המקורי אינו התאושש. דפולריזציה של קרן הנויטרונים היא בדיקה רגישה מאוד בזוויות קטנות מאוד (<50 מיקרורד) אך עדיין מאפשרת שימוש בקרן מפוצלת בעוצמה גבוהה. הירידה בקיטוב של הקרן המשתקפת מהמדגם לעומת זו מדגם ההפניה יכולה להיות קשורה ישירות למבנה בתוך המדגם.
בהשוואה לפיזור שנצפה במדידות השתקפות נויטרונים אותות SERGIS הם לעתים קרובות חלשים ולא סביר להיות שנצפו אם המבנים במישור בתוך המדגם תחת חקירה הם מדוללים, מופרעים, קטנים בגודל ו polydisperse או ניגוד פיזור נויטרונים נמוך. לכן, סביר להניח שתוצאות טובות יתקבלו בטכניקת SERGIS אם המדגם הנמדד מורכב מסרטים דקים על מצע שטוח ומכיל תכונות פיזור המכילות צפיפות גבוהה של תכונות בגודל בינוני (30 ננומטר עד 5 מיקרומטר) המפזרות נייטרונים בחוזקה או שהתכונות מסודרות על סריג. היתרון של טכניקת SERGIS הוא שהיא יכולה לחקור מבנים במישור המדגם.
Introduction
טכניקת SERGIS שואפת להיות מסוגלת להניב מידע מבני ייחודי שאינו נגיש באמצעות טכניקות פיזור או מיקרוסקופיות אחרות מדגימות סרט דק. טכניקות מיקרוסקופיה הן בדרך כלל משטח מוגבל או דורשים שינוי משמעותי / הכנה מדגם כדי להציג מבנים פנימיים. טכניקות פיזור קונבנציונליות כגון רפלקטיביות יכולות לספק מידע מפורט על מבנים מדגם קבור כפונקציה של עומק בתוך הסרט הדק אבל לא יכול לחקור מבנה במישור של הסרט הדק בקלות. בסופו של דבר יש לקוות כי SERGIS יאפשר מבנה לרוחב זה להיחקר גם כאשר קבור בתוך מדגם הסרט הדק. התוצאות הייצוגיות המוצגות כאן מראות כי ניתן להבחין באות SERGIS מתכונות מדגם לא סדירות וכי ניתן לתאם את האות הנמדד עם סולם אורך אופייני המשויך לתכונות הקיימות במדגם, כפי שאושר על ידי טכניקות מיקרוסקופיה קונבנציונליות.
טכניקות הד ספין אינלסטי פותחו על ידי Mezei ואח '. אחד בשנות ה-70. מאז טכניקת SERGIS (שהיא הרחבה של הרעיונות של Mezei et al.) הודגמה בהצלחה באמצעות מגוון רחב של דגימות כגון סורגים עקיפה רגילים מאוד2-6 ו טיפות פולימר מעגליות דהרטובות 7. תיאוריה דינמית פותחה על ידי פיין ועמיתים לעבודה כדי לדגמן את הפיזור החזק מדגימות רגילות מאוד3-6,8. עבודה זו הדגישה היבטים מעשיים רבים שיש לקחת בחשבון בעת ביצוע סוג זה של מדידה והובילה לדיאלוג מתמיד בתוך קהילה רב לאומית קטנה.
תוצאות טובות מניסויי SERGIS ככל הנראה יתקבלו אם המדגם הנמדד מורכב מסרט דק על מצע שטוח ומכיל תכונות פיזור עם צפיפות גבוהה של תכונות בגודל בינוני (30 ננומטר עד 5 מיקרומטר) המפזרות נייטרונים בחוזקה, כפי שהוכח על ידי המחברים9. שלא כמו טכניקות רפלקטיביות מבוססות אחרות אשר בודקות את המדגם כפונקציה של עומק, לטכניקת SERGIS יש את היתרון שהיא יכולה לחקור מבנים במישור משטח הדגימה. יתר על כן, השימוש בספין-הד מסיר את הדרישה לאסוף בחוזקה את קרן הנייטרונים על מנת להשיג רזולוציה מרחבית או אנרגטית גבוהה, וכתוצאה מכך ניתן להשיג רווחי שטף משמעותיים. זה רלוונטי במיוחד עבור גיאומטריות שכיחות מרעה כי הם שטף מוגבל באופן משמעותי בגלל הצורך לאסוף את הקרן בחוזקה בכיוון אחד. באמצעות מכשיר OffSpec ולכן זה צריך להיות אפשרי לחקור קשקשי אורך מ 30 ננומטר עד 5 מיקרומטר הן במבנים בתפזורת והן על פני השטח.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנה לדוגמה
- נקה את מצעי הסיליקון על ידי הצבת 2 בופלים סיליקון כי הם 4 מ"מ עבה בפלזמת חמצן במשך 10 דקות.
- סובב את השכבה הראשונה במצעים
- סנן את הפולי(3,4-אתילנדיוקסיתיופין): פולי (סטירנסולפונט) (PEDOT:PSS) באמצעות מסנן PTFE 0.45 מיקרומטר (PALL).
- השתמש כ 0.5 מ"ל עבור כל מדגם כדי לסובב מעיל PEDOT:PSS סרט דק על שני מצעים נקיים ב 5,000 סל"ד מסתובב במשך 60 שניות.
- יבש כל מצע במשך 10 דקות בתנור ב 70 מעלות צלזיוס.
- הכנת פתרון המיזוג לשכבה השנייה
- להמיס כמה פולי(3-hexylthiophene-2,5-דייל) (P3HT) בכלורובנזן בריכוז של 50 מ"ג / מ"ל.
- הכן פתרון של PCBM גם בכלורוואנזן בריכוז של 50 מ"ג / מ"ל.
- מערבבים את שני הפתרונות ביחס של 1:0.7 P3HT:PCBM.
- סנן את הפתרון המעורב באמצעות מסנן PTFE של 0.45 מיקרומטר.
- Spincoat השכבה השנייה על ידי הפקדת כ 100 μl של פתרון P3HT:PCBM על מצעים מצופים PEDOT:PSS ולאחר מכן להסתובב ב 2,000 סל"ד במשך 30 שניות כדי ליצור את השכבה השנייה.
- השאירו דגימה אחת כמו יצוק תרמית anneal השני במשך 1 שעה ב 150 מעלות צלזיוס בתנור. התוצאה היא הצמיחה של גבישי PCBM הגדולים על פני הסרט הדק.
2. אפיון לדוגמה לפי מיקרוסקופיה
- מיקרוסקופיה אופטית
- קח תמונה מיקרוסקופית אופטית של שתי הדגימות באמצעות מטרה מיקרוסקופ 40X על מיקרוסקופ אופטי הפועל במצב השתקפות, לכידת התמונות באמצעות מצלמת CCD.
- הקלטת תמונת כיול של דגימה באורך ידוע באותו הגדלה המשמשת לשלב 2.1.1
- חשב את גודל הפיקסל במיקרונים עבור התמונות על-ידי קביעת מספר הפיקסלים לדגימה בגודל ידוע.
- השתמש בגודל פיקסל זה כדי לכייל את התמונות באמצעות כל תוכנת מיקרוסקופיה זמינה. דוגמה לתמונת מיקרוסקופיה אופטית מכוילת מוצגת באיור 1.
- מיקרוסקופיה של הכוח האטומי
- קח מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) תמונה של שתי הדגימות.
- נתח את הנתונים באמצעות כל תוכנת בדיקה סריקה זמינה כדי ליצור נתוני פרופיל קו כמו אלה המוצגים באיור 1.
3. ניסוי סרג'יס
- בחר דוגמת הפניה מתאימה כדי לספק את קיטוב ההפניה P0, המאפשר לנרמל את הנתונים הנרכשים ממדגם נתוני הריבית.
- יישור הדוגמה ודוגמת ההפניה
- הנח את כל שלוש הדוגמאות על טבלת מיקום; זה יכול להיות מתורגם על פני קרן נויטרונים כך כל מדגם יכול להיות ממוקם בקרן בתורו.
- מקם את דוגמת ההפניה P0 בקרן על-ידי תרגום הטבלה לדוגמה.
- יישר את דוגמת ההפניה P0 לדיוק זוויתי של <0.005° באמצעות שיטות יישור השתקפות סטנדרטיות.
- מקם את המדגם של עניין בקרן נויטרונים על ידי תרגום הטבלה לדוגמה.
- יישר את דוגמת העניין לדיוק זוויתי של <0.005° באמצעות שיטות יישור השתקפות סטנדרטיות.
- חזור על תהליך יישור זה כדי שכל הדוגמאות המעניינות יימדדו.
- כוונן את כלי ה-SERGIS כך שיהיה במצב הד
- הקימו את מד ההשתקפות הייעודי OffSpec ב-ISIS Pulsed Neutron ו-Muon Source (אוקספורדשייר, בריטניה) כדי לייצר אורכי גל מ-2-14 Å. פרטים נוספים על ההגדרת בשימוש ניתן למצוא כאן10.
- כוונן את הכלי כדי לאזן את המספר הכולל של קדמה נויטרונים בכל זרוע של המכשיר על-ידי סריקת הזרם בחלק מסידור שדה המדריך. זה מושג על ידי הגדרת הכוח והנטייה של השדות המגנטיים בתוך זרועות הקידוד של המכשיר, המוגדרים על ידי המרחק בין סנפירי ספין RF.
- הגדר את זווית שכיחות המרעה על-ידי הטיית שולחן הדגימה כך שקרן הנויטרונים תיתקל בדגימה P0 (עבור ניסוי זה בזווית של 0.3°).
- חסום את קרן הנייטרונים המועברת ישירות מלהגיע לגלאי כדי למנוע בעיות רוויה.
- מדידת הדגימות
- הזיזו את שלב התרגום לדוגמה כך שדוגמת ההפניה תשוב לקרן הנייטרונים ותמדדו את עוצמת הנייטרונים המפוזרת כפונקציה של מיקום בגלאי סיינטילטור ליניארי בעל אוריינטציה אנכית לדגימת הייחוס. למדוד הן לסובב למעלה ספין למטה אוריינטציות על ידי היפוך הספין של הקרן מפוזרת מיד לפני המנתח. בדרך כלל זה נעשה לתקופה של כשעה. הדבר מאפשר לקבוע את הקיטוב, כמו גם את העוצמה המפוזרת עבור שתי ההגדרות.
- תרגם את שלב המדגם כדי למדוד את הראשון של דגימות עניין, שוב הקלטה הן ספין למעלה ספין למטה אוריינטציות כפונקציה של מיקום באמצעות גלאי scintillator ליניארי בכיוון אנכי לתקופה של כשעה.
- חזור על שלבים 3.6.1 ו- 3.6.2 עד לקבלת סטטיסטיקת ספירה טובה מספיק למדידה זו. בדרך כלל זה בערך 8 שעות / מדגם בסך הכל.
- חזור על שלבים 3.6.1-3.6.3 עבור כל דגימות נוספות שיש למדוד.
- הנתונים שנאספו מורכבים הן מספין למעלה והן מספין למטה מפות בעוצמה דו-מימדית עבור כל דגימה. חישוב הקיטוב לכל פיקסל בערכות הנתונים הדו-ממדיות באמצעות הנוסחה
כאשר P הוא הקיטוב ואנילמעלה ואנילמטה הם ספין נמדד למעלה ספין למטה עוצמות בהתאמה. - נרמל את ערכות הנתונים שנרכשו עבור דגימות העניין באמצעות נתוני דוגמת ההפניה P0 שנאספו כדי לייצר מפת עוצמת קיטוב מנורמלת בהתאם לנוסחה
כאשר PNormalized הוא הקיטוב שנקבע מחושבו- P Sample הוא ערך הקיטוב לדוגמה ו- P0 הוא הקיטוב הנמדד באמצעות דוגמת ההפניה P0. - שילוב נתוני SERGIS בטווח מתאים
- בחרו באזור (כלומר טווח הפיקסלים בעלילת הקיטוב המנורמלת) לשילוב נתוני SERGIS. יש לבחור אזור זה כדי להימנע מהצפת אות SERGIS הרצוי על ידי כל קיטוב פוטנציאלי inhomogeneities הנובע פגמים בחלקים אינטגרליים קו השדה. שטח Q זמין כי אות SERGIS עשוי להיות משולב מעל מוגבל ביעילות לסדרה של ערכי Q נפרדים בכל תצורה נתונה ספין הד אורך, שבו Q הוא וקטור העברת המומנטום כלומר השינוי בתנופה של נויטרונים לאחר אינטראקציה עם המדגם
- הפחת את הנתונים הדו-מימדיים על-ידי שילוב הקיטוב המנורמל כדי לקבל את פונקציית המתאם SERGIS G(y) שהוגדרה בעבר5. בהחלט G(y) צריך להיות משולב אינסוף על שני וקטורים Q בניצב y, עם זאת, מסיבות ניסיוניות אזור האינטגרציה מוגבל לעוצמה זוהתה נבחרה מעל אופק המדגם.
- לפצות על צפיפויות אורך פיזור שונות באורכי גל שונים על ידי טיפול בנתונים באופן דומה לספין אקו זווית קטנה נויטרונים פיזור נתונים על ידי התוויית הנתונים בצורה:
כאשר α הוא אורך הד ספין ב nm וניתן לחשב בקלות באמצעות y = αλ2 , שבו α הוא קבוע שנקבע באמצעות קבועים מכוילים עבור הגדרת המכשיר נתון11.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
התוצאות הייצוגיות מדגימות של [6,6]-פניל-C61-בוטירית חומצה מתיל אסתר (PCBM) ופולי(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) המוצגים כאן הם בעלי עניין משמעותי בגלל היישום הנרחב שלהם כחומרים צומת הטרו בתפזורת בתאים פוטו-וולטאיים אורגניים12,13. בדרך כלל במהלך הייצור של מכשיר פוטו אורגני, פתרון תערובת P3HT:PCBM הוא ספין יצוק מתמיסת תערובת כדי ליצור סרט דק על אנודה פולי (3,4-אתילנדיוקסיתופן) :p ולי (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) מצופה אנודה שקופה (תחמוצת פח אינדיום בדרך כלל). הסרט הדק שנוצר מצופה אז בשכבה מתכתית היוצרת את הקתודה על ידי אידוי. לאחר מכן המכשיר כולו יתעקל ויתעקל. יש עניין משמעותי בהבנת האופן שבו תהליך חישול משפיע על הפרדת הפאזה של P3HT ו- PCBM וכל צמיחה גבישית PCBM עוקבת שעלולה להתרחש בתוך המכשיר בעת חישול מכיוון שהתקנים פוטו-וולטאיים אורגניים P3HT:PCBM בדרך כלל משועבדים תרמית כדי לשפר את יעילות המכשיר12,13,14. חישול תרמי נרחב יכול לגרום גבישי PCBM לא סדירים גדולים להרכיב על פני השטח של שכבת התערובת; אלה יכולים להיות השפעה משמעותית על ביצועי המכשיר על ידי denuding PCBM מסרט תערובת ושיבוש קתודה מתכת.
התוצאות הייצוגיות מראות כי ניתן להשתמש בטכניקת SERGIS כדי לחקור את קשקשי האורך הקשורים גבישים של [6,6]-פניל-C61-butyric חומצה מתיל אסתר אשר לקשט את פני השטח של סרט דק יצוק מתערובת של P3HT:PCBM. אות SERGIS מסרט P3HT:PCBM דק על מצע סיליקון מצופה PSS ומדגם דומה אשר כבר annealed נרחב. לדגם ה-as-cast יש משטח שטוח וחלק כפי שמוצג באיור 1(א) אך גבישים גדולים של PCBM מתפתחים על פני השטח עם חישול תרמי ממושך כפי שמוצג באיור 1(ב).
איור 2 מציג את עוצמת פיזור הנייטרונים הדו-ממדית שנמדדה עבור מדגם P3HT:PCBM בעל המזימה בהגדרת הד ספין קבועה אחת (ספין-אפ) באמצעות OffSpec באופן המתואר בהליך זה. הפיזור המשתקף של עניין להיות מנותח בניסויים אלה הוא על גבי פיזור נויטרונים שנצפה בניסוי רפלקטיביות משתקפת קונבנציונלית. עוצמת המחזירות המשתקפת תהיה בעלת ערך אינטנסיבי של אחדות במשטר ההשתקפות הכולל, אך לאחר מכן תתפורר במהירות כפונקציה של Q בשישה סדרי גודל או יותר. תכונות אחרות מחוץ למפרט הן בדרך כלל חלשות פי 100-1,000 מהאות המשתקפת וממוקמות בעמדות מוגדרות היטב במרחב Q.
איור 3 מציג את הנתונים הן עבור הדגימות שעברו חישול והן עבור דגימות לא משוינון לאחר מנורמל באמצעות הנתונים לדוגמה הפניה. אם המדגם של עניין אינו מייצר כל פיזור משתקפת (כמו מדגם הפניה P0) אז Pמנורמל וכתוצאה מכך יהיה שווה 1 עבור כל אורכי הגל. עם זאת, אם אכן קיים במערכת אורכי מתאם מתאימים, יצוין שינוי קיטוב (כלומר PNormalized ≠ 1) בעל תלות חזקה באורך הגל. דוגמה לנתוני הקיטוב של SERGIS מנורמלים דו-ממדיים ניתן לראות באיור 3 עבור שתי הדוגמאות הייצוגיות של הריבית (כלומר annealed ו unannealed).
אותות SERGIS הן מדגם א-יצוק והן מדגם מעוקל נמדדו והושוו, כפי שמוצג באיור 4. המדגם unannealed לא הכיל מתאמים מבניים על קשקשי האורך כי מדידת ספין הד רגיש ולכן מייצר קו שטוח ב 0.0 (קיטוב מנורמל של 1). לעומת זאת המדגם annealed מתחיל ב 0.0 ויש ריקבון משמעותי בקיטוב כמו אורך ספין הד עולה לפני שהגיע לרמה שמתחילה בערך 1,200 ננומטר. אם הנתונים נחשבים באופן דומה ספין אקו זווית קטנה נויטרונים פיזור נתונים מתמיסה מדוללת של חלקיקים אז הנתונים עולים בקנה אחד עם קוטר חלקיקים ממוצע מרבי של כ 1,200 ננומטר ללא שכנים קרובים.
איור 1. תמונות מיקרוסקופיה אופטית של הסרט P3HT-PCBM (א) לפני חישול ו (ב) לאחר חישול ב 150 °C (69 °F) במשך שעה. תמונת שלב AFM הגדלה גבוהה יותר של אחד גבישי PCBM הנוכחי לאחר חישול מוצג גם ב (ג), וניתוח סעיף גובה עבור אותו גבישת PC60BM ב 3 עמדות שונות על גבישים המצוין כמו 1, 2, ו 3 על (ד) מוצגים ב (ה) 1, (ו) 2, ו - (ז) 3. הודפס מחדש באישורו של אפיל. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). זכויות יוצרים 2013, AIP הוצאה לאור LLC. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.
איור 2. רפלקטיביות ספין-אפ מנורמלת מדגם P3HT/PCBM annealed. המיקום שהקרן הישירה הייתה מופיעה בו אלמלא נחסם מצוין על ידי הקו הלבן(a),הקרן השבירה מסומנת על ידי(b),וההשתקפות המשתקפת מסומנת על ידי(ג). הודפס מחדש באישורו של אפיל. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). זכויות יוצרים 2013, AIP הוצאה לאור LLC. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.
איור 3. תמונות קיטוב מנורמלות דו-ממדיות של המדגם הבלתי מזוהה והמקורז כפונקציה של זווית השתקפות ואורך גל. גלאי מספר 114 הוא המיקום של ההשתקפות המשתקפת. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.
איור 4. נתוני SERGIS עבור המדגם ה Annealed ו unannealed מראה קיטוב ברור רמה החל כ 1,200 ננומטר במדגם annealed ו קיטוב אפס יעיל במדגם unannealed. אות SERGIS חושב על ידי שילוב איור 3 בין פיקסלים גלאי 110 ו- 118, אשר נופל משני צדי ומשלב את ההשתקפות המשתקפת בפיקסל גלאי 114. הודפס מחדש באישורו של אפיל. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). זכויות יוצרים 2013, AIP הוצאה לאור LLC. לחץ כאן כדי להציג תמונה גדולה יותר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
נתוני המיקרוסקופיה באיור 1 מראים בבירור כי לפני חישול הסרט הדק P3HT:PCBM הוא שטוח וחלק ולאחר חישול תרמי יש הרבה גבישי PCBM גדולים ולא סדירים נוכחים על פני השטח עם ממדים לרוחב הנעים בין כ 1-10 מיקרומטר. זה מיוחס נדידת PCBM לכיוון המשטח העליון של הסרט וצבירה לאחר מכן כדי ליצור גבישים גדולים. אות SERGIS חזק המשויך לפיזור גבישי PCBM במדגם ה Annealed נראה באיור 4. אם הנתונים נחשבים באופן דומה ספין אקו קטן זווית נויטרונים פיזור נתונים מתמיסה מדוללת של חלקיקים אז הניסוי SERGIS מציע קוטר חלקיקים מקסימלי ממוצע של 1.2 מיקרומטר אשר נופל בטווח הנגזר מנתוני מיקרוסקופיה, ולכן יש הסכמה טובה בין קנה המידה שנמצא על ידי טכניקת SERGIS וזה שנצפה על ידי מיקרוסקופיה.
עבור דגימות המכילות מבנים נפרדים גדולים יחסית המופרדים היטב, כמו הקריסטלים בנתונים הייצוגיים המוצגים כאן, התלות באורך הגל של הקיטוב יכולה להיחשב מורכבת משני מרכיבים נפרדים: האחד בשל מתאמים מבניים והשני בשל התלות בריבוע אורך הגל של צפיפות אורך פיזור הנויטרונים. זה האחרון אינו מוסיף כל מידע שימושי לנתונים יהיה להסוות את הרמה בקיטוב צפוי מדגם פיזור חזק. לכן השלב הפרוצדורלי 3.10 משמש להסרת התלות בריבוע אורך הגל של צפיפות אורך פיזור על מנת לפשט את הפרשנות של תוצאות SERGIS. אמנם באופן כללי קשה לנתק לחלוטין נתוני גורם צורה מנתוני מבנה בין חלקיקים; עבור מבנים נפרדים מופרדים היטב שבהם אות הנתונים בין החלקיקים יהיה חלש כפי שמוצג כאן ההנחה היא כי אות SERGIS שנצפה כאן נשלט על ידי גודל החלקיקים וצורה.
באופן כללי, נייטרונים הם חלקיקים אינטראקציה חלשה ולכן, כמו עם טכניקות נייטטרונים אחרות, SERGIS עשוי להיות מתאים היטב לחקור מבנים קבורים (אם כי לא הוכח כאן). שלא כמו טכניקות רפלקטיביות אחרות שבודקות את המדגם כפונקציה של עומק, לטכניקת SERGIS יש את היתרון שהיא יכולה לחקור מבנים במישור משטח הדגימה. היכולות הניסיוניות המלאות של טכניקת SERGIS עדיין נקבעות והיא תחום של המשך מחקר.
בהשוואה לפיזור שנצפה במדידות השתקפות נויטרונים אותות SERGIS הם לעתים קרובות חלשים ולא סביר להיות שנצפו במכשור הנוכחי אם המבנים במישור בתוך המדגם תחת חקירה הם מדוללים, מופרעים, קטנים בגודל ו polydisperse או ניגוד פיזור נויטרונים הוא נמוך. לכן, טכניקת SERGIS מוגבלת למדידת דגימות המכילות צפיפות גבוהה של תכונות בגודל בינוני (30 ננומטר עד 5 מיקרומטר), אשר מפזרים נייטרונים בחוזקה, או דגימות שבהן תכונות העניין מסודרות על סריג.
אחד השלבים הקריטיים בכל ניסוי SERGIS הוא בחירת דוגמת ייחוס מתאימה. באופן אידיאלי זה צריך להיות אזור השתקפות קריטית מורחבת מאוד על מנת לאפשר סטטיסטיקת ספירה טובה להירכש במהירות יחסית. כמו כן, מדגם הייחוס צריך להיות שטוח ככל האפשר ולא צריך לייצר כל פיזור מחוץ לספקולטור, זה מבטיח כי זה לא depolarize או להרחיב את קרן נויטרונים. לתוצאות הייצוגיות שהוצגו כאן נעשה שימוש בפיסת קוורץ אמורפית שטוחה ונקיה אופטית לאיסוף ערכת הנתונים P0. כמו כן הדגימות של עניין מפוברק על מצעים סיליקון עבה כדי למנוע כל אפשרות של כיפוף רקיק במהלך תהליך ייבוש הסרט הדק, ובכך להבטיח שטוחות אופטימלית של הדגימות. שלב קריטי נוסף הוא בחירת אזור מתאים לשילוב בערכת הנתונים הדו-מימדית המנורמלת המיוצרת. יש לבחור אזור זה כדי להימנע מהצפת אות SERGIS הרצוי על ידי כל קיטוב פוטנציאלי inhomogeneities הנובע פגמים בחלקים אינטגרליים קו השדה. שטח ה- Q הזמין שניתן לשלב בו את אות SERGIS מוגבל למעשה לסדרה של ערכי Q נפרדים בכל תצורה נתונה של אורך ספין-הד.
ברור שהעלות והזמן הנדרשים למדידת מבנים לדוגמה על ידי טכניקת SERGIS גדולים משמעותית מטכניקות מיקרוסקופיה המשמשות לאימות הנתונים המוצגים כאן. עם זאת, השימוש ב- SERGIS כדי לחקור חלקיקים לא סדירים היושבים על פני השטח של סרט דק הוכח בבירור. בעתיד טכניקה זו תוכל בתקווה לחקור מבנה קבור. האופי החלש של הנייטרונים צריך לאפשר להם לחדור דרך דגימות, ולפרק את הממשקים הקבורים. לכן, היתרון החשוב שיש ל- SERGIS על פני טכניקות אחרות הוא שהוא אמור להיות מסוגל לאפיין תכונות ואפקטים דומים כאשר הם קבורים, בניגוד לטכניקות מבוססות מיקרוסקופיה, המוגבלות בדרך כלל למבני פני השטח. יש לקוות בעתיד ניתן יהיה להשתמש SERGIS להסתכל על ההשפעה של חישול על צמיחת גבישים PCBM בתוך תא סולארי פולימר שהושלם עם קתודה מתכתית שכבה אנקפסולטור, בניגוד למבני המכשיר לא שלם המוצגים כאן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
הסופר רוברט דלגייש הוא עובד של מקור הנויטרונים והמאון של דאעש, המארח את הכלי המשמש בניסוי זה.
Acknowledgments
AJP מומן על ידי פלטפורמת הננוטכנולוגיה הרכה EPSRC מענק EP/E046215/1. ניסויי הנייטרונים נתמכו על ידי STFC באמצעות הקצאת זמן ניסיוני לשימוש 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).
