Summary
Düzensiz numunelerdeki uzunluk ölçeklerini araştırmak için nötron saçılma tekniği olarak spin eko çözümlü otlatma insidansı saçılma (SERGIS) kullanımında ilerleme kaydedildi. [6,6]-fenil-C61-bütirik asit metil ester kristalitleri SERGIS tekniği ve optik ve atomik kuvvet mikroskopisi ile doğrulanan sonuçlar kullanılarak araştırıldı.
Abstract
Spin ekosu, düzensiz şekilli kristalitlerle ilişkili uzunluk ölçeklerini araştırmak için otlatma insidansı saçılma (SERGIS) tekniği kullanılmıştır. Nötronlar manyetik alanın iki iyi tanımlanmış bölgesinden geçirilir; biri numuneden önce, diğeri de sonra. İki manyetik alan bölgesi zıt polariteye sahiptir ve her iki bölgede de seyahat eden nötronların, rahatsız edilmeden, karşıt yönlerde aynı sayıda işlem görecek şekilde ayarlanmıştır. Bu durumda, ikinci koldaki nötron presssiyonunun ilkini "yankıla" olduğu söylenir ve kirişin orijinal polarizasyonu korunur. Nötron bir örnekle etkileşime girer ve elastik olarak dağılırsa, ikinci koldan geçen yol ilkiyle aynı değildir ve orijinal polarizasyon geri kazanılmamıştır. Nötron ışınının depolarizasyonu çok küçük açılarda (<50 μrad) oldukça hassas bir probdur, ancak yine de yüksek yoğunluklu, farklı bir ışının kullanılmasına izin verir. Referans numunesinden yansıyan ışının polarizasyonundaki azalma, numune içindeki yapı ile doğrudan ilişkili olabilir.
Nötron yansıma ölçümlerinde gözlenen saçılma ile karşılaştırıldığında, SERGIS sinyalleri genellikle zayıftır ve incelenen numune içindeki düzlem içi yapılar seyreltilmiş, düzensiz, küçük boyutlu ve polidisperz veya nötron saçılma kontrastı düşükse gözlenme olasılığı düşüktür. Bu nedenle, ölçülen numune düz bir substrat üzerinde ince filmlerden oluşuyorsa ve nötronları güçlü bir şekilde dağıtan orta büyüklükteki özelliklerin (30 nm ila 5 μm) yüksek yoğunluğunu içeren saçılma özellikleri içeriyorsa veya özellikler bir kafes üzerinde düzenlenmişse, büyük olasılıkla SERGIS tekniği kullanılarak iyi sonuçlar elde edilecektir. SERGIS tekniğinin bir avantajı, numunenin düzleminde yapıları araştırabilmesidir.
Introduction
SERGIS tekniği, ince film örneklerinden elde edilen diğer saçılma veya mikroskopi tekniklerini kullanarak erişilemeyen benzersiz yapısal bilgiler verebilmeyi amaçlamaktadır. Mikroskopi teknikleri tipik olarak yüzey sınırlıdır veya iç yapıları görüntülemek için önemli bir değişiklik/numune hazırlığı gerektirir. Yansıtıcılık gibi geleneksel saçılma teknikleri, ince film içindeki derinlik fonksiyonu olarak gömülü numune yapıları hakkında ayrıntılı bilgi sağlayabilir, ancak ince filmin düzleminde yapıyı kolayca araştıramaz. Sonuçta SERGIS'in ince film örneğinin içine gömüldüğünde bile bu yanal yapının araştırılmasını sağlayacağı umulmaktadır. Burada sunulan temsili sonuçlar, düzensiz numune özelliklerinden bir SERGIS sinyali gözlemlemenin mümkün olduğunu ve ölçülen sinyalin, geleneksel mikroskopi teknikleriyle doğrulanan örnekte bulunan özelliklerle ilişkili karakteristik bir uzunluk ölçeği ile ilişkilendirilebileceğini göstermektedir.
Inelastik spin eko teknikleri Mezei ve ark. 1970'lerde 1. O zamandan beri SERGIS tekniği (Mezei ve arkadaşlarınınfikirlerinin bir uzantısıdır) son derece düzenli kırınım ızgaraları2-6 ve dairesel ıslatılmış polimer damlacıklar7gibi çeşitli örnekler kullanılarak deneysel olarak başarıyla gösterilmiştir. Pynn ve iş arkadaşları tarafından son derece düzenli örneklerden gelen güçlü saçılmaları modellemek için dinamik bir teori geliştirilmiştir3-6,8. Bu çalışma, bu tür bir ölçümü gerçekleştirirken dikkat edilmesi gereken birçok pratik yönü vurgulamıştır ve küçük bir çok uluslu topluluk içinde sürekli bir diyaloğa yol açmıştır.
Sergis deneylerinden iyi sonuçlar büyük olasılıkla, ölçülen numune düz bir substrat üzerinde ince bir filmden oluşuyorsa ve yazarlar tarafından gösterildiği gibi nötronları güçlü bir şekilde dağıtan orta büyüklükteki özelliklerin (30 nm ila 5 μm) yüksek yoğunluğuna sahip saçılma özellikleri içeriyorsa elde edilecektir9. Numuneyi derinlik fonksiyonu olarak araştıran diğer yerleşik yansıtıcılık tekniklerinin aksine, SERGIS tekniği, örnek yüzeyin düzleminde yapıları problama avantajına sahiptir. Ayrıca, spin-echo kullanımı, yüksek uzamsal veya enerji çözünürlüğü elde etmek için nötron ışınını sıkıca albayize etme gereksinimini ortadan kaldırır, sonuç olarak önemli akı kazançları elde edilebilir. Bu, kirişi tek bir yönde güçlü bir şekilde albaylama ihtiyacı nedeniyle önemli ölçüde sınırlı olan otlatma insidansı geometrileri için özellikle önemlidir. Bu nedenle OffSpec aletini kullanarak hem dökme hem de yüzey yapılarında 30 nm ila 5 μm uzunluk ölçeklerini araştırmak mümkün olmalıdır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Numune Hazırlama
- 10 dakika boyunca oksijen plazmasında 4 mm kalınlığında silikon gofretlere 2 yerleştirerek silikon substratları temizleyin.
- Alt tabakalardaki ilk katmanı döndürün
- Poliyi (3,4-etilendioksitofen): poli(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) 0,45 μm PTFE filtresi (PALL) ile filtreleyin.
- Bir PEDOT:PSS ince filmini 60 saniye boyunca dönen 5.000 rpm'deki iki temiz substrata döndürmek için her örnek için yaklaşık 0,5 ml kullanın.
- Her bir substratı 70 °C'de bir fırında 10 dakika kurutun.
- karışım çözümünü ikinci katman için hazırlama
- Klorobenzendeki bazı poli(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) 50 mg/ml konsantrasyonda çözün.
- Klorobenzen içinde 50 mg/ ml konsantrasyonda bir PCBM çözeltisi hazırlayın.
- İki çözümü 1:0,7 P3HT:PCBM oranında karıştırın.
- Karışık çözeltiyi 0,45 μm PTFE filtreden filtreleyin.
- P3HT:PCBM çözümünün yaklaşık 100 μl'lik kısmını PEDOT:PSS kaplı substratlara biriktirerek ikinci katmanı döndürün ve ardından ikinci katmanı oluşturmak için 30 saniye boyunca 2.000 rpm'de döndürün.
- Bir numuneyi döküm olarak bırakın ve diğerini bir fırında 150 °C'de 1 saat boyunca termal olarak tavla yapın. Bu, büyük PCBM'nin ince film yüzeyinde kristalize olup büyümesine neden olur.
2. Mikroskopi ile Örnek Karakterizasyonu
- Optik mikroskopi
- Yansıma modunda çalışan bir optik mikroskopta 40X mikroskop hedefi kullanarak her iki örneğin optik mikroskopi görüntüsünü alın ve görüntüleri ccd kamera kullanarak yakalayın.
- 2.1.1 adımı için kullanılan büyütmede bilinen uzunlukta bir numunenin kalibrasyon görüntüsünü kaydedin
- Bilinen boyuttaki örnek için piksel sayısını belirleyerek görüntülerin piksel boyutunu mikron cinsinden hesaplayın.
- Hazır herhangi bir mikroskopi yazılımı kullanarak görüntüleri kalibre etmek için bu know piksel boyutunu kullanın. Şekil 1'dekalibre edilmiş optik mikroskopi görüntüsü örneği gösterilmiştir.
- Atomik Kuvvet Mikroskopisi
- İki örneğin atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntüsünü alın.
- Şekil 1'desunulanlar gibi hat profili rakamları oluşturmak için hazır herhangi bir tarama prob yazılımı kullanarak verileri analiz edin.
3. SERGIS Deneyi
- İlgi alanı verilerinin örneğinden elde edilen verilerin normalleştirilmesini sağlayan referans polarizasyonU P0'ı sağlamak için uygun bir referans örneği seçin.
- Örneği ve referans örneğini hizalama
- Üç örneği de konumlandırma tablosuna yerleştirin; bu nötron ışını boyunca çevrilebilir, böylece her örnek sırayla kirişe yerlenebilir.
- P0 referans örneğini, örnek tabloyu çevirerek kirişe yerleştirin.
- Standart yansıma hizalama yöntemlerini kullanarak P0 referans örneğini açısal <0,005° doğruluğa hizalayın.
- Örnek tabloyu çevirerek nötron ışınındaki ilgi örneğini yerleştirin.
- Standart yansıma hizalama yöntemlerini kullanarak her iki ilgi örneğini de açısal <0,005° doğruluğuna hizalayın.
- Tüm ilgi çekici örneklerin ölçülmek üzere bu hizalama işlemini yineleyin.
- SERGIS enstrümanını yankı modunda olacak şekilde ayarlama
- ISIS Pulsed Nötron ve Muon Source'da (Oxfordshire, UK) 2-14 şarasında dalga boyları üretmek için özel off-speküler reflektör OffSpec'i kurun. Kullanılan kurulumun diğer ayrıntılarına buradan ulaşabilirsiniz10.
- Kılavuz alan düzenlemesinin bir kısmındaki akımı tarayarak cihazın her kolundaki toplam nötron presesyon sayısını dengelemek için cihazı ayarlayın. Bu, RF spin paletleri arasındaki mesafe ile tanımlanan cihazın kodlama kolları içindeki manyetik alanların gücünü ve eğimini ayarlayarak elde edilir.
- Numune tablosunu eğerek otlatma insidansının açısını ayarlayın, böylece nötron ışını P0 örneğinde olay olacaktır (bu deney için 0,3 ° açıyla).
- Doygunluk problemlerini önlemek için doğrudan iletilen nötron ışınını dedektöre ulaşmasını engelleyin.
- Örnekleri ölçme
- Referans örneğinin bir kez daha nötron ışınında olması için örnek çeviri aşamasını hareket ettirın ve dağınık nötron yoğunluğunu referans numunesi için dikey yönelimli doğrusal scintillator dedektörü üzerinde konum işlevi olarak ölçün. Analizörden hemen önce dağınık kirişin dönüşünü çevirerek hem yukarı hem de aşağı doğru dönüşleri ölçün. Genellikle bu yaklaşık 1 saat boyunca yapılır. Bu, polarizasyonun belirlenmesini ve her iki ayar için dağınık yoğunluğun belirlenmesini sağlar.
- İlgi örneklerinden ilkini ölçmek için örnek aşamayı çevirin, ayrıca dikey yönelimli doğrusal bir scintillator dedektörü kullanarak yaklaşık 1 saat boyunca konum işlevi olarak hem yukarı hem de aşağı doğru dönüş yönelimlerini kaydedin.
- Bu ölçüm için yeterince iyi sayım istatistikleri elde edilene kadar 3.6.1 ve 3.6.2 adımlarını yineleyin. Tipik olarak bu yaklaşık 8 saat / örnek toplamdır.
- Ölçülecek diğer örnekler için 3.6.1-3.6.3 adımlarını yineleyin.
- Toplanan veriler, her örnek için hem yukarı hem de aşağı 2B yoğunluk haritalarından oluşur. Formülü kullanarak 2D veri kümelerindeki her piksel için polarizasyonu hesaplama
burada P polarizasyondur ve benyukarı veaşağı sırasıyla ölçülen spin yukarı ve aşağı dönüş yoğunluklarıdır. - Formüle göre normalleştirilmiş polarizasyon yoğunluğu haritası üretmek için toplanan P0 referans örnek verilerini kullanarak ilgi çekici örnekler için elde edilen veri kümelerini normalleştirin
burada PNormalleştirilmiş hesaplanan polarizasyon ve PÖrnek örnek polarizasyon değeri ve P0 P0 referans örneği kullanılarak ölçülen polarizasyondur. - SERGIS verilerini uygun bir aralıkta entegre edin
- SERGIS veri tümleştirmesi için alanı(yani normalleştirilmiş polarizasyon grafiğindeki piksel aralığını) seçin. Bu alan, alan çizgisi integrallerindeki kusurlardan kaynaklanan olası polarizasyon inhomogeneities tarafından istenen SERGIS sinyalinin batmasını önlemek için seçilmelidir. SERGIS sinyalinin entegre edilebileceği kullanılabilir Q alanı, herhangi bir spin-echo uzunluğu yapılandırmasında bir dizi ayrıK Q değeriyle etkili bir şekilde sınırlıdır, burada Q momentum transfer vektörüdür, yani örnekle etkileşime girdikten sonra bir nötron momentumundaki değişiklik
- Daha önce tanımlanmış olan SERGIS korelasyon fonksiyonu G(y)'yi almak için normalleştirilmiş polarizasyonu entegre ederek 2D verileri azaltın5. Kesinlikle G(y) her iki Q vektörü üzerinde sonsuzluğa y'ye dik olarak entegre edilmelidir, ancak deneysel nedenlerden dolayı entegrasyon alanı örnek ufkun üzerinde seçilen algılanan yoğunlukla sınırlıdır.
- Verileri, formdaki verileri çizerek yankı küçük açılı nötron saçılma verilerini döndürmeye benzer şekilde ele alarak farklı dalga boylarında farklı saçılma uzunluğu yoğunluklarını telafi edin:
burada φ nm'deki dönüş yankı uzunluğudur ve y = αφ2 kullanılarak kolayca hesaplanabilir, burada α verilen cihaz kurulumu11için kalibre edilmiş sabitler kullanılarak belirlenen bir sabittir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Burada sunulan [6,6]-fenil-C61-bütirik asit metil ester (PCBM) ve poli (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) örneklerinden elde edilen temsili sonuçlar, organik fotovoltaik hücrelerde dökme hetero-kavşak malzemeleri olarak yaygın uygulamaları nedeniyle önemli ilgi görmektedir12,13. Tipik olarak organik bir fotovoltaik cihazın imalatı sırasında, bir P3HT:PCBM karışım çözeltisi, bir poli (3,4-etilendioksitofen):p oly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) kaplı şeffaf anot (genellikle indiyum kalay oksit) üzerinde ince bir film oluşturmak için bir karışım çözeltisinden spin-cast edilir. Elde edilen ince film daha sonra buharlaşma ile katot oluşturan metalik bir tabaka ile kaplanır. Tüm cihaz daha sonra tavlanır ve kapsüllendi. Tavlama işleminin P3HT ve PCBM'nin faz ayrımını ve tavlama sırasında cihaz içinde oluşabilecek sonraki PCBM kristal büyümesini nasıl etkilediğini anlamak için önemli bir ilgi vardır, çünkü P3HT:PCBM organik fotovoltaik cihazlar genellikle cihaz verimliliğini artırmak için termal olarak tavlanır12,13,14. Kapsamlı termal tavlama, karışım tabakasının yüzeyinde büyük düzensiz PCBM kristalitlerinin oluşmasına neden olabilir; bunlar, PCBM'yi karışım filminden indirerek ve metal katotunu bozarak cihaz performansı üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir.
Temsili sonuçlar, P3HT:PCBM karışımından ince bir film dökümünün yüzeyini süsleyen [6,6]-fenil-C61-bütirik asit metil ester kristalitleri ile ilişkili uzunluk ölçeklerini araştırmak için SERGIS tekniğini kullanmanın mümkün olduğunu göstermektedir. SERGIS sinyali, PEDOT:PSS kaplamalı silikon substrat üzerindeki P3HT:PCBM ince filminden ve kapsamlı bir şekilde tavlanmış benzer bir örnekten sinyal verir. Döküm numune, Şekil 1(a) 'da gösterildiği gibi pürüzsüz bir düz yüzeye sahiptir, ancak Şekil 1(b)'de gösterildiği gibi uzun süreli termal tavlama üzerine yüzeyde PCBM'nin büyük kristalitleri gelişir.
Şekil 2, tavlanmış P3HT:PCBM örneği için ölçülen veri 2D nötron saçılma yoğunluğunu, bu yordamda açıklanan şekilde OffSpec kullanılarak tek bir sabit spin yankı ayarında (spin up) gösterir. Bu deneylerde analiz edilecek ilginin speküler saçılım, geleneksel bir speküler yansıtıcılık deneyinde gözlenen nötron saçılımının üzerine bindirilir. Speküler yansıtıcılığın yoğunluğu, toplam yansıma rejiminde birliğin yoğunluk değerine sahip olacaktır, ancak daha sonra Q'nun bir işlevi olarak altı veya daha fazla büyüklük sırasına göre hızla çürür. Diğer speküler olmayan özellikler genellikle aynasal sinyalden 100-1.000 kat daha zayıftır ve Q uzayında iyi tanımlanmış konumlarda bulunur.
Şekil 3, referans örnek verileri kullanılarak normalleştirildikten sonra hem tavlanmış hem de bozulmamış örneklerin verilerini gösterir. İlgi örneği herhangi bir aynasal saçılma üretmezse (P0 referans örneği gibi), elde edilen PNormalleştirilmiş tüm dalga boyları için 1'e eşit olacaktır. Bununla birlikte, sistemde uygun bir korelasyon uzunluk ölçeği varsa, güçlü bir dalga boyu bağımlılığı olan bir polarizasyon değişikliği(yani PNormalleştirilmiş ≠ 1) gözlenecektir. 2D normalleştirilmiş SERGIS polarizasyon verilerine bir örnek, iki temsili ilgi örneği(yani tavlanmış ve bozulmamış) için Şekil 3'te görülebilir.
Sergis sinyalleri, Şekil 4'tegösterildiği gibi hem as-cast hem de tavlanmış bir örnekten ölçilmiş ve karşılaştırılmıştır. Unannealed örnek, spin-echo ölçümünün hassas olduğu uzunluk ölçeklerinde yapısal korelasyon içermede ve bu nedenle 0.0'da düz bir çizgi üretir (normalleştirilmiş polarizasyon 1). Buna karşılık tavlanmış örnek 0.0'dan başlar ve yaklaşık 1.200 nm'den başlayan bir platoya ulaşmadan önce spin-echo uzunluğu arttıkça polarizasyonda önemli bir çürüme vardır. Veriler, seyreltilmiş bir parçacık çözeltisinden Spin Echo Küçük Açılı Nötron Saçılma verilerine benzer şekilde kabul edilirse, veriler yakın komşuları olmayan yaklaşık 1.200 nm'lik maksimum ortalama parçacık çapı ile tutarlıdır.
Şekil 1. P3HT-PCBM filminin optik mikroskopi görüntüleri (a) tavlamadan önce ve (b) 1 saat boyunca 150 °C'de tavlamadan sonra. Tavlamadan sonra mevcut olan PCBM kristalitlerinden birinin daha yüksek büyütme AFM faz görüntüsü de (c) içinde gösterilir ve aynı PC60BM kristalitinin 1, 2 ve 3 on (d) olarak belirtilen 3 farklı konumdaki yükseklik bölümü analizi (e) 1, (f) 2 ve (g) 3'te gösterilir. Appl. Phys. Lett'in izniyle yeniden basıldı. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). Telif Hakkı 2013, AIP Publishing LLC. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.
Şekil 2. Tavlanmış P3HT/PCBM örneğinden normalleştirilmiş spin up yansıtıcılığı. Engellenmemiş olsaydı doğrudan ışının ortaya çıktığı konum beyaz çizgi (a), kırılan ışın (b) ile gösterilir ve aynasal yansıma (c) ile gösterilir. Appl. Phys. Lett'in izniyle yeniden basıldı. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). Telif Hakkı 2013, AIP Publishing LLC. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.
Şekil 3. Yansıma açısı ve dalga boyunun bir fonksiyonu olarak unannealed ve tavlanmış numunenin 2D normalleştirilmiş polarizasyon görüntüleri. Dedektör numarası 114, aynasal yansımanın konumudur. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.
Şekil 4. Tavlanmış ve tavlanmamış örnek için SERGIS verileri belirgin polarizasyon ve tavlanmış numunede yaklaşık 1.200 nm'den başlayan bir plato ve bozulmamış numunede etkili bir sıfır polarizasyon gösterir. SERGIS sinyali, Şekil 3'ün dedektör piksel 110 ve 118 arasında entegre edilmesiyle hesaplanmıştır, bu da dedektör piksel 114'ün her iki tarafına düşer ve aynasal yansımayı içerir. Appl. Phys. Lett'in izniyle yeniden basıldı. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). Telif Hakkı 2013, AIP Publishing LLC. Daha büyük resmi görüntülemek için burayı tıklatın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Şekil 1'deki mikroskopi verileri, P3HT:PCBM ince filmini tavlamadan önce düz ve pürüzsüz olduğunu ve termal tavlamadan sonra yüzeyde yaklaşık 1-10 μm arasında değişen yanal boyutlara sahip birçok büyük düzensiz PCBM kristalitleri olduğunu açıkça göstermektedir. Bu, PCBM'nin filmin üst yüzeyine doğru göç etmesine ve daha sonra büyük kristalitler oluşturmak için toplanmasına atfedilir. Tavlanmış numunedeki PCBM kristalitlerinden saçılma ile ilişkili güçlü bir SERGIS sinyali Şekil 4'tegörülmektedir. Veriler, seyreltilmiş bir parçacık çözeltisinden spin echo küçük açılı nötron saçılma verilerine benzer şekilde kabul edilirse, SERGIS deneyi, mikroskopi verilerinden elde edilen aralıkta bulunan ortalama maksimum 1,2 μm parçacık çapı önerir, bu nedenle SERGIS tekniği tarafından bulunan ve mikroskopi ile gözlemlenen uzunluk ölçeği arasında iyi bir anlaşma vardır.
Burada sunulan temsili verilerdeki kristalitler gibi nispeten büyük iyi ayrılmış ayrık yapılar içeren örnekler için, polarizasyonun dalga boyu bağımlılığı iki ayrı bileşenden oluşur: biri yapısal korelasyonlar nedeniyle diğeri nötron saçılma uzunluğu yoğunluğunun dalga boyu kareli bağımlılığı nedeniyle. İkincisi verilere herhangi bir yararlı bilgi eklemez ve platoyu güçlü bir şekilde saçılma örneğinde beklenen polarizasyonda maskeler. Bu nedenle prosedürel adım 3.10, SERGIS sonuçlarının yorumlanmasını basitleştirmek için saçılma uzunluğu yoğunluğunun dalga boyu kare bağımlılığını kaldırmak için kullanılır. Genel olarak parçacıklar arası yapı verilerinden form faktörü verilerini tamamen ayırmak zor olsa da; parçacıklar arası veri sinyalinin burada sunulduğu gibi zayıf olacağı iyi ayrılmış ayrık yapılar için, burada gözlemlenen SERGIS sinyalinin parçacık boyutu ve şekli tarafından hakim olduğu varsayılıyor.
Genel olarak, nötronlar zayıf bir şekilde etkileşime giren parçacıklardır ve bu nedenle, diğer nötron tekniklerinde olduğu gibi, SERGIS'in gömülü yapıları araştırmak için çok uygun olması muhtemeldir (burada gösterilmese de). Numuneyi derinlik fonksiyonu olarak araştıran diğer yansıtıcılık tekniklerinin aksine, SERGIS tekniği, numune yüzeyinin düzleminde yapıları problama avantajına sahiptir. SERGIS tekniğinin tam deneysel yetenekleri hala belirlenmektedir ve sürekli araştırma alanıdır.
Nötron yansıma ölçümlerinde gözlenen saçılma ile karşılaştırıldığında, sergis sinyalleri genellikle zayıftır ve incelenen numunedeki düzlem içi yapılar seyreltilmiş, düzensiz, küçük boyutlu ve polidisperse veya nötron saçılma kontrastı düşükse mevcut enstrümantasyonda gözlenme olasılığı düşüktür. Bu nedenle, SERGIS tekniği, nötronları güçlü bir şekilde dağıtan orta büyüklükteki yüksek yoğunlukta (30 nm ila 5 μm) içeren numuneleri veya ilgi çekici özelliklerin bir kafes üzerinde düzenlendiği örnekleri ölçmekle sınırlıdır.
Herhangi bir SERGIS deneyindeki kritik adımlardan biri uygun bir referans örneği seçmektir. İdeal olarak, iyi sayım istatistiklerinin nispeten hızlı bir şekilde elde edilmesine izin vermek için son derece genişletilmiş bir kritik yansıma bölgesine sahip olmalıdır. Ayrıca, referans numunesi mümkün olduğunca düz olmalı ve herhangi bir speküler saçılma üretmemelidir, bu nötron ışınını depolarize etmemesini veya genişletmemesini sağlar. Burada sunulan temsili sonuçlar için P0 veri kümesini toplamak için optik olarak düz, temiz bir amorf kuvars parçası kullanıldı. Aynı şekilde, ince film kurutma işlemi sırasında gofret bükülmesi olasılığını ortadan kaldırmak için ilgi örnekleri kalın silikon substratlar üzerinde imal edilir, böylece numunelerin optimum düzlüğünü sağlar. Bir diğer kritik adım, üretilen normalleştirilmiş 2D veri kümesi içinde entegrasyon için uygun bir alanın seçilmesidir. Bu alan, alan çizgisi integrallerindeki kusurlardan kaynaklanan olası polarizasyon inhomogeneities tarafından istenen SERGIS sinyalinin batmasını önlemek için seçilmelidir. SERGIS sinyalinin entegre edilebileceği kullanılabilir Q alanı, herhangi bir spin-echo uzunluğu yapılandırmada bir dizi ayrıK Q değeriyle etkili bir şekilde sınırlıdır.
Açıkçası, SERGIS tekniği ile örnek yapıları ölçmek için gereken maliyet ve süre, burada sunulan verileri doğrulamak için kullanılan mikroskopi tekniklerinden önemli ölçüde daha fazladır. Bununla birlikte, sergis'in ince bir filmin yüzeyinde oturan düzensiz parçacıkları araştırmak için kullanımı açıkça gösterilmiştir. Gelecekte bu teknik umarım gömülü yapıyı araştırabilecektir. Nötronların zayıf etkileşim doğası, örneklere nüfuz etmelerine ve gömülü arayüzlerde depolarize olmalarına izin vermelidir. Bu nedenle SERGIS'in diğer tekniklere göre sahip olabileceği önemli avantaj, tipik olarak yüzey yapılarıyla sınırlı olan mikroskopi bazlı tekniklerin aksine, gömüldüklerinde benzer özellik ve etkileri karakterize edebilmesi gerektiğidir. Umarım gelecekte, burada sunulan tamamlanmamış cihaz yapılarının aksine, metalik bir katot ve kapsülleme tabakası ile tamamlanan bir polimer güneş hücresi içindeki tavlamanın PCBM kristal büyümesi üzerindeki etkisine bakmak için SERGIS'i kullanmak mümkün olacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazar Robert Dalgliesh, bu deneyde kullanılan enstrümanı barındıran ISIS Pulsed Nötron ve Muon Kaynağı'nın bir çalışanıdır.
Acknowledgments
AJP, EPSRC Soft Nanoteknoloji platformu hibe EP/E046215/1 tarafından finanse edildi. Nötron deneyleri, OFFSpec'i (RB 1110285) kullanmak için deneysel zamanın tahsisi yoluyla STFC tarafından desteklendi.
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).
