Summary
Er is vooruitgang geboekt bij het gebruik van spin-echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) als neutronenverstrooiingstechniek om de lengteschalen in onregelmatige monsters te onderzoeken. Kristallieten van [6,6]-fenyl-C61-boterzuurmethylester zijn onderzocht met behulp van de SERGIS-techniek en de resultaten bevestigd door optische en atoomkrachtmicroscopie.
Abstract
De SERGIS-techniek (Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering) is gebruikt om de lengteschalen te onderzoeken die geassocieerd worden met onregelmatig gevormde kristallieten. Neutronen worden door twee goed gedefinieerde gebieden van het magnetisch veld gepasseerd; één voor en één na het monster. De twee magnetische veldgebieden hebben een tegengestelde polariteit en zijn zo afgestemd dat neutronen die door beide gebieden reizen, zonder te worden verstoord, hetzelfde aantal precessies in tegengestelde richtingen zullen ondergaan. In dit geval wordt gezegd dat de neutronenprecessie in de tweede arm de eerste "echo" en de oorspronkelijke polarisatie van de bundel behouden blijft. Als het neutron interageert met een monster en elastisch verspreidt, is het pad door de tweede arm niet hetzelfde als de eerste en wordt de oorspronkelijke polarisatie niet teruggevonden. Depolarisatie van de neutronenbundel is een zeer gevoelige sonde onder zeer kleine hoeken (<50 μrad), maar maakt het nog steeds mogelijk om een hoge intensiteit, divergerende straal te gebruiken. De afname van de polarisatie van de straal die uit het monster wordt gereflecteerd in vergelijking met die van het referentiemonster kan rechtstreeks verband houden met de structuur in het monster.
In vergelijking met de verstrooiing die is waargenomen bij neutronenreflectiemetingen zijn de SERGIS-signalen vaak zwak en is het onwaarschijnlijk dat deze worden waargenomen als de structuren in het onderzochte monster verdund, verstoord, klein van formaat en polydisperse zijn of als het neutronenverstrooiingscontrast laag is. Daarom zullen hoogstwaarschijnlijk goede resultaten worden verkregen met behulp van de SERGIS-techniek als het te meten monster bestaat uit dunne films op een vlak substraat en verstrooiingskenmerken bevat die een hoge dichtheid van matig grote kenmerken (30 nm tot 5 μm) bevatten die neutronen sterk verspreiden of de kenmerken op een rooster zijn gerangschikt. Een voordeel van de SERGIS-techniek is dat deze structuren in het vlak van het monster kan onderzoeken.
Introduction
De SERGIS-techniek heeft als doel unieke structurele informatie te kunnen opleveren die niet toegankelijk is met andere verstrooiings- of microscopietechnieken uit dunnefilmmonsters. Microscopietechnieken zijn meestal beperkt in het oppervlak of vereisen aanzienlijke veranderingen/monstervoorbereiding om interne structuren te bekijken. Conventionele verstrooiingstechnieken zoals reflectiviteit kunnen gedetailleerde informatie geven over begraven monsterstructuren als functie van diepte in de dunne film, maar kunnen de structuur in het vlak van de dunne film niet gemakkelijk onderzoeken. Uiteindelijk wordt gehoopt dat SERGIS deze laterale structuur kan onderzoeken, zelfs wanneer deze in het dunne filmmonster wordt begraven. De hier gepresenteerde representatieve resultaten tonen aan dat het mogelijk is een SERGIS-signaal van onregelmatige monsterkenmerken waar te nemen en dat het gemeten signaal kan worden gecorreleerd met een karakteristieke lengteschaal die verband houdt met de kenmerken die in het monster aanwezig zijn, zoals bevestigd door conventionele microscopietechnieken.
Inelastische spin echo technieken zijn ontwikkeld door Mezei et al. 1 in de jaren 1970. Sindsdien is de SERGIS-techniek (die een uitbreiding is van de ideeën van Mezei et al.) experimenteel aangetoond met behulp van een verscheidenheid aan monsters, zoals zeer regelmatige diffractieroosters2-6 en cirkelvormige ont bevochtigde polymeerdruppels7. Een dynamische theorie is ontwikkeld door Pynn en collega's om de sterke verstrooiing van zeer regelmatige monsters3-6,8 te modelleren. Dit werk heeft veel praktische aspecten aan het uitgelicht die in aanmerking moeten worden genomen bij het uitvoeren van dit soort metingen en heeft geleid tot een constante dialoog binnen een kleine multinationale gemeenschap.
Goede resultaten van SERGIS-experimenten zullen hoogstwaarschijnlijk worden verkregen als het te meten monster bestaat uit een dunne film op een vlak substraat en verstrooiingskenmerken bevat met een hoge dichtheid van matig grote kenmerken (30 nm tot 5 μm) die neutronen sterk verspreiden, zoals door de auteurs is aangetoond9. In tegenstelling tot andere gevestigde reflectietechnieken die het monster onderzoeken als functie van diepte, heeft de SERGIS-techniek het voordeel dat het structuren in het vlak van het monsteroppervlak kan onderzoeken. Bovendien neemt het gebruik van spin-echo de verplichting weg om de neutronenbundel strak te botsen om een hoge ruimtelijke of energieresolutie te verkrijgen, waardoor aanzienlijke fluxwinsten kunnen worden behaald. Dit is met name relevant voor beweidingsincidentiegeometrieën die aanzienlijk fluxbeplaagd zijn vanwege de noodzaak om de straal sterk in één richting te botsen. Met behulp van het OffSpec-instrument moet het daarom mogelijk zijn om lengteschalen van 30 nm tot 5 μm te onderzoeken in zowel bulk- als oppervlaktestructuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Monstervoorbereiding
- Reinig de siliciumsubstraten door 2 in siliciumwafels te plaatsen die 4 mm dik zijn in zuurstofplasma gedurende 10 minuten.
- Spincoat de eerste laag op de ondergronden
- Filter de poly(3,4-ethyleenioxythiofeen): poly(styrenesulfonaat) (PEDOT:PSS) door een 0,45 μm PTFE-filter (PALL).
- Gebruik ongeveer 0,5 ml voor elk monster om een PEDOT:PSS dunne film op de twee schone substraten te draaien bij 5.000 tpm draaien gedurende 60 sec.
- Droog elk substraat gedurende 10 minuten in een oven op 70 °C.
- Bereid de mengoplossing voor op de tweede laag
- Los wat poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) op in chlorobenzeen in een concentratie van 50 mg/ml.
- Bereid een oplossing van PCBM ook in chlorobenzeen bij een concentratie van 50 mg/ml.
- Meng de twee oplossingen in een verhouding van 1:0.7 P3HT:PCBM.
- Filtreer de gemengde oplossing door een PTFE-filter van 0,45 μm.
- Spincoat tweede laag door ongeveer 100 μl van de P3HT:PCBM-oplossing op de PEDOT:PSS gecoate substraten te deponeren en vervolgens 30 seconden bij 2.000 tpm te draaien om de tweede laag te vormen.
- Laat het ene monster als gips en thermisch gloeien het andere gedurende 1 uur bij 150 °C in een oven. Dit resulteert in de groei van de grote PCBM-kristallieten op het dunne filmoppervlak.
2. Monsterkarakterisering door microscopie
- Optische microscopie
- Maak een optische microscopiefoto van beide monsters met behulp van een 40X microscoopdoelstelling op een optische microscoop die in reflectiemodus werkt en de beelden vastlegt met een CCD-camera.
- Neem een kalibratiebeeld op van een monster van bekende lengte met dezelfde vergroting die wordt gebruikt voor stap 2.1.1
- Bereken de pixelgrootte in microns voor de afbeeldingen door het aantal pixels te bepalen voor het voorbeeld van de bekende grootte.
- Gebruik deze know pixelgrootte om de afbeeldingen te kalibreren met behulp van direct beschikbare microscopiesoftware. Een voorbeeld van een gekalibreerd optisch microscopiebeeld is te zien in figuur 1.
- Atoomkrachtmicroscopie
- Neem een atoomkrachtmicroscoop (AFM) beeld van de twee monsters.
- Analyseer de gegevens met behulp van direct beschikbare scansondesoftware om lijnprofielcijfers te genereren zoals weergegeven in figuur 1.
3. SERGIS-experiment
- Selecteer een geschikt referentiemonster om de referentiepolarisatie P0te geven , waardoor de gegevens die zijn verkregen uit de steekproef van interessegegevens kunnen worden genormaliseerd.
- Het monster en het referentiemonster uitlijnen
- Plaats alle drie de monsters op een positioneringstabel; dit kan over de neutronenbundel worden vertaald, zodat elk monster beurtelings in de bundel kan worden geplaatst.
- Plaats het P0-referentiemonster in de balk door de monstertabel te vertalen.
- Lijn het referentiemonster P0 uit met een hoeknauwkeurigheid van <0,005° met behulp van standaard reflectie-uitlijningsmethoden.
- Plaats het monster van belang in de neutronenbundel door de monstertabel te vertalen.
- Lijn zowel het monster van belang uit op een hoeknauwkeurigheid van <0,005° met behulp van standaard reflectie-uitlijningsmethoden.
- Herhaal dit uitlijningsproces om alle monsters van belang te meten.
- Stem het SERGIS-instrument af zodat het in de echomodus staat
- Stel de speciale off-specular reflectometer OffSpec in bij de ISIS Pulsed Neutron and Muon Source (Oxfordshire, UK) om golflengten van 2-14 Å te produceren. Meer informatie over de gebruikte opstelling vindt u hier10.
- Stem het instrument af om het totale aantal neutronenprecessies in elke arm van het instrument in evenwicht te brengen door de stroom in een deel van de richtveldopstelling te scannen. Dit wordt bereikt door de sterkte en helling van de magnetische velden in de coderingsarmen van het instrument in te stellen, die worden gedefinieerd door de afstand tussen de RF-spin flippers.
- Stel de hellingshoek in door de monstertabel zo te kantelen dat de neutronenbundel zich op het P0-monster bevindt (voor dit experiment onder een hoek van 0,3°).
- Blokkeer dat de direct overgedragen neutronenbundel de detector bereikt om verzadigingsproblemen te voorkomen.
- Meet de monsters
- Verplaats de monsteromzettingsfase zodat het referentiemonster zich opnieuw in de neutronenbundel bevindt en meet de verstrooide neutronenintensiteit als functie van de positie op een verticaal georiënteerde lineaire scintillatordetector voor het referentiemonster. Meet zowel de draairichtingen als de draairichtingen door de draaiing van de verspreide straal vlak voor de analysator om te draaien. Meestal gebeurt dit voor een periode van ongeveer 1 uur. Hierdoor kan de polarisatie worden bepaald, evenals de verstrooide intensiteit voor beide instellingen.
- Vertaal de monsterfase om de eerste van de monsters van belang te meten en registreer opnieuw zowel spin-up- als spin-down-oriëntaties als functie van de positie met behulp van een verticaal georiënteerde lineaire scintillatordetector gedurende een periode van ongeveer 1 uur.
- Herhaal de stappen 3.6.1 en 3.6.2 totdat voldoende goede telstatistieken voor deze meting zijn verkregen. Meestal is dit ongeveer 8 uur / monster in totaal.
- Herhaal stap 3.6.1-3.6.3 voor alle verdere monsters die moeten worden gemeten.
- De verzamelde gegevens bestaan uit zowel spin-up als spin-down 2D-intensiteitskaarten voor elk monster. Bereken de polarisatie voor elke pixel in de 2D-gegevenssets met behulp van de formule
waarbij P de polarisatie is en ikomhoog en ikomlaag respectievelijk de gemeten spin-up en spin-down intensiteiten. - Normaliseer de gegevensverzamelingen die zijn verkregen voor de monsters van belang met behulp van de P 0-referentiemonstergegevens die zijn verzameld om een genormaliseerde polarisatie-intensiteitskaart te produceren volgens de formule
waarbij PGenormaliseerd de berekende polarisatie is enP-monster de monsterpolarisatiewaarde en P0 de polarisatie gemeten met behulp van het P0-referentiemonster. - Integreer de SERGIS-gegevens over een geschikt bereik
- Selecteer het gebied(d.w.z. het pixelbereik in de genormaliseerde polarisatieplot) voor de SERGIS-gegevensintegratie. Dit gebied moet zo worden gekozen dat het gewenste SERGIS-signaal niet wordt overspoeld door mogelijke polarisatie-inhomogeniteiten als gevolg van onvolkomenheden in de veldlijnintegraalen. De beschikbare Q-ruimte waarover het SERGIS-signaal kan worden geïntegreerd, is in feite beperkt tot een reeks afzonderlijke Q-waarden bij een bepaalde spin-echolengteconfiguratie, waarbij Q de momentumoverdrachtsvector is, d.w.z. de verandering in momentum van een neutron na interactie met het monster
- Verminder de 2D-gegevens door de genormaliseerde polarisatie te integreren om de SERGIS-correlatiefunctie G(y) te krijgen die eerder is gedefinieerd5. Strikt G(y) moet over beide Q-vectoren loodrecht op y tot in het oneindige worden geïntegreerd, maar om experimentele redenen is het integratiegebied beperkt tot geselecteerde gedetecteerde intensiteit boven de steekproefhorizon.
- Compenseer verschillende verstrooiingslengtedichtheden op verschillende golflengten door de gegevens op een vergelijkbare manier te behandelen als spinecho-kleine hoek neutronenverstrooiingsgegevens door de gegevens in de vorm te plotten:
waarbij λ de spinecholengte in nm is en gemakkelijk kan worden berekend met y = αλ2 , waarbij α een constante is die wordt bepaald met behulp van gekalibreerde constanten voor de gegeven instrumentopstelling11.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De representatieve resultaten van de hier gepresenteerde monsters van [6,6]-fenyl-C61-boterzuurmethylester (PCBM) en poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) zijn van aanzienlijk belang vanwege hun wijdverbreide toepassing als bulk hetero-junction materialen in organische fotovoltaïsche cellen12,13. Typisch tijdens de vervaardiging van een organisch fotovoltaïsch apparaat, wordt een P3HT:PCBM-mengoplossing uit een mengoplossing gegoten om een dunne film te vormen op een poly (3,4-ethyleenioxythiofeen):p oly (styrenessulfaat) (PEDOT:PSS) gecoate transparante anode (meestal indium tinoxide). De resulterende dunne film wordt vervolgens bedekt met een metalen laag die de kathode vormt door verdamping. Het hele apparaat wordt vervolgens gegloeid en ingekapseld. Er is veel belangstelling voor het begrijpen van hoe het gloeiproces de fasescheiding van de P3HT en PCBM beïnvloedt en eventuele daaropvolgende PCBM-kristallietgroei die bij het gloeien in het apparaat kan optreden, omdat P3HT: PCBM organische fotovoltaïsche apparaten meestal thermisch worden gegloeid om de efficiëntie van het apparaat te verbeteren12,13,14. Uitgebreide thermische gloeiing kan resulteren in grote onregelmatige PCBM-kristallieten die zich vormen op het oppervlak van de menglaag; deze kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de prestaties van het apparaat door PCBM uit de mengfolie te verwijderen en de metalen kathode te verstoren.
De representatieve resultaten tonen aan dat het mogelijk is om de SERGIS-techniek te gebruiken om de lengteschalen te onderzoeken die verband houden met kristallieten van [6,6]-fenyl-C61-boterzuurmethylester die het oppervlak van een dunne film die is gegoten uit een mengsel van P3HT:PCBM versieren. Het SERGIS-signaal van een als-gegoten P3HT:PCBM dunne film op een PEDOT:PSS gecoat siliciumsubstraat en een soortgelijk monster dat uitgebreid is gegloeid. Het as-cast monster heeft een glad vlak oppervlak zoals weergegeven in figuur 1(a), maar grote kristallieten van PCBM ontwikkelen zich op het oppervlak bij langdurig thermisch gloeien zoals weergegeven in figuur 1(b).
Figuur 2 toont de gegevens 2D neutronenverstrooiingsintensiteit gemeten voor het gegloeide P3HT:PCBM-monster bij één vaste spinecho-instelling (spin-up) met OffSpec op de in deze procedure beschreven wijze. De off specular verstrooiing van belang te worden geanalyseerd in deze experimenten wordt bovenop de neutronenverstrooiing waargenomen in een conventionele speculatieve reflectiviteit experiment. De intensiteit van de speculatieve reflectiviteit zal een intensiteitswaarde van eenheid hebben in het totale reflectieregime, maar vergaat dan snel als functie van Q met zes ordes van grootte of meer. Andere off-specular kenmerken zijn meestal 100-1.000 keer zwakker dan het speculatieve signaal en bevinden zich op goed gedefinieerde posities in de Q-ruimte.
Figuur 3 toont de gegevens voor zowel de gegloeide als de niet-gegloeide monsters nadat ze zijn genormaliseerd met behulp van de referentiemonstergegevens. Als het bemonsteringsmonster geen uitspeculerende verstrooiing produceert (zoals het P0-referentiemonster), dan is de resulterende PGenormaliseerd gelijk aan 1 voor alle golflengten. Als nochtans een geschikte correlatielengteschaal in het systeem bestaat zal een polarisatieverandering(d.w.z. PGenormaliseerde ≠ 1) worden waargenomen die een sterke golflengteafhankelijkheid heeft. Een voorbeeld van de 2D genormaliseerde SERGIS polarisatiegegevens is te zien in figuur 3 voor de twee representatieve monsters van belang(d.w.z. gegloeid en ongegloeid).
De SERGIS-signalen van zowel een as-cast als een gegloeid monster zijn gemeten en vergeleken, zoals weergegeven in figuur 4. Het ongeannealiseerde monster bevatte geen structurele correlaties op de lengteschalen waar de spin-echometing gevoelig voor is en produceert dus een vlakke lijn bij een 0,0 (een genormaliseerde polarisatie van 1). Daarentegen begint het gegloeide monster bij 0,0 en is er een aanzienlijk verval in de polarisatie naarmate de spin-echolengte toeneemt voordat een plateau wordt bereikt dat begint bij ongeveer 1.200 nm. Als de gegevens op dezelfde manier worden beschouwd als Spin Echo Small Angle Neutron Scattering-gegevens van een verdunde oplossing van deeltjes, dan zijn de gegevens consistent met een maximale gemiddelde deeltjesdiameter van ongeveer 1.200 nm zonder buren in de buurt.
Figuur 1. Optische microscopiebeelden van de P3HT-PCBM-film (a) vóór het gloeien en (b) na gloeien bij 150 °C gedurende 1 uur. Een hogere vergroting AFM-fasebeeld van een van de PCBM-kristallieten die aanwezig zijn na het gloeien wordt ook weergegeven in (c), en hoogtesectieanalyse voor dezelfde PC60BM-kristalliet op 3 verschillende posities op de kristalliet aangegeven als 1, 2 en 3 op (d) worden weergegeven in (e) 1, (f) 2 en (g) 3. Herdrukt met toestemming van Appl. Phys. Lett. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). Copyright 2013, AIP Publishing LLC. Klik hier om grotere afbeelding te bekijken.
Figuur 2. De genormaliseerde spin-up reflectiviteit van het gegloeide P3HT/PCBM monster. De positie waarin de directe straal zou zijn verschenen als deze niet was geblokkeerd, wordt aangegeven door de witte lijn (a), de gebroken bundel wordt aangegeven door (b) en de spiegelende reflectie wordt aangegeven door (c). Herdrukt met toestemming van Appl. Phys. Lett. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). Copyright 2013, AIP Publishing LLC. Klik hier om grotere afbeelding te bekijken.
Figuur 3. 2D genormaliseerde polarisatiebeelden van het ongegloeide en gegloeide monster als functie van reflectiehoek en golflengte. Detector nummer 114 is de positie van de spiegelreflectie. Klik hier om grotere afbeelding te bekijken.
Figuur 4. SERGIS-gegevens voor het gegloeide en niet-gegloeide monster met duidelijke polarisatie en een plateau vanaf ongeveer 1.200 nm in het gegloeide monster en een effectieve nulpolarisatie in het niet-gegloeide monster. Het SERGIS-signaal werd berekend door figuur 3 te integreren tussen detectorpixels 110 en 118, die aan weerszijden valt en de speculatieve reflectie bij detectorpixel 114 bevat. Herdrukt met toestemming van Appl. Phys. Lett. 102, 073111, http://dx.doi.org/10.1063/1.4793513 (2013). Copyright 2013, AIP Publishing LLC. Klik hier om grotere afbeelding te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De microscopiegegevens in figuur 1 laten duidelijk zien dat voor het gloeien van de P3HT:PCBM dunne film vlak en glad is en na thermisch gloeien zijn er veel grote onregelmatige PCBM-kristallieten op het oppervlak aanwezig met laterale afmetingen variërend tussen ongeveer 1-10 μm. Dit wordt toegeschreven aan PCBM-migratie naar het bovenoppervlak van de film en daaropvolgende aggregatie om grote kristallieten te vormen. Een sterk SERGIS-signaal geassocieerd met verstrooiing van PCBM-kristallieten in het gegloeide monster wordt gezien in figuur 4. Als de gegevens op dezelfde manier worden beschouwd als Spin Echo Small Angle Neutron Scattering-gegevens uit een verdunde oplossing van deeltjes, suggereert het SERGIS-experiment een gemiddelde maximale deeltjesdiameter van 1,2 μm die binnen het bereik valt dat is afgeleid van de microscopiegegevens, daarom is er een goede overeenstemming tussen de lengteschaal die door de SERGIS-techniek wordt gevonden en die waargenomen door microscopie.
Voor monsters die relatief grote goed gescheiden discrete structuren bevatten, zoals de kristallieten in de hier gepresenteerde representatieve gegevens, kan de golflengteafhankelijkheid van de polarisatie worden beschouwd als twee verschillende componenten: een als gevolg van structurele correlaties en de andere vanwege de golflengte kwadraat afhankelijkheid van de neutronenverstrooiingslengtedichtheid. Dit laatste voegt geen nuttige informatie toe aan de gegevens en maskeert het plateau in polarisatie dat wordt verwacht in een sterk verstrooiend monster. Daarom wordt de procedurele stap 3.10 gebruikt om de golflengte kwadraat afhankelijkheid van verstrooiingslengtedichtheid te verwijderen om de interpretatie van de SERGIS-resultaten te vereenvoudigen. Hoewel het over het algemeen moeilijk is om formulierfactorgegevens volledig los tekoppelen van gegevens over de structuur tussen deeltjes; voor goed gescheiden discrete structuren waar het interdeeltjegegevenssignaal zwak zal zijn zoals hier gepresenteerd, wordt aangenomen dat het SERGIS-signaal dat hier wordt waargenomen, wordt gedomineerd door de deeltjesgrootte en -vorm.
Over het algemeen zijn neutronen zwak interagerende deeltjes en daarom is SERGIS, net als bij andere neutronentechnieken, waarschijnlijk zeer geschikt voor het onderzoeken van begraven structuren (hoewel hier niet aangetoond). In tegenstelling tot andere reflectietechnieken die het monster onderzoeken als functie van diepte, heeft de SERGIS-techniek het voordeel dat het structuren in het vlak van het monsteroppervlak kan onderzoeken. De volledige experimentele mogelijkheden van de SERGIS-techniek worden nog steeds bepaald en zijn een gebied van voortdurend onderzoek.
In vergelijking met de verstrooiing die is waargenomen bij neutronenreflectiemetingen zijn de SERGIS-signalen vaak zwak en is het onwaarschijnlijk dat deze bij de huidige instrumentatie worden waargenomen als de structuren in het onderzochte monster verdund, verstoord, klein van formaat en polydisperse zijn of het neutronenverstrooiingscontrast laag is. Daarom is de SERGIS-techniek beperkt tot het meten van monsters die een hoge dichtheid van matig grote kenmerken (30 nm tot 5 μm) bevatten, die neutronen sterk verspreiden, of monsters waarbij de kenmerken van belang op een rooster zijn gerangschikt.
Een van de essentiële stappen in elk SERGIS-experiment is het selecteren van een geschikt referentiemonster. Idealiter zou het een extreem uitgebreide kritische reflectieregio moeten hebben om het mogelijk te maken relatief snel goede telstatistieken te verkrijgen. Ook moet het referentiemonster zo vlak mogelijk zijn en mag het geen off-specularverstrooiing veroorzaken, dit zorgt ervoor dat het de neutronenbundel niet depolariseert of verbreedt. Voor de representatieve resultaten die hier worden gepresenteerd, werd een optisch vlak, schoon stuk amorf kwarts gebruikt om de P0-dataset te verzamelen. Evenzo worden de monsters van belang vervaardigd op dikke siliciumsubstraten om elke mogelijkheid van het buigen van de wafer tijdens het dunne filmdroogproces te elimineren, waardoor een optimale vlakheid van de monsters wordt gegarandeerd. Een andere cruciale stap is de selectie van een geschikt gebied voor de integratie binnen de genormaliseerde 2D-dataset die wordt geproduceerd. Dit gebied moet zo worden gekozen dat het gewenste SERGIS-signaal niet wordt overspoeld door mogelijke polarisatie-inhomogeniteiten als gevolg van onvolkomenheden in de veldlijnintegraalen. De beschikbare Q-ruimte waarover het SERGIS-signaal kan worden geïntegreerd, is in feite beperkt tot een reeks afzonderlijke Q-waarden bij een bepaalde spin-echolengteconfiguratie.
Het is duidelijk dat de kosten en tijd die nodig zijn om monsterstructuren met de SERGIS-techniek te meten aanzienlijk hoger zijn dan de microscopietechnieken die worden gebruikt om de hier gepresenteerde gegevens te bevestigen. Het gebruik van SERGIS om onregelmatige deeltjes op het oppervlak van een dunne film te onderzoeken, is echter duidelijk aangetoond. In de toekomst zal deze techniek hopelijk in staat zijn om begraven structuur te onderzoeken. De zwak interagerende aard van neutronen moet hen in staat stellen door monsters te dringen en te depolariseren op begraven interfaces. Daarom is het belangrijke voordeel dat SERGIS kan hebben ten opzichte van andere technieken dat het vergelijkbare kenmerken en effecten moet kunnen karakteriseren wanneer ze worden begraven, in tegenstelling tot op microscopie gebaseerde technieken, die meestal beperkt zijn tot oppervlaktestructuren. Hopelijk zal het in de toekomst mogelijk zijn om SERGIS te gebruiken om te kijken naar het effect van gloeien op pcbm-kristallietgroei in een polymeer zonnecel die is voltooid met een metalen kathode en inkapselingslaag, in tegenstelling tot de onvolledige apparaatstructuren die hier worden gepresenteerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteur Robert Dalgliesh is een medewerker van de ISIS Pulsed Neutron and Muon Source die het instrument herbergt dat in dit experiment wordt gebruikt.
Acknowledgments
AJP werd gefinancierd door de EPSRC Soft Nanotechnology platform grant EP/E046215/1. De neutronenexperimenten werden ondersteund door de STFC via de toewijzing van experimentele tijd voor het gebruik van 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).
