Bruke nøytronspinke ekko løst beiteforekomst spredning for å undersøke organiske solcellematerialer

Summary

Det er gjort framskritt ved bruk av spin echo løst beiteforekomst spredning (SERGIS) som en nøytronspredningsteknikk for å sondere lengdeskalaene i uregelmessige prøver. Krystalllitter av [6,6]-fenyl-C61-smørsyremetylstere har blitt undersøkt ved hjelp av SERGIS-teknikken og resultatene bekreftet av optisk og atomkraftmikroskopi.

Abstract

Spin echo løst beite forekomst spredning (SERGIS) teknikken har blitt brukt til å sondere lengdeskalaer forbundet med uregelmessig formede krystalllitter. Nøytroner passeres gjennom to veldefinerte områder av magnetfelt; en før og en etter prøven. De to magnetfeltområdene har motsatt polaritet og er innstilt slik at nøytroner som reiser gjennom begge regioner, uten å bli forstyrret, vil gjennomgå samme antall presesjoner i motsatte retninger. I dette tilfellet sies nøytronpresesjonen i den andre armen å “ekko” den første, og den opprinnelige polariseringen av strålen er bevart. Hvis nøytronen samhandler med en prøve og sprer seg elastisk, er banen gjennom den andre armen ikke den samme som den første, og den opprinnelige polariseringen gjenopprettes ikke. Depolarisering av nøytronstrålen er en svært følsom sonde i svært små vinkler (<50 μrad), men tillater fortsatt en høy intensitet, divergerende stråle som skal brukes. Nedgangen i polariseringen av strålen reflektert fra prøven sammenlignet med den fra referanseprøven kan være direkte relatert til struktur i prøven.

Sammenlignet med spredning observert i nøytronrefleksjonsmålinger er SERGIS-signalene ofte svake og vil sannsynligvis ikke bli observert hvis de innebygde strukturene i prøven som undersøkes er fortynnet, uorden, liten i størrelse og polydisperse eller nøytronspredningskontrasten er lav. Derfor vil gode resultater mest sannsynlig oppnås ved hjelp av SERGIS-teknikken hvis prøven som måles består av tynne filmer på et flatt substrat og inneholder spredningsfunksjoner som inneholder en høy tetthet av moderat store funksjoner (30 nm til 5 μm) som sprer nøytroner sterkt eller funksjonene er ordnet på et gitter. En fordel med SERGIS-teknikken er at den kan sondere strukturer i prøveplanet.

Introduction

SERGIS-teknikken tar sikte på å kunne gi unik strukturell informasjon som ikke er tilgjengelig ved hjelp av andre sprednings- eller mikroskopiteknikker fra tynne filmprøver. Mikroskopiteknikker er vanligvis overflatebegrenset eller krever betydelig endring / prøvepreparering for å se interne strukturer. Konvensjonelle spredningsteknikker som reflektivitet kan gi detaljert informasjon om begravde prøvestrukturer som en funksjon av dybde i tynnfilmen, men kan ikke sonde struktur i plan av den tynne filmen lett. Til syvende og sist er det håpet at SERGIS vil gjøre det mulig å granske denne laterale strukturen selv når den er begravet i den tynne filmprøven. De representative resultatene som presenteres her viser at det er mulig å observere et SERGIS-signal fra uregelmessige prøvefunksjoner og at det målte signalet kan korreleres med en karakteristisk lengdeskala knyttet til funksjonene som er tilstede i prøven, som bekreftet av konvensjonelle mikroskopiteknikker.

Inelastiske spin echo teknikker ble utviklet av Mezei et al. ¹ på 1970-tallet. Siden da har SERGIS-teknikken (som er en forlengelse av ideene til Mezei et al.) blitt demonstrert eksperimentelt ved hjelp av en rekke prøver som svært vanlige diffraksjonsgitter^2-6 og sirkulære de-fuktede polymerdråper⁷. En dynamisk teori er utviklet av Pynn og kolleger for å modellere den sterke spredningen fra svært vanlige prøver^3-6,8. Dette arbeidet har fremhevet mange praktiske aspekter som må vurderes når man utfører denne typen måling og har ført til en konstant dialog i et lite multinasjonalt samfunn.

Gode resultater fra SERGIS-eksperimenter vil mest sannsynlig bli oppnådd hvis prøven som måles består av en tynn film på et flatt substrat og inneholder spredningsfunksjoner med høy tetthet av moderat store egenskaper (30 nm til 5 μm) som sprer nøytroner sterkt, som demonstrert av forfatterne⁹. I motsetning til andre etablerte refleksteknikker som undersøker prøven som en dybdefunksjon, har SERGIS-teknikken fordelen at den kan sondere strukturer i prøveoverflatens plan. Videre fjerner bruken av spin-echo kravet om å tett kollatere nøytronstrålen for å oppnå enten høy romlig eller energioppløsning, og dermed kan betydelige fluxgevinster oppnås. Dette er spesielt relevant for beiteforekomstsgeometrier som er betydelig fluxbegrenset på grunn av behovet for å kollatere bjelken sterkt i en retning. Ved hjelp av OffSpec-instrumentet bør det derfor være mulig å sondere lengdeskalaer fra 30 nm til 5 μm i både bulk- og overflatekonstruksjoner.

Protocol

1. Prøveforberedelse Rengjør silisiumsubstratene ved å plassere 2 i silisiumskiver som er 4 mm tykke i oksygenplasma i 10 minutter. Spincoat det første laget på underlagene Filtrer poly(3,4-etylendioksytrofen): poly (styrenesulfonat) (PEDOT:PSS) gjennom et 0,45 μm PTFE-filter (PALL). Bruk ca. 0,5 ml for hver prøve for å spinne en tynn PEDOT:PSS-film på de to rene underlagene ved 5000 o/min som spinner i 60 sekunder. Tørk hvert underlag i 10 min i en ovn ved 70 ?…

Representative Results

De representative resultatene fra prøver av [6,6]-fenyl-C61-smørsyre metyl ester (PCBM) og poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) presentert her er av betydelig interesse på grunn av deres utbredte anvendelse som bulk hetero-kryssmaterialer i organiske fotovoltaiske celler12,13. Vanligvis under fabrikasjonen av en organisk fotovoltaisk enhet, er en P3HT: PCBM-blandingsløsning spin-cast fra en blandingsløsning for å danne en tynn film på en poly (3,4-etylendioksythiophene):p oly (styrenesulfonat) (PEDOT:…

Discussion

Mikroskopidataene i figur 1 viser tydelig at før P3HT:PCBM tynnfilm er flat og glatt, og etter termisk annealing er det mange store uregelmessige PCBM-krystaller til stede på overflaten med laterale dimensjoner som spenner mellom ca. 1-10 μm. Dette tilskrives PCBM-migrering mot toppen av filmen og påfølgende aggregering for å danne store krystalliter. Et sterkt SERGIS-signal forbundet med spredning fra PCBM-krystaller i den glødede prøven er sett i figur 4. Hvis dataene vurderes …

Materials

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