Yöntem makalesi

Eşzamanlı Sayısal İletkenlik ve AFM kullanarak Organik Fotovoltaik Malzemeler Mekanik Özellikleri Ölçümleri

DOI:

10.3791/50293

⸱

23 Ocak 2013

 , 
1Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory, 2Institute for Molecular Engineering, University of Chicago

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Organik fotovoltaik (OPV) malzemeler nanometre ölçeğinde doğal homojen olmayan vardır. OPV malzemelerin Nanoseviye inhomojenlik fotovoltaik cihazların performansını etkiler. Bu yazıda, alt-100 nm çözünürlükte OPV malzemelerin elektriksel ve mekanik özelliklerinin kantitatif ölçümler için bir protokol açıklar.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Organik fotovoltaik (OPV) malzemeler nanometre ölçeğinde doğal homojen olmayan vardır. OPV malzemelerin Nanoseviye inhomojenlik fotovoltaik cihazların performansını etkiler. Böylece, bileşimin yanı sıra OPV malzemelerin elektriksel özellikleri mekansal değişimlerin anlaşılması ileriye PV teknolojisi taşımak için büyük önem taşımaktadır. Bu yazıda 1,2, biz alt ile OPV malzemelerin elektriksel ve mekanik özelliklerinin kantitatif ölçümler için bir protokol açıklar -100 nm çözünürlük. Şu anda, malzeme özellikleri ölçümler genelde sadece niteliksel bilgi sağlayan piyasada bulunan AFM tabanlı teknikler (PeakForce, iletken AFM) kullanılarak gerçekleştirildi. Direnci yanı sıra Young modülü prototipik İTO / PEDOT bizim metodu kullanılarak ölçüldü için değerler: PSS/P3HT: PC 61 BM sistemi literatür verileri ile oldukça uyumludur. P3HT: PC 61 BM karışım BM-zengin ve P3HT zengin PC 61 üzerine ayırır domains. PC 61 BM-zengin ve P3HT-zengin etki mekanik özellikleri filmin yüzeyi üzerinde etki atıf için izin veren, farklı. Önemli olarak, mekanik ve elektrik veri birleştirme filmin kalınlığı boyunca ölçülen elektriksel özelliklere varyasyon ile film yüzeyi üzerinde etki yapının ilişki sağlar.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Organik fotovoltaik enerji dönüşüm verimliliği son devrimler (PCE) (OPV) hücreleri (hücre düzeyinde% 10 itme) yüksek verimlilik ve düşük maliyetli üretim süreçleri 4 ile uyum ile uyum içinde 3 olarak OPV teknoloji üzerine bir spot getirdi geniş alan güneş hücreleri ucuz üretim meydan için olası çözüm. OPV malzemeler nanometre ölçeğinde doğal homojen olmayan vardır. OPV malzemeler ve fotovoltaik cihazların performansı Nanoseviye homojen olmayan yakından bağlantılıdır. Böylece, bileşimin yanı sıra OPV malzemelerin elektriksel özellikleri anlayış inhomojenlik ileri OPV teknoloji taşımak için büyük önem taşımaktadır. Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) 1986 yılından bu yana yüzey topografyası yüksek çözünürlüklü ölçümler için bir araç olarak geliştirilmiştir. Günümüzde 5, malzemelerin özellikleri (Young modülü, 6-10 çalışma fonksiyonu, 11 davranış teknikleriivity, 12 elektromekanik, 13-15 vb) ölçümleri artan bir ilgi görmektedirler. OPV malzeme durumunda, yerel faz kompozisyonu ve elektriksel özellikleri korelasyon organik güneş hücreleri iç işleyişini daha iyi anlaşılması ifşa için umut vaat ediyor. 1, 16-17 AFM tabanlı teknikler atıf 8 yanı sıra yüksek çözünürlüklü faz yeteneğine sahiptirler gibi polimerik malzemeler haritalama elektriksel özellikler. Böylece, ilke olarak, polimer faz kompozisyonu (mekanik ölçümler yoluyla) 18 ve elektriksel özellikleri korelasyon AFM tabanlı teknikler kullanılarak mümkündür. Malzemelerin mekanik ve elektriksel özelliklerinin ölçümü için çok AFM tabanlı teknikler AFM probu ile yüzey arasındaki temas sabit alan varsayım kullanabilirsiniz. Bu varsayım genellikle yüzey topografya ve elektrik / mekanik özellikleri arasında güçlü bir korelasyon sonuçlanır, başarısız olur. Için Son zamanlarda yeni bir AFM-dayalı bir teknikmekanik özellikleri (PeakForce) 19 high-throughput ölçümler tanıtıldı. PeakForce TUNA (PeakForce Metodun varyasyon) numune mekanik ve elektriksel özelliklerinin eşzamanlı ölçümleri için bir platform sağlar. Ancak, PeakForce TUNA yöntem genellikle kuvvetli, çünkü ölçümler sırasında temas sayılmamış değişkenlik ilişkilidir mekanik ve elektriksel özellik haritalar üretir. Bu yazıda, AFM kullanarak mekanik ve elektriksel özelliklerinin hassas ölçümler korurken temas yarıçapı değişen ilişkili korelasyonlar kaldırmak için bir deney protokolü sunarız. Malzemelerin dayanım ve Young Modülü kantitatif ölçümleri protokolü Uygulama sonuçları.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Sinyal Edinimi

  1. NanoScope-V denetleyicisi ile donatılmış bir ticari Multimode AFM (Veeco, Santa Barbara, CA) içine numune (PC 61 BM): PSS/P3HT katot olmadan polimer güneş pili (ITO / PEDOT) takın.
  2. Multimode AFM prob tutucu içine iletken AFM probe yükleyin.
  3. AFM probu, numune ve gerilim kaynağı arasındaki elektrik bağlantısını oluşturun.
  4. Rota akım amplifikatör çıkış (akım sinyali), Multimode AFM sapma çıkış (kuvvet sinyali), bir dijital toplama kartı içine Multimode AFM numune yüksekliği çıkış (mesafe sinyali) (NI-PCI-6115 DAQ). Femto üzerinde kazanç DLPCA-200 akım kuvvetlendiricisi 50 kHz bant genişliği az 1 nA / V.
  5. AFM probe ve ITO elektrot arasındaki 6V önyargı uygulayın.
  6. Topografya sinyal toplama PeakForceTM modunda Multimode AFM çalıştırın: 30 nN, 300 nm desteği salınım genliği, 2 kHz desteği salınım frekansı, 1 Hz tarama hızı ve resoluti pik gücü ayar noktası512 piksel 512 ile ilgili.
  7. Eşzamanlı topografya sinyal edinimi (adım e) LabView / MATLAB denetimi tarafından bölümünde d listelenen işaretleri toplayın.

2. Veri Analizi Adım 1: Pull-off Force Üretimi, İletişim Rijitlik ve Güncel Harita

  1. MATLAB içine zaman damgalı akım, kuvvet ve mesafe sinyalleri okuyun.
  2. Mesafe, ve kuvvet - - ilk tarama satırı için geçerli eğrileri 2.000 kuvvet oluşturun. Eğrilerin sayısı destek salınım frekansı ve tarama hızı bir fonksiyonudur.
  3. Her bir kuvvet itibaren - mesafe eğrisi belirlemek sertliği başvurun ve AFM prob (Şekil 1) çekilme sırasında off-çekme kuvveti.
  4. Her bir kuvvet itibaren - AFM sonda (Şekil 1) geri çekme sırasında yüzeyi ile temas halinde iken akım eğrisi, ortalama akım belirler.
  5. Interpolate 2,000 eşit aralıklı temas sertlik, çekme kuvveti ve çözünürlüğü maç için 512 puan geçerli puantopografya sinyal tion. Iletişim sertlik, çekme kuvveti ve güncel haritaları için ilk tarama satırı yapılır.
  6. E 512 kez adımlarını b tekrarlayarak sertlik, çekme kuvveti ve güncel haritalar irtibata oluşturun. Sonuçlar Şekil 2 'de gösterilmiştir.

3. Veri Analizi Adım 2: İletişim alan Artefakt giderilmesi

  1. Denklem (1) ve (2) Young Modülü (E MALZEME) ve malzemenin direnci (ρ) taramanın her noktasında elde etmek için: 20
    figure-protocol-1
     kullanarak F ADH = F PULL - 8 nN (AFM ve yüzey arasında su menisküs nedeniyle yapışma), 20 temas sertliği (k) ve akım (I) haritaları; problama gerilimi (V), film kalınlığı (L), ve yapışmaenerji (w = γ PROBE + γ Materia L - γ PROBE - MALZEME, nerede γ PROBE - prob malzemenin yüzey enerjisi, γ MALZEME - yüzey örnek malzeme enerji ve γ PROBE-MALZEME - numune malzeme ve prob malzeme arayüzey enerjisinin) . 20

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ölçümlerin Young modülü ve özdirenç haritaları (Şekil 3) Mevcut tipik sonuçları yukarıda anlatılan. İTO / PEDOT mekanik ve elektriksel özellikleri: PSS/P3HT: PC 61 BM yığın negatif (-10 V) ve pozitif (+6 V) AFM probe uygulanan voltajları ölçüldü. AFM prob ve örnek arasındaki elektrostatik etkileşim ile ilişkili Görüntüleme eserler, AFM kullanarak fonksiyonel özelliklerini kantitatif ölçümleri için yaygın bir sorundur. Farklı gerilim ölçülür Young modülü büyüklükte elektrostatik benzerlik eşya...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Çıkar çatışması ilan etti.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MPN mali destek için Müdürün Burs Programı minnettardır. MPN güneş pili işlemi için protokol gelişimi ile yardım için Yu-Chih Tseng teşekkür etmek istiyor. Bu çalışma Nanoseviye Malzeme Merkezi, Enerji ABD Bölümü, Bilim Ofisi, Sözleşme No DE-AC02-06CH11357 altında Temel Enerji Bilimler Kullanıcı Tesisi Ofisi'nde gerçekleştirildi.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Reaktif / Malzeme Adı Şirket Katalog Numarası Yorumlar
Plextronics mürekkepler Plexcore PV 1000
ITO kaplı cam yüzeyler Delta Technologies, Inc 25 Ohm / sq
30 MHz fonksiyon jeneratörü sentezlenmiş Stanfor Araştırma Sistemleri DS345
Akım amplifikatörü Femto DLPCA-200
Multimode AFM Veeco, Santa Barbara, CA NanoScope-V denetleyicisi ile donatılmış
DAQ kartı National Instruments NI-PCI-6115
Metal Pt probları RMNano 12Pt3008
MATLAB yazılımı Mathworks
LabView yazılımı National Instruments

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Morphology characterization in organic and hybrid solar cells. Energy Environ. Sci. , (2012).
  2. Dupont, S. R., Oliver, M., Krebs, F. C., Dauskardt, R. H. Interlayer adhesion in roll-to-roll processed flexible inverted polymer solar cells. Sol. Energy. 97, 171-175 (2012).
  3. Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 39). Progress in Photovoltaics. 20 (1), 12-20 (2012).
  4. Krebs, F. C., Gevorgyan, S. A., Alstrup, J. A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture and operational stability studies. Journal of Materials Chemistry. 19 (30), 5442-5451 (2009).
  5. Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. Atomic Force Microscope. Physical Review Letters. 56 (9), 930-933 (1986).
  6. Hurley, D. C., Kopycinska-Muller, M., Kos, A. B., Geiss, R. H. Nanoscale elastic-property measurements and mapping using atomic force acoustic microscopy methods. Measurement Science & Technology. 16 (11), 2167-2172 (2005).
  7. Jesse, S., Nikiforov, M. P., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Local thermomechanical characterization of phase transitions using band excitation atomic force acoustic microscopy with heated probe. Applied Physics Letters. 93 (7), (2008).
  8. Nikiforov, M. P., Gam, S., Jesse, S., Composto, R. J., Kalinin, S. V. Morphology Mapping of Phase-Separated Polymer Films Using Nanothermal Analysis. Macromolecules. 43 (16), 6724-6730 (2010).
  9. Nikiforov, M. P., Jesse, S., Morozovska, A. N., Eliseev, E. A., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. Probing the temperature dependence of the mechanical properties of polymers at the nanoscale with band excitation thermal scanning probe microscopy. Nanotechnology. 20 (39), (2009).
  10. Rabe, U., Amelio, S., Kopycinska, M., Hirsekorn, S., Kempf, M., Goken, M., Arnold, W. Imaging and measurement of local mechanical material properties by atomic force acoustic microscopy. Surface and Interface Analysis. 33 (2), 65-70 (2002).
  11. Nikiforov, M. P., Zerweck, U., Milde, P., Loppacher, C., Park, T. -H., Uyeda, H. T., Therien, M. J., Eng, L., Bonnell, D. The effect of molecular orientation on the potential of porphyrin-metal contacts. Nano Letters. 8 (1), 110-113 (2008).
  12. Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. High-resolution characterization of defects in oxide thin films. Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).
  13. Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M. Nanoelectromechanics of piezoresponse force microscopy. Physical Review B. 70 (18), (2004).
  14. Kolosov, O., Gruverman, A., Hatano, J., Takahashi, K., Tokumoto, H. Nanoscale Visualization and Control of Ferroelectric Domains by Atomic-Force Microscopy. Physical Review Letters. 74 (21), 4309-4312 (1995).
  15. Nikiforov, M. P., Thompson, G. L., Reukov, V. V., Jesse, S., Guo, S., Rodriguez, B. J., Seal, K., Vertegel, A. A., Kalinin, S. V. Double-Layer Mediated Electromechanical Response of Amyloid Fibrils in Liquid Environment. Acs Nano. 4 (2), 689-698 (2010).
  16. Botiz, I., Darling, S. B. Optoelectronics using block copolymers. Materials Today. 13 (5), 42-51 (2010).
  17. Brabec, C. J., Heeney, M., McCulloch, I., Nelson, J. Influence of blend microstructure on bulk heterojunction organic photovoltaic performance. Chemical Society Reviews. 40 (3), 1185-1199 (2011).
  18. Karagiannidis, P. G., Kassavetis, S., Pitsalidis, C., Logothetidis, S. Thermal annealing effect on the nanomechanical properties and structure of P3HT: PCBM thin films. Thin Solid Films. 519 (12), 4105-4109 (2011).
  19. Sweers, K., vander Werf, K., Bennink, M., Subramaniam, V. Nanomechanical properties of alpha-synuclein amyloid fibrils: a comparative study by nanoindentation, harmonic force microscopy, and Peakforce QNM. Nanoscale Research Letters. 6, (2011).
  20. Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).
  21. Li, H. -C., Rao, K. K., Jeng, J. -Y., Hsiao, Y. -J., Guo, T. -F., Jeng, Y. -R., Wen, T. -C. Nano-scale mechanical properties of polymer/fullerene bulk hetero-junction films and their influence on photovoltaic cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (11), 2976-2980 (2011).
  22. Mueller, C., Goffri, S., Breiby, D. W., Andreasen, J. W., Chanzy, H. D., Janssen, R. A. J., Nielsen, M. M., Radano, C. P., Sirringhaus, H., Smith, P., Stingelin-Stutzmann, N. Tough, semiconducting polyethylene-poly(3-hexylthiophene) diblock copolymers. Advanced Functional Materials. 17 (15), 2674-2679 (2007).
  23. Kuila, B. K., Nandi, A. K. Physical, mechanical, and conductivity properties of poly(3-hexylthiophene)-montmorillonite clay nanocomposites produced by the solvent casting method. Macromolecules. 37 (23), 8577-8584 (2004).
  24. O'Connor, B., Chan, E. P., Chan, C., Conrad, B. R., Richter, L. J., Kline, R. J., Heeney, M., McCulloch, I., Soles, C. L., DeLongchamp, D. M. Correlations between Mechanical and Electrical Properties of Polythiophenes. Acs Nano. 4 (12), 7538-7544 (2010).
  25. Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -Y. Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method. Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).
  26. Kuila, B. K., Nandi, A. K. Structural hierarchy in melt-processed poly(3-hexyl thiophene)-montmorillonite clay nanocomposites: Novel physical, mechanical, optical, and conductivity properties. Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1621-1631 (2006).
  27. Nikiforov, M. P., Darling, S. B. Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , In Press (2012).
  28. Kim, J. Y., Frisbie, D. Correlation of Phase Behavior and Charge Transport in Conjugated Polymer/Fullerene Blends. Journal of Physical Chemistry C. 112 (45), 17726-17736 (2008).
  29. Bange, S., Kuksov, A., Neher, D., Vollmer, A., Koch, N., Ludemann, A., Heun, S. The role of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulphonate) as a hole injection layer in a blue-emitting polymer light-emitting diode. Journal of Applied Physics. 104 (10), (2008).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

AFM letkenlik l mleriMekanik zellikler AnaliziE zamanl Elektriksel l mlerAtomik Kuvvet MikroskobuPeakForce Moduletken AFM ProbYoung Mod l Haritalamaz Diren HaritalamaFaz Ayr m Harmanlar

İlgili makaleler