Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering gebruiken om organische zonnecelmaterialen te onderzoeken
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.
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
