Utilisation de la diffusion de l’incidence de broutage résolue par écho de spin neutronique pour étudier les matériaux des cellules solaires organiques
Summary
Des progrès ont été réalisés dans l’utilisation de la diffusion de l’incidence de pâturage résolue par écho de spin (SERGIS) comme technique de diffusion neutronique pour sonder les échelles de longueur dans des échantillons irréguliers. Des cristallites d’ester méthylique de l’acide [6,6]-phényl-C61-butyrique ont été sondées à l’aide de la technique SERGIS et des résultats confirmés par microscopie optique et à force atomique.
Abstract
La technique SERGIS (Spin echo resolved grazing incidence scattering) a été utilisée pour sonder les échelles de longueur associées aux cristallites de forme irrégulière. Les neutrons traversent deux régions bien définies du champ magnétique; un avant et un après l’échantillon. Les deux régions de champ magnétique ont une polarité opposée et sont réglées de telle sorte que les neutrons voyageant à travers les deux régions, sans être perturbés, subiront le même nombre de précessions dans des directions opposées. Dans ce cas, la précession neutronique dans le second bras est dite « écho » au premier, et la polarisation originale du faisceau est préservée. Si le neutron interagit avec un échantillon et se disperse élastiquement, le chemin à travers le deuxième bras n’est pas le même que le premier et la polarisation d’origine n’est pas récupérée. La dépolarisation du faisceau de neutrons est une sonde très sensible à de très petits angles (<50 μrad) mais permet toujours d’utiliser un faisceau divergent de haute intensité. La diminution de la polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon par rapport à celle de l’échantillon de référence peut être directement liée à la structure de l’échantillon.
Par rapport à la diffusion observée dans les mesures de réflexion neutronique, les signaux SERGIS sont souvent faibles et peu susceptibles d’être observés si les structures dans le plan de l’échantillon à l’étude sont diluées, désordonnées, de petite taille et polydisperses ou si le contraste de diffusion des neutrons est faible. Par conséquent, de bons résultats seront très probablement obtenus en utilisant la technique SERGIS si l’échantillon mesuré est constitué de films minces sur un substrat plat et contient des caractéristiques de diffusion qui contiennent une densité élevée de caractéristiques de taille moyenne (30 nm à 5 μm) qui dispersent fortement les neutrons ou si les caractéristiques sont disposées sur un réseau. Un avantage de la technique SERGIS est qu’elle peut sonder des structures dans le plan de l’échantillon.
Introduction
La technique SERGIS vise à être en mesure de produire des informations structurelles uniques non accessibles en utilisant d’autres techniques de diffusion ou de microscopie à partir d’échantillons à couche mince. Les techniques de microscopie sont généralement limitées en surface ou nécessitent une altération importante / préparation de l’échantillon pour visualiser les structures internes. Les techniques de diffusion conventionnelles telles que la réflectivité peuvent fournir des informations détaillées sur les structures d’échantillons enfouis en fonction de la profondeur dans le film mince, mais ne peuvent pas sonder facilement la structure dans le plan du film mince. En fin de compte, on espère que SERGIS permettra de sonder cette structure latérale même lorsqu’elle est enfouies dans l’échantillon à couche mince. Les résultats représentatifs présentés ici démontrent qu’il est possible d’observer un signal SERGIS à partir de caractéristiques d’échantillon irrégulières et que le signal mesuré peut être corrélé avec une échelle de longueur caractéristique associée aux caractéristiques présentes dans l’échantillon, comme le confirment les techniques de microscopie conventionnelles.
Des techniques d’écho de spin inélastique ont été développées par Mezei et al. 1 dans les années 1970. Depuis lors, la technique SERGIS (qui est une extension des idées de Mezei et al.)a été démontrée avec succès expérimentalement en utilisant une variété d’échantillons tels que des réseau de diffraction très réguliers2-6 et des gouttelettes de polymère dé-humidifiés circulaires7. Une théorie dynamique a été développée par Pynn et ses collègues pour modéliser la forte diffusion à partir d’échantillons très réguliers3-6,8. Ces travaux ont mis en évidence de nombreux aspects pratiques à prendre en compte lors de l’exécution de ce type de mesure et ont conduit à un dialogue constant au sein d’une petite communauté multinationale.
De bons résultats des expériences SERGIS seront très probablement obtenus si l’échantillon mesuré est constitué d’un film mince sur un substrat plat et contient des caractéristiques de diffusion avec une densité élevée de caractéristiques de taille moyenne (30 nm à 5 μm) qui dispersent fortement les neutrons, comme l’ont démontré les auteurs9. Contrairement à d’autres techniques de réflectivité établies qui sondent l’échantillon en fonction de la profondeur, la technique SERGIS présente l’avantage de pouvoir sonder des structures dans le plan de la surface de l’échantillon. En outre, l’utilisation de spin-echo élimine la nécessité de collimer étroitement le faisceau de neutrons afin d’obtenir une résolution spatiale ou énergétique élevée, par conséquent des gains de flux importants peuvent être obtenus. Ceci est particulièrement pertinent pour les géométries d’incidence du pâturage qui sont considérablement limitées en raison de la nécessité de colliger fortement le faisceau dans une direction. À l’aide de l’instrument OffSpec, il devrait donc être possible de sonder des échelles de longueur de 30 nm à 5 μm dans les structures en vrac et de surface.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les données de microscopie de la figure 1 montrent clairement qu’avant le recuit, le film mince P3HT:PCBM est plat et lisse et qu’après recuit thermique, de nombreux grands cristallites PCBM irréguliers sont présents à la surface avec des dimensions latérales comprises entre environ 1 et 10 μm. Ceci est attribué à la migration pcbm vers la surface supérieure du film et l’agrégation ultérieure pour former de grandes cristallites. Un signal SERGIS fort associé à la diffusion des cristal…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
L’AJP a été financé par la subvention EP/E046215/1 de la plateforme EPSRC Soft Nanotechnology. Les expériences neutroniques ont été soutenues par le STFC via l’attribution de temps expérimental pour utiliser 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
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