Mit Neutron Spin Echo Gelöste Grazing Incidence Scattering zur Untersuchung organischer Solarzellenmaterialien
Summary
Es wurden Fortschritte bei der Verwendung von Spin-Echo-aufgelösten Weideinzidenzstreuung (SERGIS) als Neutronenstreuungstechnik zur Untersuchung der Längenskalen in unregelmäßigen Proben erzielt. Crystallite von [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester wurden mit der SERGIS-Technik untersucht und die Ergebnisse durch optische und atomare Kraftmikroskopie bestätigt.
Abstract
Die SERGIS-Technik (Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering) wurde verwendet, um die Längenskalen zu untersuchen, die mit unregelmäßig geformten Kristalliten verbunden sind. Neutronen werden durch zwei gut definierte Magnetfeldbereiche geleitet; eine vor und eine nach der Probe. Die beiden Magnetfeldregionen haben eine entgegengesetzte Polarität und sind so abgestimmt, dass Neutronen, die durch beide Regionen reisen, ohne gestört zu werden, die gleiche Anzahl von Präzesses in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen werden. In diesem Fall soll die Neutronenpräzession im zweiten Arm den ersten “echo” haben, und die ursprüngliche Polarisation des Strahls bleibt erhalten. Wenn das Neutron mit einer Probe interagiert und elastisch streut, ist der Pfad durch den zweiten Arm nicht derselbe wie der erste und die ursprüngliche Polarisation wird nicht wiederhergestellt. Die Depolarisation des Neutronenstrahls ist eine hochempfindliche Sonde in sehr kleinen Winkeln (<50'rad), ermöglicht aber dennoch den Einsatz eines hochintensiven, divergierenden Strahls. Die Verringerung der Polarisation des Strahls, der von der Probe im Vergleich zu der der Referenzstichprobe reflektiert wird, kann direkt mit der Struktur innerhalb der Probe zusammenhängen.
Im Vergleich zur streuungsbeobachteten Streuung, die bei Neutronenreflexionsmessungen beobachtet wird, sind die SERGIS-Signale oft schwach und werden wahrscheinlich nicht beobachtet, wenn die In-Ebenen-Strukturen innerhalb der untersuchten Probe verdünnt, ungeordnet, klein und polydisperse oder der Neutronenstreukontrast gering ist. Daher werden mit der SERGIS-Technik höchstwahrscheinlich gute Ergebnisse erzielt, wenn die zu messende Probe aus dünnen Folien auf einem flachen Substrat besteht und Streueigenschaften enthält, die eine hohe Dichte von mittelgroßen Merkmalen (30 nm bis 5 m) enthalten, die Neutronen stark streuen oder die Merkmale auf einem Gitter angeordnet sind. Ein Vorteil der SERGIS-Technik ist, dass sie Strukturen in der Ebene der Probe sonden kann.
Introduction
Die SERGIS-Technik zielt darauf ab, einzigartige Strukturelle Informationen zu liefern, die mit anderen Streu- oder Mikroskopietechniken aus Dünnschichtproben nicht zugänglich sind. Mikroskopietechniken sind in der Regel oberflächenbegrenzt oder erfordern erhebliche Änderungen/Probenvorbereitungen, um interne Strukturen anzuzeigen. Herkömmliche Streutechniken wie Reflektivität können detaillierte Informationen über vergrabene Probenstrukturen als Funktion der Tiefe innerhalb des Dünnfilms liefern, können aber die Struktur in der Ebene des Dünnfilms nicht einfach sonden. Letztlich hofft man, dass SERGIS es ermöglicht, diese laterale Struktur auch dann zu untersuchen, wenn sie in der Dünnschichtprobe vergraben ist. Die hier vorgestellten repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, ein SERGIS-Signal anhand unregelmäßiger Probenmerkmale zu beobachten, und dass das gemessene Signal mit einer charakteristischen Längenskala korreliert werden kann, die mit den in der Probe vorhandenen Merkmalen verbunden ist, wie sie durch herkömmliche Mikroskopieverfahren bestätigt wird.
Inelastische Spin-Echo-Techniken wurden von Mezei et al. entwickelt. 1 in den 1970er Jahren. Seitdem wurde die SERGIS-Technik (eine Erweiterung der Ideen von Mezei et al.)experimentell mit einer Vielzahl von Proben wie hochregelmäßigen Beugungsgittern2-6 und kreisförmigen entnetzten Polymertröpfchen7erfolgreich nachgewiesen. Eine dynamische Theorie wurde von Pynn und Kollegen entwickelt, um die starke Streuung aus sehr regelmäßigen Proben3-6,8zu modellieren. Diese Arbeit hat viele praktische Aspekte hervorgehoben, die bei der Durchführung dieser Art von Messungen zu berücksichtigen sind, und zu einem ständigen Dialog innerhalb einer kleinen multinationalen Gemeinschaft geführt.
Gute Ergebnisse aus SERGIS-Experimenten werden höchstwahrscheinlich erzielt, wenn die zu messende Probe aus einem dünnen Film auf einem flachen Substrat besteht und Streueigenschaften mit einer hohen Dichte von mittelgroßen Merkmalen (30 nm bis 5 m) enthält, die Neutronen stark streuen, wie die Autoren9zeigen. Im Gegensatz zu anderen etablierten Reflektivitätstechniken, die die Probe als Funktion der Tiefe untersuchen, hat die SERGIS-Technik den Vorteil, dass sie Strukturen in der Ebene der Probenoberfläche sonden kann. Darüber hinaus entfällt durch die Verwendung von Spin-Echo die Anforderung, den Neutronenstrahl fest zu kollimieren, um entweder eine hohe Räumliche oder energiebefreie Auflösung zu erhalten, so dass signifikante Flussgewinne erzielt werden können. Dies ist besonders relevant für Weideinzidenzgeometrien, die aufgrund der Notwendigkeit, den Strahl stark in eine Richtung zu kollimieren, deutlich flussbegrenzt sind. Mit dem OffSpec-Instrument sollte es daher möglich sein, Längenskalen von 30 nm bis 5 m sowohl in Schütt- als auch in Oberflächenstrukturen zu sonden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Mikroskopiedaten in Abbildung 1 zeigen deutlich, dass vor dem Glühen der P3HT:PCBM Dünnschicht flach und glatt ist und nach dem thermischen Glühen viele große unregelmäßige PCBM-Kristallite auf der Oberfläche mit seitlichen Abmessungen zwischen etwa 1-10 m vorhanden sind. Dies wird auf die PCBM-Migration zur Oberseite des Films und die anschließende Aggregation zu großen Kristalliten zurückgeführt. Ein starkes SERGIS-Signal, das mit der Streuung von PCBM-Kristalliten in der geglühten Prob…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AJP wurde durch die EPSRC Soft Nanotechnology Plattform EP/E046215/1 finanziert. Die Neutronenexperimente wurden vom STFC über die Zuweisung der experimentellen Zeit zur Nutzung von OffSpec (RB 1110285) unterstützt.
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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