באמצעות נויטרונים ספין הד נפתרה שכיחות מרעה פיזור לחקור חומרים אורגניים תאים סולאריים
Summary
הושגה התקדמות בשימוש ספין הד נפתרה פיזור שכיחות מרעה (SERGIS) כטכניקת פיזור נויטרונים כדי לחקור את קשקשי אורך בדגימות לא סדירות. גבישים של [6,6]-פניל-C61-חומצה בוטירית מתיל אסתר נבדקו בטכניקת SERGIS והתוצאות אושרו על ידי מיקרוסקופיה של כוח אופטי ואטומי.
Abstract
טכניקת פיזור שכיחות המרעה (SERGIS) של הד הספין שימשה לבדיקת קשקשי האורך הקשורים לקריסטלים בצורה לא סדירה. נייטרונים מועברים דרך שני אזורים מוגדרים היטב של שדה מגנטי; אחד לפני ואחד אחרי הדגימה. לשני אזורי השדה המגנטי יש קוטביות הפוכה והם מכוונים כך שנייטרונים הנוסעים בשני האזורים, מבלי להיות מוטרדים, יעברו את אותו מספר של קדמה בכיוונים מנוגדים. במקרה זה ההקדמה נויטרונים בזרוע השנייה הוא אמר “הד” הראשון, ואת הקיטוב המקורי של הקרן נשמרת. אם הנייטרונים מקיימים אינטראקציה עם מדגם ומפזרים באופן אלסטי הנתיב דרך הזרוע השנייה אינו זהה לראשון והקיטוב המקורי אינו התאושש. דפולריזציה של קרן הנויטרונים היא בדיקה רגישה מאוד בזוויות קטנות מאוד (<50 מיקרורד) אך עדיין מאפשרת שימוש בקרן מפוצלת בעוצמה גבוהה. הירידה בקיטוב של הקרן המשתקפת מהמדגם לעומת זו מדגם ההפניה יכולה להיות קשורה ישירות למבנה בתוך המדגם.
בהשוואה לפיזור שנצפה במדידות השתקפות נויטרונים אותות SERGIS הם לעתים קרובות חלשים ולא סביר להיות שנצפו אם המבנים במישור בתוך המדגם תחת חקירה הם מדוללים, מופרעים, קטנים בגודל ו polydisperse או ניגוד פיזור נויטרונים נמוך. לכן, סביר להניח שתוצאות טובות יתקבלו בטכניקת SERGIS אם המדגם הנמדד מורכב מסרטים דקים על מצע שטוח ומכיל תכונות פיזור המכילות צפיפות גבוהה של תכונות בגודל בינוני (30 ננומטר עד 5 מיקרומטר) המפזרות נייטרונים בחוזקה או שהתכונות מסודרות על סריג. היתרון של טכניקת SERGIS הוא שהיא יכולה לחקור מבנים במישור המדגם.
Introduction
טכניקת SERGIS שואפת להיות מסוגלת להניב מידע מבני ייחודי שאינו נגיש באמצעות טכניקות פיזור או מיקרוסקופיות אחרות מדגימות סרט דק. טכניקות מיקרוסקופיה הן בדרך כלל משטח מוגבל או דורשים שינוי משמעותי / הכנה מדגם כדי להציג מבנים פנימיים. טכניקות פיזור קונבנציונליות כגון רפלקטיביות יכולות לספק מידע מפורט על מבנים מדגם קבור כפונקציה של עומק בתוך הסרט הדק אבל לא יכול לחקור מבנה במישור של הסרט הדק בקלות. בסופו של דבר יש לקוות כי SERGIS יאפשר מבנה לרוחב זה להיחקר גם כאשר קבור בתוך מדגם הסרט הדק. התוצאות הייצוגיות המוצגות כאן מראות כי ניתן להבחין באות SERGIS מתכונות מדגם לא סדירות וכי ניתן לתאם את האות הנמדד עם סולם אורך אופייני המשויך לתכונות הקיימות במדגם, כפי שאושר על ידי טכניקות מיקרוסקופיה קונבנציונליות.
טכניקות הד ספין אינלסטי פותחו על ידי Mezei ואח ‘. אחד בשנות ה-70. מאז טכניקת SERGIS (שהיא הרחבה של הרעיונות של Mezei et al.) הודגמה בהצלחה באמצעות מגוון רחב של דגימות כגון סורגים עקיפה רגילים מאוד2-6 ו טיפות פולימר מעגליות דהרטובות 7. תיאוריה דינמית פותחה על ידי פיין ועמיתים לעבודה כדי לדגמן את הפיזור החזק מדגימות רגילות מאוד3-6,8. עבודה זו הדגישה היבטים מעשיים רבים שיש לקחת בחשבון בעת ביצוע סוג זה של מדידה והובילה לדיאלוג מתמיד בתוך קהילה רב לאומית קטנה.
תוצאות טובות מניסויי SERGIS ככל הנראה יתקבלו אם המדגם הנמדד מורכב מסרט דק על מצע שטוח ומכיל תכונות פיזור עם צפיפות גבוהה של תכונות בגודל בינוני (30 ננומטר עד 5 מיקרומטר) המפזרות נייטרונים בחוזקה, כפי שהוכח על ידי המחברים9. שלא כמו טכניקות רפלקטיביות מבוססות אחרות אשר בודקות את המדגם כפונקציה של עומק, לטכניקת SERGIS יש את היתרון שהיא יכולה לחקור מבנים במישור משטח הדגימה. יתר על כן, השימוש בספין-הד מסיר את הדרישה לאסוף בחוזקה את קרן הנייטרונים על מנת להשיג רזולוציה מרחבית או אנרגטית גבוהה, וכתוצאה מכך ניתן להשיג רווחי שטף משמעותיים. זה רלוונטי במיוחד עבור גיאומטריות שכיחות מרעה כי הם שטף מוגבל באופן משמעותי בגלל הצורך לאסוף את הקרן בחוזקה בכיוון אחד. באמצעות מכשיר OffSpec ולכן זה צריך להיות אפשרי לחקור קשקשי אורך מ 30 ננומטר עד 5 מיקרומטר הן במבנים בתפזורת והן על פני השטח.
Protocol
Representative Results
Discussion
נתוני המיקרוסקופיה באיור 1 מראים בבירור כי לפני חישול הסרט הדק P3HT:PCBM הוא שטוח וחלק ולאחר חישול תרמי יש הרבה גבישי PCBM גדולים ולא סדירים נוכחים על פני השטח עם ממדים לרוחב הנעים בין כ 1-10 מיקרומטר. זה מיוחס נדידת PCBM לכיוון המשטח העליון של הסרט וצבירה לאחר מכן כדי ליצור גבישים גדולים. או…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AJP מומן על ידי פלטפורמת הננוטכנולוגיה הרכה EPSRC מענק EP/E046215/1. ניסויי הנייטרונים נתמכו על ידי STFC באמצעות הקצאת זמן ניסיוני לשימוש 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).
