Usando neutron spin echo resolvi a dispersão da incidência de pastagem para investigar materiais orgânicos de células solares
Summary
Foram feitos progressos na utilização do spin echo resolveu a dispersão da incidência de pastagem (SERGIS) como uma técnica de dispersão de nêutrons para sondar as escalas de comprimento em amostras irregulares. Cristalitas de [6,6]-fenil-C61-butírico ácido metil ester foram sondados usando a técnica SERGIS e os resultados confirmados por microscopia óptica e de força atômica.
Abstract
A técnica de dispersão de incidência de incidência de pastagem (SERGIS) foi usada para sondar as escalas de comprimento associadas a cristallitos de forma irregular. Os nêutrons são passados por duas regiões bem definidas de campo magnético; um antes e outro depois da amostra. As duas regiões de campo magnético têm polaridade oposta e estão sintonizadas de modo que os nêutrons que viajam pelas duas regiões, sem serem perturbados, sofrerão o mesmo número de precessões em direções opostas. Neste caso, diz-se que a precessão de nêutrons no segundo braço “ecoa” o primeiro, e a polarização original do feixe é preservada. Se o nêutron interage com uma amostra e dispersa esteticamente o caminho através do segundo braço não é o mesmo que o primeiro e a polarização original não é recuperada. A despolarização do feixe de nêutrons é uma sonda altamente sensível em ângulos muito pequenos (<50 μrad), mas ainda permite que um feixe divergente de alta intensidade seja usado. A diminuição da polarização do feixe refletida a partir da amostra em relação à da amostra de referência pode estar diretamente relacionada à estrutura dentro da amostra.
Em comparação com a dispersão observada em medições de reflexo de nêutrons, os sinais sergis são muitas vezes fracos e são improváveis de serem observados se as estruturas in-plane dentro da amostra sob investigação forem diluídas, desordenadas, de pequeno porte e polidisperse ou o contraste de dispersão de nêutrons for baixo. Portanto, os bons resultados provavelmente serão obtidos usando a técnica SERGIS se a amostra que está sendo medida consistir de películas finas em um substrato plano e conter características de dispersão que contenham uma alta densidade de características de tamanho moderado (30 nm a 5 μm) que espalham nêutrons fortemente ou as características são dispostas em uma rede. Uma vantagem da técnica SERGIS é que ele pode sondar estruturas no plano da amostra.
Introduction
A técnica sergis visa ser capaz de produzir informações estruturais únicas não acessíveis usando outras técnicas de dispersão ou microscopia de amostras de filmes finos. As técnicas de microscopia são tipicamente limitadas à superfície ou requerem alteração/preparação significativa de amostras para visualizar estruturas internas. Técnicas convencionais de dispersão, como a reflexividade, podem fornecer informações detalhadas sobre estruturas de amostras enterradas em função da profundidade dentro da película fina, mas não podem sondar a estrutura no plano da película fina facilmente. Em última análise, espera-se que a SERGIS permita que esta estrutura lateral seja sondada mesmo quando enterrada dentro da fina amostra de filme. Os resultados representativos aqui apresentados demonstram que é possível observar um sinal SERGIS a partir de características amostrais irregulares e que o sinal medido pode ser correlacionado com uma escala de comprimento característica associada às características presentes na amostra, conforme confirmado pelas técnicas convencionais de microscopia.
Técnicas de eco de spin inelástico foram desenvolvidas por Mezei et al. 1 na década de 1970. Desde então, a técnica SERGIS (que é uma extensão das ideias de Mezei et al.) foi demonstrada com sucesso usando uma variedade de amostras, como grades de difração altamente regulares2-6 e gotículas de polímeras desgalhadas circulares7. Uma teoria dinâmica foi desenvolvida por Pynn e colegas de trabalho para modelar a forte dispersão de amostras altamente regulares3-6,8. Este trabalho tem destacado muitos aspectos práticos a serem considerados ao realizar esse tipo de medição e tem levado a um diálogo constante dentro de uma pequena comunidade multinacional.
Bons resultados de experimentos SERGIS provavelmente serão obtidos se a amostra que está sendo medida consiste em uma película fina em um substrato plano e contém características de dispersão com alta densidade de características de tamanho moderado (30 nm a 5 μm) que dispersam os nêutrons fortemente, como demonstrado pelos autores9. Ao contrário de outras técnicas de reflexividade estabelecidas que sondam a amostra em função da profundidade, a técnica SERGIS tem a vantagem de poder sondar estruturas no plano da superfície da amostra. Além disso, o uso de spin-echo remove a exigência de cotomar firmemente o feixe de nêutrons, a fim de obter alta resolução espacial ou energética, consequentemente ganhos significativos de fluxo podem ser alcançados. Isso é particularmente relevante para geometrias de incidência de pastagem que são significativamente limitadas devido à necessidade de colidir fortemente o feixe em uma direção. Utilizando o instrumento OffSpec, deve ser possível, portanto, sondar escalas de comprimento de 30 nm a 5 μm em estruturas a granel e superficiais.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os dados de microscopia na Figura 1 mostram claramente que antes de ressarcir a película fina P3HT:PCBM é plana e lisa e após o corte térmico há muitos grandes cristais irregulares pcbm presentes na superfície com dimensões laterais variando entre cerca de 1-10 μm. Isso é atribuído à migração do PCBM para a superfície superior do filme e à subsequente agregação para formar grandes cristalitas. Um forte sinal SERGIS associado à dispersão de cristalitos PCBM na amostra renascido é visto…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A AJP foi financiada pela plataforma de nanotecnologia EPSRC Soft Nanotechnology, que concede EP/E046215/1. Os experimentos de nêutrons foram apoiados pelo STFC através da alocação de tempo experimental para uso do 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).
