Uso de neutron spin echo resuelto grazing incidencia dispersión para investigar materiales orgánicos de células solares
Summary
Se ha avanzado en la utilización de la dispersión de incidencia de pastoreo resuelta por eco de espín (SERGIS) como una técnica de dispersión de neutrones para sondear las escalas de longitud en muestras irregulares. Cristalitos de [6,6]-fenil-C61-butírico ácido éster metílico han sido sondeados utilizando la técnica SERGIS y los resultados confirmados por microscopía óptica y de fuerza atómica.
Abstract
La técnica de dispersión de incidencia de pastoreo resuelta de eco de espín (SERGIS) se ha utilizado para sondear las escalas de longitud asociadas con cristalitos de forma irregular. Los neutrones se pasan a través de dos regiones bien definidas del campo magnético; uno antes y otro después de la muestra. Las dos regiones del campo magnético tienen polaridad opuesta y están sintonizadas de tal manera que los neutrones que viajan a través de ambas regiones, sin ser perturbados, sufrirán el mismo número de precesiones en direcciones opuestas. En este caso se dice que la precesión de neutrones en el segundo brazo “hace eco” del primero, y se conserva la polarización original del haz. Si el neutrón interactúa con una muestra y se dispersa elásticamente el camino a través del segundo brazo no es el mismo que el primero y la polarización original no se recupera. La despolarización del haz de neutrones es una sonda altamente sensible en ángulos muy pequeños (<50 μrad) pero aún permite utilizar un haz divergente de alta intensidad. La disminución de la polarización del haz reflejado en la muestra en comparación con la de la muestra de referencia puede estar directamente relacionada con la estructura dentro de la muestra.
En comparación con la dispersión observada en las mediciones de reflexión de neutrones, las señales SERGIS son a menudo débiles y es poco probable que se observen si las estructuras en el plano dentro de la muestra bajo investigación son diluidas, desordenadas, de pequeño tamaño y polidisperse o el contraste de dispersión de neutrones es bajo. Por lo tanto, lo más probable es que se obtengan buenos resultados utilizando la técnica SERGIS si la muestra que se está midiendo consiste en películas delgadas sobre un sustrato plano y contiene características de dispersión que contienen una alta densidad de entidades de tamaño moderado (30 nm a 5 μm) que dispersan los neutrones fuertemente o las entidades están dispuestas en una red. Una ventaja de la técnica SERGIS es que puede sondear estructuras en el plano de la muestra.
Introduction
La técnica SERGIS tiene como objetivo ser capaz de producir información estructural única no accesible utilizando otras técnicas de dispersión o microscopía de muestras de película delgada. Las técnicas de microscopía son típicamente superficie limitada o requieren una alteración significativa / preparación de la muestra para ver las estructuras internas. Las técnicas de dispersión convencionales, como la reflectividad, pueden proporcionar información detallada sobre las estructuras de muestra enterradas en función de la profundidad dentro de la película delgada, pero no pueden sondear fácilmente la estructura en el plano de la película delgada. En última instancia, se espera que SERGIS permita sondear esta estructura lateral incluso cuando se entierra dentro de la muestra de película delgada. Los resultados representativos presentados aquí demuestran que es posible observar una señal SERGIS a partir de elementos de muestra irregulares y que la señal medida se puede correlacionar con una escala de longitud característica asociada con las características presentes en la muestra, como lo confirman las técnicas de microscopía convencionales.
Las técnicas de eco de espín inelástico fueron desarrolladas por Mezei et al. 1 en la década de 1970. Desde entonces, la técnica SERGIS (que es una extensión de las ideas de Mezei et al.)se ha demostrado con éxito experimentalmente utilizando una variedad de muestras como rejillas de difracción altamente regulares2-6 y gotitas de polímero des-humedecidas circulares7. Una teoría dinámica ha sido desarrollada por Pynn y sus compañeros de trabajo para modelar la fuerte dispersión de muestras altamente regulares3-6,8. Este trabajo ha puesto de relieve muchos aspectos prácticos a tener en cuenta a la hora de realizar este tipo de mediciones y ha dado lugar a un diálogo constante dentro de una pequeña comunidad multinacional.
Lo más probable es que se obtengan buenos resultados de los experimentos sergis si la muestra que se está midiendo consiste en una película delgada sobre un sustrato plano y contiene características de dispersión con una alta densidad de entidades de tamaño moderado (30 nm a 5 μm) que dispersan fuertemente los neutrones, como lo demuestran los autores9. A diferencia de otras técnicas de reflectividad establecidas que sondean la muestra en función de la profundidad, la técnica SERGIS tiene la ventaja de que puede sondear estructuras en el plano de la superficie de la muestra. Además, el uso de spin-echo elimina el requisito de colimar estrechamente el haz de neutrones para obtener una alta resolución espacial o de energía, por lo que se pueden lograr ganancias significativas de flujo. Esto es particularmente relevante para las geometrías de incidencia de pastoreo que son significativamente flujo limitado debido a la necesidad de colimar el haz fuertemente en una dirección. Por lo tanto, utilizando el instrumento OffSpec debería ser posible sondear escalas de longitud de 30 nm a 5 μm tanto en estructuras a granel como en superficie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los datos de microscopía en la Figura 1 muestran claramente que antes de recocer la película delgada P3HT:PCBM es plana y lisa y después del recocido térmico hay muchos cristalitos pcbm irregulares grandes presentes en la superficie con dimensiones laterales que oscilan entre aproximadamente 1-10 μm. Esto se atribuye a la migración de PCBM hacia la superficie superior de la película y la posterior agregación para formar grandes cristalitos. Una fuerte señal SERGIS asociada con la dispersión de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AJP fue financiado por la subvención de la plataforma de nanotecnología blanda EP/E046215/1 del EPSRC. Los experimentos de neutrones fueron apoyados por el STFC a través de la asignación de tiempo experimental para usar 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).
