باستخدام النيوترون سبين صدى حل انتشار الرعي للتحقيق في مواد الخلايا الشمسية العضوية
Summary
وقد أحرز تقدم في استخدام تشتت حالات الرعي التي تم حلها في صدى الدوران (SERGIS) بصورة تقنية تشتت النيوترونات من أجل استكشاف مقاييس الطول في العينات غير المنتظمة. وقد تم فحص كريستاليت من [6،6] – فينيل – C61 – بوتير حامض ال بوتير باستخدام تقنية SERGIS والنتائج التي أكدها المجهر البصري والقوة الذرية.
Abstract
وقد تم استخدام تقنية تشتت حالات التشتت (SERGIS) التي حلها صدى الدوران للتحقيق في مقاييس الطول المرتبطة بالبلورات غير المنتظمة الشكل. يتم تمرير النيوترونات من خلال منطقتين محددتين جيدا من المجال المغناطيسي; واحد قبل واحد بعد العينة. وتكفي المنطقتان المغنطيسيتان قطبيتين متقابلتين، ويتم ضبطهما بحيث تخضع النيوترونات التي تمر عبر المنطقتين، دون أن تكون مضطربة، لنفس العدد من النتوئات في اتجاهين متعارضين. في هذه الحالة يقال إن السبق النيوتروني في الذراع الثاني “صدى” الأول ، ويتم الحفاظ على الاستقطاب الأصلي للشعاع. إذا تفاعل النيوترون مع عينة وتناثر مرونيا المسار من خلال الذراع الثاني ليست هي نفسها كما الأولى والاستقطاب الأصلي لا يتعافى. إزالة الاستقطاب من شعاع النيوترون هو مسبار حساسة للغاية في زوايا صغيرة جدا (<50 ميكروراد) ولكن لا يزال يسمح كثافة عالية، شعاع متباينة لاستخدامها. ويمكن أن يرتبط الانخفاض في استقطاب الشعاع المنعكس من العينة بالمقارنة مع ذلك من العينة المرجعية ارتباطا مباشرا بالهيكل داخل العينة.
بالمقارنة مع التشتت الملاحظ في قياسات انعكاس النيوترونات، غالبا ما تكون إشارات SERGIS ضعيفة ومن غير المرجح ملاحظتها إذا كانت الهياكل داخل المستوى داخل العينة قيد التحقيق مخففة أو مضطربة أو صغيرة الحجم وتعدد الأضلاع أو أن تباين تشتت النيوترون منخفض. لذلك، من المرجح أن يتم الحصول على نتائج جيدة باستخدام تقنية SERGIS إذا كانت العينة التي يتم قياسها تتكون من أفلام رقيقة على ركيزة مسطحة وتحتوي على ميزات مبعثرة تحتوي على كثافة عالية من الميزات متوسطة الحجم (30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر) والتي تنتشر النيوترونات بقوة أو يتم ترتيب الميزات على شعرية. ميزة تقنية SERGIS هي أنه يمكن استكشاف الهياكل في مستوى العينة.
Introduction
تهدف تقنية SERGIS إلى أن تكون قادرة على تقديم معلومات هيكلية فريدة لا يمكن الوصول إليها باستخدام تقنيات التشتت أو المجهر الأخرى من عينات رقيقة. تقنيات المجهر عادة ما تكون محدودة السطح أو تتطلب تغيير كبير / إعداد العينة لعرض الهياكل الداخلية. تقنيات التشتت التقليدية مثل الانعكاسية يمكن أن توفر معلومات مفصلة عن هياكل العينة المدفونة كدالة للعمق داخل الفيلم رقيقة ولكن لا يمكن التحقيق هيكل في الطائرة من فيلم رقيقة بسهولة. في نهاية المطاف يؤمل أن سيرجيس ستمكن هذا الهيكل الجانبي أن يكون التحقيق حتى عندما دفن داخل عينة رقيقة الفيلم. وتبين النتائج التمثيلية المعروضة هنا أنه من الممكن رصد إشارة سيرجيس من خصائص العينة غير المنتظمة، وأن الإشارة المقاسة يمكن ربطها بمقياس طول مميز مرتبط بالسمات الموجودة في العينة، كما تؤكد ذلك تقنيات الفحص المجهري التقليدية.
تم تطوير تقنيات صدى الدوران غير الميلاستيك من قبل Mezei وآخرون. 1 في السبعينات. ومنذ ذلك الحين تم إثبات تقنية SERGIS (التي هي امتداد لأفكار Mezei وآخرون)بنجاح باستخدام مجموعة متنوعة من العينات مثل صريف الحيود العادية للغاية2-6 وقطرات البوليمر الدائرية غير الرطبة7. وقد وضعت نظرية ديناميكية من قبل بين وزملاء العمل لنموذج التشتت قوية من عينات منتظمة للغاية3-6،8. وقد سلط هذا العمل الضوء على العديد من الجوانب العملية التي ينبغي النظر فيها عند إجراء هذا النوع من القياس وأدى إلى حوار مستمر داخل مجتمع صغير متعدد الجنسيات.
من المرجح أن يتم الحصول على نتائج جيدة من تجارب SERGIS إذا كانت العينة التي يتم قياسها تتكون من فيلم رقيق على ركيزة مسطحة ويحتوي على ميزات مبعثرة مع كثافة عالية من الميزات متوسطة الحجم (30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر) التي تبعثر النيوترونات بقوة ، كما أظهر المؤلفون9. على عكس تقنيات الانعكاسية الراسخة الأخرى التي تحقق في العينة كدالة للعمق ، فإن تقنية SERGIS لديها ميزة أنها يمكن أن تحقق في هياكل في مستوى سطح العينة. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام الصدى الدوراني يزيل شرط التخلص بإحكام من شعاع النيوترون من أجل الحصول على دقة مكانية أو طاقة عالية، وبالتالي يمكن تحقيق مكاسب كبيرة في التدفق. وهذا أمر وثيق الصلة بشكل خاص بهندسات حالات الرعي التي تكون محدودة التدفق بشكل كبير بسبب الحاجة إلى الرفقة القوية للشعاع في اتجاه واحد. ولذلك، ينبغي أن يكون من الممكن، باستخدام أداة أوفسبك، استكشاف مقاييس الطول من 30 نانومتر إلى 5 ميكرومتر في كل من الهياكل السائبة والسطحية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تظهر بيانات المجهر في الشكل 1 بوضوح أنه قبل أن يتم ثني الفيلم الرقيق P3HT:PCBM مسطح وسلس وبعد التلين الحراري هناك العديد من بلورات PCBM غير المنتظمة الكبيرة الموجودة على السطح ذات الأبعاد الجانبية التي تتراوح بين حوالي 1-10 ميكرومتر. ويعزى ذلك إلى هجرة PCBM نحو السطح العلوي للفيلم والتجميع …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل AJP من قبل منصة EPSRC لتكنولوجيا النانو الناعمة منح EP/E046215/1. وقد دعمت التجارب النيوترونية من قبل STFC عن طريق تخصيص الوقت التجريبي لاستخدام 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).
