Nötron Spin Echo'nun Kullanılması, Organik Güneş Hücresi Malzemelerini Araştırmak İçin Otlatma İnsidansını Dağıtmayı Çözdü
Summary
Düzensiz numunelerdeki uzunluk ölçeklerini araştırmak için nötron saçılma tekniği olarak spin eko çözümlü otlatma insidansı saçılma (SERGIS) kullanımında ilerleme kaydedildi. [6,6]-fenil-C61-bütirik asit metil ester kristalitleri SERGIS tekniği ve optik ve atomik kuvvet mikroskopisi ile doğrulanan sonuçlar kullanılarak araştırıldı.
Abstract
Spin ekosu, düzensiz şekilli kristalitlerle ilişkili uzunluk ölçeklerini araştırmak için otlatma insidansı saçılma (SERGIS) tekniği kullanılmıştır. Nötronlar manyetik alanın iki iyi tanımlanmış bölgesinden geçirilir; biri numuneden önce, diğeri de sonra. İki manyetik alan bölgesi zıt polariteye sahiptir ve her iki bölgede de seyahat eden nötronların, rahatsız edilmeden, karşıt yönlerde aynı sayıda işlem görecek şekilde ayarlanmıştır. Bu durumda, ikinci koldaki nötron presssiyonunun ilkini “yankıla” olduğu söylenir ve kirişin orijinal polarizasyonu korunur. Nötron bir örnekle etkileşime girer ve elastik olarak dağılırsa, ikinci koldan geçen yol ilkiyle aynı değildir ve orijinal polarizasyon geri kazanılmamıştır. Nötron ışınının depolarizasyonu çok küçük açılarda (<50 μrad) oldukça hassas bir probdur, ancak yine de yüksek yoğunluklu, farklı bir ışının kullanılmasına izin verir. Referans numunesinden yansıyan ışının polarizasyonundaki azalma, numune içindeki yapı ile doğrudan ilişkili olabilir.
Nötron yansıma ölçümlerinde gözlenen saçılma ile karşılaştırıldığında, SERGIS sinyalleri genellikle zayıftır ve incelenen numune içindeki düzlem içi yapılar seyreltilmiş, düzensiz, küçük boyutlu ve polidisperz veya nötron saçılma kontrastı düşükse gözlenme olasılığı düşüktür. Bu nedenle, ölçülen numune düz bir substrat üzerinde ince filmlerden oluşuyorsa ve nötronları güçlü bir şekilde dağıtan orta büyüklükteki özelliklerin (30 nm ila 5 μm) yüksek yoğunluğunu içeren saçılma özellikleri içeriyorsa veya özellikler bir kafes üzerinde düzenlenmişse, büyük olasılıkla SERGIS tekniği kullanılarak iyi sonuçlar elde edilecektir. SERGIS tekniğinin bir avantajı, numunenin düzleminde yapıları araştırabilmesidir.
Introduction
SERGIS tekniği, ince film örneklerinden elde edilen diğer saçılma veya mikroskopi tekniklerini kullanarak erişilemeyen benzersiz yapısal bilgiler verebilmeyi amaçlamaktadır. Mikroskopi teknikleri tipik olarak yüzey sınırlıdır veya iç yapıları görüntülemek için önemli bir değişiklik/numune hazırlığı gerektirir. Yansıtıcılık gibi geleneksel saçılma teknikleri, ince film içindeki derinlik fonksiyonu olarak gömülü numune yapıları hakkında ayrıntılı bilgi sağlayabilir, ancak ince filmin düzleminde yapıyı kolayca araştıramaz. Sonuçta SERGIS’in ince film örneğinin içine gömüldüğünde bile bu yanal yapının araştırılmasını sağlayacağı umulmaktadır. Burada sunulan temsili sonuçlar, düzensiz numune özelliklerinden bir SERGIS sinyali gözlemlemenin mümkün olduğunu ve ölçülen sinyalin, geleneksel mikroskopi teknikleriyle doğrulanan örnekte bulunan özelliklerle ilişkili karakteristik bir uzunluk ölçeği ile ilişkilendirilebileceğini göstermektedir.
Inelastik spin eko teknikleri Mezei ve ark. 1970’lerde 1. O zamandan beri SERGIS tekniği (Mezei ve arkadaşlarınınfikirlerinin bir uzantısıdır) son derece düzenli kırınım ızgaraları2-6 ve dairesel ıslatılmış polimer damlacıklar7gibi çeşitli örnekler kullanılarak deneysel olarak başarıyla gösterilmiştir. Pynn ve iş arkadaşları tarafından son derece düzenli örneklerden gelen güçlü saçılmaları modellemek için dinamik bir teori geliştirilmiştir3-6,8. Bu çalışma, bu tür bir ölçümü gerçekleştirirken dikkat edilmesi gereken birçok pratik yönü vurgulamıştır ve küçük bir çok uluslu topluluk içinde sürekli bir diyaloğa yol açmıştır.
Sergis deneylerinden iyi sonuçlar büyük olasılıkla, ölçülen numune düz bir substrat üzerinde ince bir filmden oluşuyorsa ve yazarlar tarafından gösterildiği gibi nötronları güçlü bir şekilde dağıtan orta büyüklükteki özelliklerin (30 nm ila 5 μm) yüksek yoğunluğuna sahip saçılma özellikleri içeriyorsa elde edilecektir9. Numuneyi derinlik fonksiyonu olarak araştıran diğer yerleşik yansıtıcılık tekniklerinin aksine, SERGIS tekniği, örnek yüzeyin düzleminde yapıları problama avantajına sahiptir. Ayrıca, spin-echo kullanımı, yüksek uzamsal veya enerji çözünürlüğü elde etmek için nötron ışınını sıkıca albayize etme gereksinimini ortadan kaldırır, sonuç olarak önemli akı kazançları elde edilebilir. Bu, kirişi tek bir yönde güçlü bir şekilde albaylama ihtiyacı nedeniyle önemli ölçüde sınırlı olan otlatma insidansı geometrileri için özellikle önemlidir. Bu nedenle OffSpec aletini kullanarak hem dökme hem de yüzey yapılarında 30 nm ila 5 μm uzunluk ölçeklerini araştırmak mümkün olmalıdır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Şekil 1’deki mikroskopi verileri, P3HT:PCBM ince filmini tavlamadan önce düz ve pürüzsüz olduğunu ve termal tavlamadan sonra yüzeyde yaklaşık 1-10 μm arasında değişen yanal boyutlara sahip birçok büyük düzensiz PCBM kristalitleri olduğunu açıkça göstermektedir. Bu, PCBM’nin filmin üst yüzeyine doğru göç etmesine ve daha sonra büyük kristalitler oluşturmak için toplanmasına atfedilir. Tavlanmış numunedeki PCBM kristalitlerinden saçılma ile ilişkili güçlü bir SERGIS…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AJP, EPSRC Soft Nanoteknoloji platformu hibe EP/E046215/1 tarafından finanse edildi. Nötron deneyleri, OFFSpec’i (RB 1110285) kullanmak için deneysel zamanın tahsisi yoluyla STFC tarafından desteklendi.
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).
