AJP wurde durch die EPSRC Soft Nanotechnology Plattform EP/E046215/1 finanziert. Die Neutronenexperimente wurden vom STFC über die Zuweisung der experimentellen Zeit zur Nutzung von OffSpec (RB 1110285) unterstützt.

1. Probenvorbereitung
<ol><li>Reinigen Sie die Siliziumsubstrate, indem Sie 2 in Siliziumwafer legen, die 10 min dick im Sauerstoffplasma sind.</li>
	<li>Spincoat die erste Schicht auf den Substraten<ol>
<li>Filtern Sie das Poly(3,4-ethylenedioxythiophen): Poly(Styrenesulfonat) (PEDOT:PSS) durch einen 0,45 m PTFE-Filter (PALL).</li>
		<li>Verwenden Sie ca. 0,5 ml für jede Probe, um eine PEDOT:PSS-Dünnschicht bei 5.000 U/min-Spinnfür 60 Sek. auf die beiden sauberen Substrate zu drehen.</li>
		<li>Trocknen Sie jedes Substrat 10 min im Ofen bei 70 °C.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Vorbereiten der Mischlösung für die zweite Ebene<ol>
<li>Lösen Sie einige Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) in Chlorbenzol in einer Konzentration von 50 mg/ml auf.</li>
		<li>Bereiten Sie eine Lösung von PCBM auch in Chlorbenzol in einer Konzentration von 50 mg/ml vor.</li>
		<li>Mischen Sie die beiden Lösungen in einem Anteil von 1:0.7 P3HT:PCBM.</li>
		<li>Filtern Sie die mischgemischte Lösung durch einen 0,45-mm-PTFE-Filter.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Spincoat zweite Schicht durch Ablagerung von ca. 100 l der P3HT:PCBM-Lösung auf die PEDOT:PSS beschichteten Substrate und dann bei 2.000 U/min für 30 Sek. drehen, um die zweite Schicht zu bilden.</li>
	<li>Eine Probe als Guss und thermisch anneal die andere 1 Stunde bei 150 °C im Ofen lassen. Dies führt zum Wachstum der großen PCBM-Kristallite auf der Dünnschichtoberfläche.</li>
</ol>2. Probencharakterisierung durch Mikroskopie
<ol><li>Optische Mikroskopie<ol>
<li>Nehmen Sie ein optisches Mikroskopiebild beider Proben mit einem 40-Fach-Mikroskopobjektiv auf einem optischen Mikroskop, das im Reflexionsmodus arbeitet und die Bilder mit einer CCD-Kamera aufnimmt.</li>
		<li>Aufzeichnen eines Kalibrierbildes einer Probe bekannter Länge bei derselben Vergrößerung, die für Schritt 2.1.1 verwendet wird</li>
		<li>Berechnen Sie die Pixelgröße in Mikrometern für die Bilder, indem Sie die Anzahl der Pixel für die Stichprobe bekannter Größe bestimmen.</li>
		<li>Verwenden Sie diese kennmleichte Pixelgröße, um die Bilder mit einer leicht verfügbaren Mikroskopie-Software zu kalibrieren. Ein Beispiel für ein kalibriertes optisches Mikroskopiebild ist in Abbildung 1dargestellt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Atomkraftmikroskopie<ol>
<li>Nehmen Sie ein Atomkraftmikroskop (AFM) Bild der beiden Proben.</li>
		<li>Analysieren Sie die Daten mit einer leicht verfügbaren Scan-Probe-Software, um Linienprofilzahlen zu generieren, wie in Abbildung 1dargestellt.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. SERGIS-Experiment
<ol><li>Wählen Sie eine geeignete Referenzstichprobe aus, um die Referenzpolarisation P0bereitzustellen, mit der die aus der Stichprobe von Zinsdaten erfassten Daten normalisiert werden können.</li>
	<li>Ausrichten der Probe und der Referenzprobe<ol>
<li>Legen Sie alle drei Samples auf eine Positioniertabelle; dies kann über den Neutronenstrahl übersetzt werden, so dass jede Probe nacheinander in den Strahl gelegt werden kann.</li>
		<li>Positionieren Sie die Referenzprobe P0 im Strahl, indem Sie die Stichprobentabelle übersetzen.</li>
		<li>Richten Sie die Referenzprobe P0 mit Standardreflexionsausrichtungsmethoden auf eine Winkelgenauigkeit von <0,005° aus.</li>
		<li>Platzieren Sie die Probe, die von Interesse ist, in den Neutronenstrahl, indem Sie die Probentabelle übersetzen.</li>
		<li>Richten Sie sowohl die Vonsamtaste auf eine Winkelgenauigkeit von <0.005° mit Standard-Reflexionsausrichtungsmethoden aus.</li>
		<li>Wiederholen Sie diesen Ausrichtungsprozess für alle zu messenden Proben.</li>
	</ol></li>
	<li>Optimieren Sie das SERGIS-Instrument so, dass es sich im Echomodus befindet<ol>
<li>Richten Sie das spezielle Off-Specular-Reflektometer OffSpec bei der ISIS Pulsed Neutron and Muon Source (Oxfordshire, UK) ein, um Wellenlängen von 2-14 ° zu erzeugen. Weitere Details zur Nutzung finden Sie hier10.</li>
		<li>Stimmen Sie das Instrument so ab, dass die Gesamtzahl der Neutronenpräzesten in jedem Arm des Instruments ausgeglichen wird, indem Sie den Strom in einem Teil der Führungsfeldanordnung scannen. Dies wird erreicht, indem die Stärke und Neigung der Magnetfelder innerhalb der Kodierungsarme des Instruments festgelegt wird, die durch den Abstand zwischen den HF-Spin-Flippern definiert werden.</li>
	</ol></li>
	<li>Stellen Sie den Winkel der Beweidungsinzidenz ein, indem Sie den Probentisch kippen, sodass der Neutronenstrahl auf die P0-Probe einfällt (für dieses Experiment in einem Winkel von 0,3°).</li>
	<li>Blockieren Sie den direkt übertragenen Neutronenstrahl, um Sättigungsprobleme zu vermeiden.</li>
	<li>Messen der Proben<ol>
<li>Bewegen Sie die Probenübersetzungsstufe so, dass sich die Referenzprobe wieder im Neutronenstrahl befindet, und messen Sie die gestreute Neutronenintensität als Funktion der Position auf einem vertikal ausgerichteten linearen Szintillatordetektor für die Referenzprobe. Messen Sie sowohl Spin-up- als auch Spin-down-Orientierungen, indem Sie die Drehung des Streustrahls unmittelbar vor dem Analysator umdrehen. In der Regel wird dies für einen Zeitraum von etwa 1 Stunde durchgeführt. Dadurch können die Polarisation sowie die streunende Intensität für beide Einstellungen bestimmt werden.</li>
		<li>Übersetzen Sie die Probenstufe, um die erste der Voninteresse erregenden Proben zu messen, und zeichnen Sie erneut sowohl Spin-up- als auch Spin-Down-Orientierungen als Funktion der Position mit einem vertikal ausgerichteten linearen Szintillatordetektor für einen Zeitraum von etwa 1 Stunde auf.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 3.6.1 und 3.6.2, bis ausreichend gute Zählstatistiken für diese Messung vorliegen. In der Regel ist dies etwa 8 Stunden / Probe insgesamt.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 3.6.1-3.6.3 für alle weiteren Zumessungsproben.</li>
	</ol></li>
	<li>Die gesammelten Daten bestehen sowohl aus Spin-up- als auch Spin-down-2D-Intensitätskarten für jede Probe. Berechnen Sie die Polarisation für jedes Pixel in den 2D-Datensätzen mit der Formel <img alt="" height="51" src="/files/ftp_upload/51129/51129_3.7_equation.png" width="103"> wobei P die Polarisation ist und iup und Idown die gemessenen Spin-up- bzw. Spin-Down-Intensitäten sind.</li>
	<li>Normalisieren Sie die Datensätze, die für die von Interesse gewonnenen Proben mithilfe der P 0-Referenzstichprobendaten erfasst wurden, um eine normalisierte Polarisationsintensitätskarte gemäß der Formel zu erzeugen <img alt="" height="49" src="/files/ftp_upload/51129/51129_3.8_equation.png" width="116"> wobei PNormalisiert die ermittelte Polarisation berechnet undP-Probe der Probenpolarisationswert und P0 die Polarisation ist, die mit der P0-Referenzprobe gemessen wird.</li>
	<li>Integrieren Sie die SERGIS-Daten über einen geeigneten Bereich<ol>
<li>Wählen Sie den Bereich(d. h. den Pixelbereich im normalisierten Polarisationsdiagramm) für die SERGIS-Datenintegration aus. Dieser Bereich sollte so gewählt werden, dass das gewünschte SERGIS-Signal nicht durch mögliche Polarisationsinhomogenitäten überschwemmt wird, die auf Unvollkommenheiten in den Feldlinien-Integralen zurückzuführen sind. Der verfügbare Q-Raum, über den das SERGIS-Signal integriert werden kann, ist effektiv auf eine Reihe diskreter Q-Werte bei jeder gegebenen Spin-Echo-Längenkonfiguration beschränkt, wobei Q der Impulsübertragungsvektor ist, d.h. die Änderung des Momentums eines Neutrons nach der Interaktion mit der Probe.</li>
		<li>Reduzieren Sie die 2D-Daten, indem Sie die normalisierte Polarisation integrieren, um die SERGIS-Korrelationsfunktion G(y) zu erhalten, die zuvor5definiert wurde. Streng G(y) sollte über beide Q-Vektoren senkrecht zu y in die Unendlichkeit integriert werden, aus experimentellen Gründen ist der Integrationsbereich jedoch auf die ausgewählte erkannte Intensität über dem Probenhorizont beschränkt.</li>
	</ol></li>
	<li>Kompensieren Sie unterschiedliche Streulängendichten bei unterschiedlichen Wellenlängen, indem Sie die Daten in ähnlicher Weise behandeln, um Echo-Neutronenstreudaten zu spinnen, indem Sie die Daten in der Form darstellen: <img alt="" height="65" src="/files/ftp_upload/51129/51129_3.10_equation.png" width="127"> wobei die Spin-Echo-Länge in nm ist und leicht mit y =2 berechnet werden kann, wobei α eine Konstante ist, die mit kalibrierten Konstanten für das gegebene Instrumentenaufbau bestimmt wird11.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Mezei, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neutron+spin+echo:+A+new+concept+in+polarized+thermal+neutron+techniques.">Neutron spin echo: A new concept in polarized thermal neutron techniques.</a> Zeitschriftf&#252;r Physik A Hadrons Nuclei. 255, 146-160 (1972).</li><li>Falus, P., Vorobiev, A., Krist, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Test+of+a+two-dimensional+neutron+spin+analyzer.">Test of a two-dimensional neutron spin analyzer.</a> Physica B Condens. Matter. Mater. Phys. , 385-386 (2006).</li><li>Ashkar, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamical+theory+calculations+of+spin-echo+resolved+grazing-incidence+scattering+from+a+diffraction+grating.">Dynamical theory calculations of spin-echo resolved grazing-incidence scattering from a diffraction grating.</a> J. Appl. Crystallogr. 43 (3), 455-465 (2010).</li><li>Ashkar, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamical+theory:+Application+to+spin-echo+resolved+grazing+incidence+scattering+from+periodic+structures.">Dynamical theory: Application to spin-echo resolved grazing incidence scattering from periodic structures.</a> J. Appl. Phys. 110 (10), (2011).</li><li>Pynn, R., Ashkar, R., Stonaha, P., Washington, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A.L.,Some+recent+results+using+spin+echo+resolved+grazing+incidence+scattering.">A.L.,Some recent results using spin echo resolved grazing incidence scattering.</a> SERGIS). hysica B Condens. Matter. Mater. Phys. 406 (12), 2350-2353 (2011).</li><li>Ashkar, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-Echo+Resolved+Grazing+Incidence+Scattering+(SERGIS)+at+Pulsed+and+CW+Neutron+Sources.">Spin-Echo Resolved Grazing Incidence Scattering (SERGIS) at Pulsed and CW Neutron Sources.</a> J. Phy. Conf. Ser. 251 (1), (2010).</li><li>Vorobiev, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+and+microphase+separation+of+polymer+thin+films+dewetted+from+Silicon-A+spin-echo+resolved+grazing+incidence+neutron+scattering+study.">Phase and microphase separation of polymer thin films dewetted from Silicon-A spin-echo resolved grazing incidence neutron scattering study.</a> J. Phys. Chem. B. 115 (19), 5754-5765 (2011).</li><li>Major, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+spin-echo+resolved+grazing+incidence+scattering+setup+for+the+neutron+interrogation+of+buried+nanostructures.">A spin-echo resolved grazing incidence scattering setup for the neutron interrogation of buried nanostructures.</a> Rev. Sci. Instrum. 80 (12), (2009).</li><li>Parnell, A. J., Dalgliesh, R. M., Jones, R. A. L., Dunbar, A. D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+neutron+spin+echo+resolved+grazing+incidence+scattering+study+of+crystallites+in+organic+photovoltaic+thin+films.">A neutron spin echo resolved grazing incidence scattering study of crystallites in organic photovoltaic thin films.</a> Appl. Phys. Lett. 102, (2013).</li><li>Dalgliesh, R. M., Langridge, S., Plomp, J., De Haan, V. O., Van Well, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Offspec,+the+ISIS+spin-echo+reflectometer.+hysica+B+Condens..">Offspec, the ISIS spin-echo reflectometer. hysica B Condens..</a> Matter. Mater. Phys. 406 (12), 2346-2349 (2011).</li><li>Krouglov, T., de Schepper, I. M., Bouwman, W. G., Rekveldt, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-space+interpretation+of+spin-echo+small-angle+neutron+scattering.">Real-space interpretation of spin-echo small-angle neutron scattering.</a> J. Appl. Crystallogr. 36, 117-124 (2003).</li><li>Brady, M. A., Su, G. M., Chabinyc, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+in+the+morphology+of+bulk+heterojunctionphotovoltaics.">Recent progress in the morphology of bulk heterojunctionphotovoltaics.</a> Soft Matter. 7 (23), 11065-11077 (2011).</li><li>Huang, Y. -. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+the+effect+of+annealing+process+on+the+performance+of+P3HT/PCBM+photovoltaic+devices+using+scanning-probe+microscopy..">Study of the effect of annealing process on the performance of P3HT/PCBM photovoltaic devices using scanning-probe microscopy..</a> Solar Energy Mater. Solar Cells. 93 (6-7), 888-892 (2009).</li><li>Parnell, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Depletion+of+PCBM+at+the+Cathode+Interface+in+P3HT/PCBM+Thin+Films+as+Quantified+via+Neutron+Reflectivity+Measurements.">Depletion of PCBM at the Cathode Interface in P3HT/PCBM Thin Films as Quantified via Neutron Reflectivity Measurements.</a> Adv. Mater. 22 (22), 2444-2447 (2010).</li></ol>

Der Autor Robert Dalgliesh ist ein Mitarbeiter des ISIS Pulsed Neutron and Muon Source, der das in diesem Experiment verwendete Instrument beherbergt.

Die Mikroskopiedaten in Abbildung 1 zeigen deutlich, dass vor dem Glühen der P3HT:PCBM Dünnschicht flach und glatt ist und nach dem thermischen Glühen viele große unregelmäßige PCBM-Kristallite auf der Oberfläche mit seitlichen Abmessungen zwischen etwa 1-10 m vorhanden sind. Dies wird auf die PCBM-Migration zur Oberseite des Films und die anschließende Aggregation zu großen Kristalliten zurückgeführt. Ein starkes SERGIS-Signal, das mit der Streuung von PCBM-Kristalliten in der geglühten Prob...

Die SERGIS-Technik zielt darauf ab, einzigartige Strukturelle Informationen zu liefern, die mit anderen Streu- oder Mikroskopietechniken aus Dünnschichtproben nicht zugänglich sind. Mikroskopietechniken sind in der Regel oberflächenbegrenzt oder erfordern erhebliche Änderungen/Probenvorbereitungen, um interne Strukturen anzuzeigen. Herkömmliche Streutechniken wie Reflektivität können detaillierte Informationen über vergrabene Probenstrukturen als Funktion der Tiefe innerhalb des Dünnfilms liefern, können aber die Struktur in der Ebene des Dünnfilms nicht einfach sonden. Letztlich hofft man, dass SERGIS es ermöglicht, diese laterale Struktur auch dann zu untersuchen, wenn sie in der Dünnschichtprobe vergraben ist. Die hier vorgestellten repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, ein SERGIS-Signal anhand unregelmäßiger Probenmerkmale zu beobachten, und dass das gemessene Signal mit einer charakteristischen Längenskala korreliert werden kann, die mit den in der Probe vorhandenen Merkmalen verbunden ist, wie sie durch herkömmliche Mikroskopieverfahren bestätigt wird.
Inelastische Spin-Echo-Techniken wurden von Mezei et al. entwickelt. 1 in den 1970er Jahren. Seitdem wurde die SERGIS-Technik (eine Erweiterung der Ideen von Mezei et al.)experimentell mit einer Vielzahl von Proben wie hochregelmäßigen Beugungsgittern2-6 und kreisförmigen entnetzten Polymertröpfchen7erfolgreich nachgewiesen. Eine dynamische Theorie wurde von Pynn und Kollegen entwickelt, um die starke Streuung aus sehr regelmäßigen Proben3-6,8zu modellieren. Diese Arbeit hat viele praktische Aspekte hervorgehoben, die bei der Durchführung dieser Art von Messungen zu berücksichtigen sind, und zu einem ständigen Dialog innerhalb einer kleinen multinationalen Gemeinschaft geführt.
Gute Ergebnisse aus SERGIS-Experimenten werden höchstwahrscheinlich erzielt, wenn die zu messende Probe aus einem dünnen Film auf einem flachen Substrat besteht und Streueigenschaften mit einer hohen Dichte von mittelgroßen Merkmalen (30 nm bis 5 m) enthält, die Neutronen stark streuen, wie die Autoren9zeigen. Im Gegensatz zu anderen etablierten Reflektivitätstechniken, die die Probe als Funktion der Tiefe untersuchen, hat die SERGIS-Technik den Vorteil, dass sie Strukturen in der Ebene der Probenoberfläche sonden kann. Darüber hinaus entfällt durch die Verwendung von Spin-Echo die Anforderung, den Neutronenstrahl fest zu kollimieren, um entweder eine hohe Räumliche oder energiebefreie Auflösung zu erhalten, so dass signifikante Flussgewinne erzielt werden können. Dies ist besonders relevant für Weideinzidenzgeometrien, die aufgrund der Notwendigkeit, den Strahl stark in eine Richtung zu kollimieren, deutlich flussbegrenzt sind. Mit dem OffSpec-Instrument sollte es daher möglich sein, Längenskalen von 30 nm bis 5 m sowohl in Schütt- als auch in Oberflächenstrukturen zu sonden.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="605">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Silicon 2 in silicon substrates</td>
			<td style="width:103px;">Prolog</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">4 mm thick polished one side</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Oxygen plasma</td>
			<td style="width:103px;">Diener</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Oxygen plasma cleaning system to clean substrates prior to coating</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate)</td>
			<td style="width:103px;">Ossila</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>PEDOT:PSS conductive polymer layer for organic photovoltaic samples</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">0.45 &#956;m PTFE filter</td>
			<td style="width:103px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Filer to remove aggregates from PEDOT:PSS and P3HT solutions</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Chlorobenzene</td>
			<td style="width:103px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Solvent for P3HT</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)</td>
			<td style="width:103px;">Ossila</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>P3HT - polymer used in polymer photovoltaics</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Spin Coater</td>
			<td style="width:103px;">Laurell</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Deposition system for making flat thin polymer films</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Vacuum Oven</td>
			<td style="width:103px;">Binder</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Oven fro annealing samples after preparation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Nikon Eclipse E600 optical microscope</td>
			<td style="width:103px;">Nikon</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Microscope</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Veeco Dimension 3100 AFM</td>
			<td style="width:103px;">Veeco</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>AFM</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tapping mode tips (~275 kHz)</td>
			<td style="width:103px;">Olympus</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>AFM tips</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Quartz Disc</td>
			<td style="width:103px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Refrence samples for SERGIS measurement</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Spin Echo off-specular reflectometer</td>
			<td colspan="2">OffSpec at the ISIS Pulsed Neutron and Muon Source (Oxfordshire, UK)</td>
			<td>Produces pulsed neutrons 2-14 &#197;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Neutron Detector</td>
			<td style="width:103px;">Offspec</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>vertically oriented linear scintillator detector</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">RF spin flippers</td>
			<td style="width:103px;">Offspec</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Magnetic Field Guides</td>
			<td style="width:103px;">Offspec</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Data Manipulation Software</td>
			<td style="width:103px;">Mantid</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td><a href="http://www.mantidproject.org/Main_Page">http://www.mantidproject.org/Main_Page</a></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using neutron spin echo resolved grazing incidence scattering to investigate organic solar cell materials

Die SERGIS-Technik (Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering) wurde verwendet, um die Längenskalen zu untersuchen, die mit unregelmäßig geformten Kristalliten verbunden sind. Neutronen werden durch zwei gut definierte Magnetfeldbereiche geleitet; eine vor und eine nach der Probe. Die beiden Magnetfeldregionen haben eine entgegengesetzte Polarität und sind so abgestimmt, dass Neutronen, die durch beide Regionen reisen, ohne gestört zu werden, die gleiche Anzahl von Präzesses in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen werden. In diesem Fall soll die Neutronenpräzession im zweiten Arm den ersten "echo" haben, und die ursprüngliche Polarisation des Strahls bleibt erhalten. Wenn das Neutron mit einer Probe interagiert und elastisch streut, ist der Pfad durch den zweiten Arm nicht derselbe wie der erste und die ursprüngliche Polarisation wird nicht wiederhergestellt. Die Depolarisation des Neutronenstrahls ist eine hochempfindliche Sonde in sehr kleinen Winkeln (<50'rad), ermöglicht aber dennoch den Einsatz eines hochintensiven, divergierenden Strahls. Die Verringerung der Polarisation des Strahls, der von der Probe im Vergleich zu der der Referenzstichprobe reflektiert wird, kann direkt mit der Struktur innerhalb der Probe zusammenhängen.
Im Vergleich zur streuungsbeobachteten Streuung, die bei Neutronenreflexionsmessungen beobachtet wird, sind die SERGIS-Signale oft schwach und werden wahrscheinlich nicht beobachtet, wenn die In-Ebenen-Strukturen innerhalb der untersuchten Probe verdünnt, ungeordnet, klein und polydisperse oder der Neutronenstreukontrast gering ist. Daher werden mit der SERGIS-Technik höchstwahrscheinlich gute Ergebnisse erzielt, wenn die zu messende Probe aus dünnen Folien auf einem flachen Substrat besteht und Streueigenschaften enthält, die eine hohe Dichte von mittelgroßen Merkmalen (30 nm bis 5 m) enthalten, die Neutronen stark streuen oder die Merkmale auf einem Gitter angeordnet sind. Ein Vorteil der SERGIS-Technik ist, dass sie Strukturen in der Ebene der Probe sonden kann.

Die repräsentativen Ergebnisse aus Proben von [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) und Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) sind von erheblichem Interesse wegen ihrer weit verbreiteten Anwendung als Bulk-Hetero-Junction-Materialien in organischen Photovoltaikzellen12,13. Typischerweise wird bei der Herstellung eines organischen Photovoltaikgeräts eine P3HT:PCBM-Mischlösung aus einer Mischlösung zu einem dünnschichtigen Aufguss auf einem Poly(3,4-ethylenedioxythiophen):p oly(styrenesulfonat) (P...

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Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

Es wurden Fortschritte bei der Verwendung von Spin-Echo-aufgelösten Weideinzidenzstreuung (SERGIS) als Neutronenstreuungstechnik zur Untersuchung der Längenskalen in unregelmäßigen Proben erzielt. Crystallite von [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester wurden mit der SERGIS-Technik untersucht und die Ergebnisse durch optische und atomare Kraftmikroskopie bestätigt.

Mit Neutron Spin Echo Gelöste Grazing Incidence Scattering zur Untersuchung organischer Solarzellenmaterialien

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

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Research

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Engineering

6.2K Aufrufe.  University of Sheffield. Es wurden Fortschritte bei der Verwendung von Spin-Echo-aufgelösten Weideinzidenzstreuung (SERGIS) als Neutronenstreuungstechnik zur Untersuchung der Längenskalen in unregelmäßigen Proben erzielt. Crystallite von [6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester wurden mit der SERGIS-Technik untersucht und die Ergebnisse durch optische und atomare Kraftmikroskopie bestätigt.

Serie: Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

The physical properties of a material are defined by its electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;) and momentum (k) and the probability to find them in a particular state with given &omega; and k is described by the spectral function A(k, &omega;). This function can be directly measured in an experiment based on the well-known photoelectric effect, for the explanation of which Albert Einstein received the Nobel Prize back in 1921. In the photoelectric effect the light shone on a surface ejects electrons from the material. According to Einstein, energy conservation allows one to determine the energy of an electron inside the sample, provided the energy of the light photon and kinetic energy of the outgoing photoelectron are known. Momentum conservation makes it also possible to estimate k relating it to the momentum of the photoelectron by measuring the angle at which the photoelectron left the surface. The modern version of this technique is called Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) and exploits both conservation laws in order to determine the electronic structure, i.e. energy and momentum of electrons inside the solid. In order to resolve the details crucial for understanding the topical problems of condensed matter physics, three quantities need to be minimized: uncertainty* in photon energy, uncertainty in kinetic energy of photoelectrons and temperature of the sample.
In our approach we combine three recent achievements in the field of synchrotron radiation, surface science and cryogenics. We use synchrotron radiation with tunable photon energy contributing an uncertainty of the order of 1 meV, an electron energy analyzer which detects the kinetic energies with a precision of the order of 1 meV and a He3 cryostat which allows us to keep the temperature of the sample below 1 K. We discuss the exemplary results obtained on single crystals of Sr2RuO4 and some other materials. The electronic structure of this material can be determined with an unprecedented clarity.

The overall goal of this method is to determine the low-energy electronic structure of solids at ultra-low temperatures using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy with synchrotron radiation.

Angle-Photoemissionsspektroskopie Bei extrem niedrigen Temperaturen

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

Forschung

Ingenieurwesen

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

Organic photovoltaic (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale inhomogeneity of OPV materials affects performance of photovoltaic devices. Thus, understanding of spatial variations in composition as well as electrical properties of OPV materials is of paramount importance for moving PV technology forward.1,2 In this paper, we describe a protocol for quantitative measurements of electrical and mechanical properties of OPV materials with sub-100 nm resolution. Currently, materials properties measurements performed using commercially available AFM-based techniques (PeakForce, conductive AFM) generally provide only qualitative information. The values for resistance as well as Young's modulus measured using our method on the prototypical ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM system correspond well with literature data. The P3HT:PC61BM blend separates onto PC61BM-rich and P3HT-rich domains. Mechanical properties of PC61BM-rich and P3HT-rich domains are different, which allows for domain attribution on the surface of the film. Importantly, combining mechanical and electrical data allows for correlation of the domain structure on the surface of the film with electrical properties variation measured through the thickness of the film.

Organic photovoltaic (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale inhomogeneity of OPV materials affects performance of photovoltaic devices. In this paper, we describe a protocol for quantitative measurements of electrical and mechanical properties of OPV materials with sub-100 nm resolution.

Concurrent Quantitative Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften Measurements of Organic Photovoltaic Materials mittels AFM

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is presented. The SANS shear cell consists of a concentric cylinder Couette geometry that is sealed and rotating about a horizontal axis so that the vorticity direction of the flow field is aligned with the neutron beam enabling scattering from the 1-2 plane of shear (velocity-velocity gradient, respectively). This approach is an advance over previous shear cell sample environments as there is a strong coupling between the bulk rheology and microstructural features in the 1-2 plane of shear. Flow-instabilities, such as shear banding, can also be studied by spatially resolved measurements. This is accomplished in this sample environment by using a narrow aperture for the neutron beam and scanning along the velocity gradient direction. Time resolved experiments, such as flow start-ups and large amplitude oscillatory shear flow are also possible by synchronization of the shear motion and time-resolved detection of scattered neutrons. Representative results using the methods outlined here demonstrate the useful nature of spatial resolution for measuring the microstructure of a wormlike micelle solution that exhibits shear banding, a phenomenon that can only be investigated by resolving the structure along the velocity gradient direction. Finally, potential improvements to the current design are discussed along with suggestions for supplementary experiments as motivation for future experiments on a broad range of complex fluids in a variety of shear motions.

A shear cell is developed for small-angle neutron scattering measurements in the velocity-velocity gradient plane of shear and is used to characterize complex fluids. Spatially resolved measurements in the velocity gradient direction are possible for studying shear-banding materials. Applications include investigations of colloidal dispersions, polymer solutions, and self-assembled structures.

Messwerkstoffgefüge unter Verwendung von Fluss 1-2 Flugzeug Flussneutronenkleinwinkelstreuung

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric vehicles.1,2 However, many challenges, such as energy density and battery lifetimes, need to be overcome before this particular battery technology can be widely implemented in such applications.3 This research is challenging, and we outline a method to address these challenges using in situ NPD to probe the crystal structure of electrodes undergoing electrochemical cycling (charge/discharge) in a battery. NPD data help determine the underlying structural mechanism responsible for a range of electrode properties, and this information can direct the development of better electrodes and batteries.
We briefly review six types of battery designs custom-made for NPD experiments and detail the method to construct the &#8216;roll-over&#8217; cell that we have successfully used on the high-intensity NPD instrument, WOMBAT, at the Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). The design considerations and materials used for cell construction are discussed in conjunction with aspects of the actual in situ NPD experiment and initial directions are presented on how to analyze such complex in situ data.

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

We describe the design and construction of an electrochemical cell for the examination of electrode materials using in situ neutron powder diffraction (NPD). We briefly comment on alternate in situ NPD cell designs and discuss methods for the analysis of the corresponding in situ NPD data produced using this cell.

In Situ Neutronenpulver Mit Maßgeschneiderte Lithium-Ionen-Batterien

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data acquisition times with high spatial resolution. In the electronics industry there is serious interest in performing failure analysis on 3D microelectronic packages, many which contain multiple levels of high-density interconnections. Often in tomography there is a trade-off between image resolution and the volume of a sample that can be imaged. This inverse relationship limits the usefulness of conventional computed tomography (CT) systems since a microelectronic package is often large in cross sectional area 100-3,600 mm2, but has important features on the micron scale. The micro-tomography beamline at the Advanced Light Source (ALS), in Berkeley, CA USA, has a setup which is adaptable and can be tailored to a sample&#39;s properties, i.e., density, thickness, etc., with a maximum allowable cross-section of 36 x 36 mm. This setup also has the option of being either monochromatic in the energy range ~7-43 keV or operating with maximum flux in white light mode using a polychromatic beam. Presented here are details of the experimental steps taken to image an entire 16 x 16 mm system within a package, in order to obtain 3D images of the system with a spatial resolution of 8.7 &#181;m all within a scan time of less than 3 min. Also shown are results from packages scanned in different orientations and a sectioned package for higher resolution imaging. In contrast a conventional CT system would take hours to record data with potentially poorer resolution. Indeed, the ratio of field-of-view to throughput time is much higher when using the synchrotron radiation tomography setup. The description below of the experimental setup can be implemented and adapted for use with many other multi-materials.

For this study synchrotron radiation micro-tomography, a non-destructive three-dimensional imaging technique, is employed to investigate an entire microelectronic package with a cross-sectional area of 16 x 16 mm. Due to the synchrotron&#39;s high flux and brightness the sample was imaged in just 3 min&#160;with an 8.7 &#181;m spatial resolution.

Mit Synchrotronstrahlung Mikrotomographie Mehrskalige Dreidimensionale Mikroelektronische Bauteile zur Untersuchung

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials such as organo-lead halide perovskites is presented. The perovskite film thickness and absorption coefficient are initially characterized by profilometry and UV-VIS absorption spectroscopy. Calibration of both laser power and cavity sensitivity is described in detail. A protocol for performing Flash-photolysis Time Resolved Microwave Conductivity (TRMC) experiments, a non-contact method of determining the conductivity of a material, is presented. A process for identifying the real and imaginary components of the complex conductivity by performing TRMC as a function of microwave frequency is given. Charge carrier dynamics are determined under different excitation regimes (including both power and wavelength). Techniques for distinguishing between direct and trap-mediated decay processes are presented and discussed. Results are modelled and interpreted with reference to a general kinetic model of photoinduced charge carriers in a semiconductor. The techniques described are applicable to a wide range of optoelectronic materials, including organic and inorganic photovoltaic materials, nanoparticles, and conducting/semiconducting thin films.

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

Rekombinationsdynamik in Dünnschicht-Photovoltaik-Materialien über zeitaufgelöste Mikrowellenleitfähigkeit

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of electrospun titanium dioxide nanofibers (TiO2-NFs) on top of a blocking layer made of commercially available titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs). This is achieved by first electrospinning a solution of titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), and glacial acetic acid in ethanol to obtain composite PVP/TiO2 nanofibers. These are then calcined at 500 &#176;C to remove the PVP and to obtain pure anatase-phase titania nanofibers. This material is characterized using scanning electron microscopy (SEM) and powder X-ray diffraction (XRD). The photoanode is prepared by first creating a blocking layer through the deposition of a TiO2-NPs/terpineol slurry on a fluorine-doped tin oxide (FTO) glass slide using doctor blading techniques. A subsequent thermal treatment is performed at 500 &#176;C. Then, the light-scattering layer is formed by depositing a TiO2-NFs/terpineol slurry on the same slide, using the same technique, and calcinating again at 500 &#176;C. The performance of the photoanode is tested by fabricating a dye-sensitized solar cell and measuring its efficiency through J-V curves under a range of incident light densities, from 0.25-1 Sun.

The overall goal of this project was to use electrospinning to fabricate a photoanode with improved performance for dye-sensitized solar cells.

Elektrospinnen von photokatalytischen Elektroden für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

Dielectric RheoSANS &#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and microstructural properties of complex fluids is presented. The instrument consists of a Couette geometry contained within a modified forced convection oven mounted on a commercial rheometer. This instrument is available for use on the small angle neutron scattering (SANS) beamlines at the National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Neutron Research (NCNR). The Couette geometry is machined to be transparent to neutrons and provides for measurement of the electrical properties and microstructural properties of a sample confined between titanium cylinders while the sample undergoes arbitrary deformation. Synchronization of these measurements is enabled through the use of a customizable program that monitors and controls the execution of predetermined experimental protocols. Described here is a protocol to perform a flow sweep experiment where the shear rate is logarithmically stepped from a maximum value to a minimum value holding at each step for a specified period of time while frequency dependent dielectric measurements are made. Representative results are shown from a sample consisting of a gel composed of carbon black aggregates dispersed in propylene carbonate. As the gel undergoes steady shear, the carbon black network is mechanically deformed, which causes an initial decrease in conductivity associated with the breaking of bonds comprising the carbon black network. However, at higher shear rates, the conductivity recovers associated with the onset of shear thickening. Overall, these results demonstrate the utility of the simultaneous measurement of the rheo-electro-microstructural properties of these suspensions using the dielectric RheoSANS geometry.

Dielectric RheoSANS &amp;#8212; Simultaneous Interrogation of Impedance, Rheology and Small Angle Neutron Scattering of Complex Fluids

Here, we present a procedure for the measurement of simultaneous impedance, rheology and neutron scattering from soft matter materials under shear flow.

Dielectric RheoSANS - Gleichzeitige Interrogation von Impedanz, Rheologie und Kleinwinkelneutronenstreuung komplexer Fluide

A procedure for the operation of a new dielectric RheoSANS instrument capable of simultaneous interrogation of the electrical, mechanical and ...

Simultaneous Multi-surface Anodizations and Stair-like Reverse Biases Detachment of Anodic Aluminum Oxides in Sulfuric and Oxalic Acid Electrolyte

After reporting on the two-step anodization, nanoporous anodic aluminum oxides (AAOs) have been widely utilized in the versatile fields of fundamental sciences and industrial applications owing to their periodic arrangement of nanopores with relatively high aspect ratio. However, the techniques reported so far, which could be only valid for mono-surface anodization, show critical disadvantages, i.e., time-consuming as well as complicated procedures, requiring toxic chemicals, and wasting valuable natural resources. In this paper, we demonstrate a facile, efficient, and environmentally clean method to fabricate nanoporous AAOs in sulfuric and oxalic acid electrolytes, which can overcome the limitations that result from conventional AAO fabricating methods. First, plural AAOs are produced at one time through simultaneous multi-surfaces anodization (SMSA), indicating mass-producibility of the AAOs with comparable qualities. Second, those AAOs can be separated from the aluminum (Al) substrate by applying stair-like reverse biases (SRBs) in the same electrolyte used for the SMSAs, implying simplicity and green technological characteristics. Finally, a unit sequence consisting of the SMSAs sequentially combined with SRBs-based detachment can be applied repeatedly to the same Al substrate, which reinforces the advantages of this strategy and also guarantees the efficient usage of natural resources.

A protocol for fabricating nanoporous anodic aluminum oxides via simultaneous multi-surfaces anodization followed by stair-like reverse biases detachments is presented. It can be applied repeatedly to the same aluminum substrate, exhibiting a facile, high-yield, and environmentally clean strategy.

Gleichzeitige Multi-Oberfläche Anodizations und Treppe-wie umgekehrte Vorurteile Ablösung der anodische Aluminium Oxide in Schwefelsäure und Oxalsäure-Elektrolyten

After reporting on the two-step anodization, nanoporous anodic aluminum oxides (AAOs) have been widely utilized in the versatile fields of fundamental ...

Experimental Methods for Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy Combined with Polarization-Variable Laser

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser (laser-SARPES), and demonstrate a power of this technique for studying solid state physics. Laser-SARPES achieves two great capabilities. Firstly, by examining orbital selection rule of linearly polarized lasers, orbital selective excitation can be carried out in SAPRES experiment. Secondly, the technique can show full information of a variation of the spin quantum axis as a function of the light polarization. To demonstrate the power of the collaboration of these capabilities in laser-SARPES, we apply this technique for the investigations of spin-orbit coupled surface states of Bi2Se3. This technique affords to decompose spin and orbital components from the spin-orbit coupled wavefunctions. Moreover, as a representative advantage of using the direct spin detection collaborated with the polarization-variable laser, the technique unambiguously visualizes the light polarization dependence of the spin quantum axis in three-dimension. Laser-SARPES dramatically increases a capability of photoemission technique.

Here, we combine polarization-variable 7-eV laser with spin- and angle-resolved photoemission technique to visualize the spin-orbital coupling effect in solid states.

Experimentelle Methoden für Spin - und Winkel-Resolved Photoemission Spectroscopy kombiniert mit Polarisation-Variable Laser

The goal of this protocol is to present how to perform spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy combined with polarization-variable 7-eV laser ...