L’AJP a été financé par la subvention EP/E046215/1 de la plateforme EPSRC Soft Nanotechnology. Les expériences neutroniques ont été soutenues par le STFC via l’attribution de temps expérimental pour utiliser OffSpec (RB 1110285).

1. Préparation de l’échantillon
<ol><li>Nettoyez les substrats de silicium en plaçant 2 dans des plaquettes de silicium de 4 mm d’épaisseur dans du plasma d’oxygène pendant 10 min.</li>
	<li>Spincoat la première couche sur les substrats<ol>
<li>Filtrer le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) : poly(styrènesulfonate) (PEDOT:PSS) à travers un filtre ptfe de 0,45 μm (PALL).</li>
		<li>Utilisez environ 0,5 ml pour chaque échantillon afin de faire tourner un film mince PEDOT: PSS sur les deux substrats propres à 5 000 tr / min en filant pendant 60 secondes.</li>
		<li>Sécher chaque substrat pendant 10 min au four à 70 °C.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Préparer la solution de lissage pour la deuxième couche<ol>
<li>Dissoudre une partie du poly(3-hexylthiophène-2,5-diyl) (P3HT) dans le chlorobenzène à une concentration de 50 mg/ml.</li>
		<li>Préparer une solution de PCBM également dans le chlorobenzène à une concentration de 50 mg/ml.</li>
		<li>Mélanger les deux solutions dans une proportion de 1:0.7 P3HT:PCBM.</li>
		<li>Filtrer la solution mélangée à travers un filtre PTFE de 0,45 μm.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Spincoat deuxième couche en déposant environ 100 μl de la solution P3HT: PCBM sur les substrats enduits PEDOT: PSS, puis tournez à 2 000 tr / min pendant 30 secondes pour former la deuxième couche.</li>
	<li>Laisser un échantillon en fonte et recuit thermiquement l’autre pendant 1 heure à 150 °C dans un four. Il en résulte la croissance des grandes cristallites PCBM sur la surface du film mince.</li>
</ol>2. Caractérisation des échantillons par microscopie
<ol><li>Microscopie optique<ol>
<li>Prenez une image de microscopie optique des deux échantillons à l’aide d’un objectif de microscope 40X sur un microscope optique fonctionnant en mode réflexion, en capturant les images à l’aide d’une caméra CCD.</li>
		<li>Enregistrer une image d’étalonnage d’un échantillon de longueur connue au même grossissement que celui utilisé pour l’étape 2.1.1</li>
		<li>Calculez la taille de pixel en microns pour les images en déterminant le nombre de pixels pour l’échantillon de taille connue.</li>
		<li>Utilisez cette taille de pixel pour calibrer les images à l’aide de n’importe quel logiciel de microscopie facilement disponible. Un exemple d’image de microscopie optique étalonnée est illustré à la figure 1.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Microscopie à force atomique<ol>
<li>Prenez une image de microscope à force atomique (AFM) des deux échantillons.</li>
		<li>Analysez les données à l’aide de n’importe quel logiciel de sonde de balayage facilement disponible pour générer des figures de profil de ligne comme celles présentées à la figure 1.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Expérience SERGIS
<ol><li>Sélectionnez un échantillon de référence approprié pour fournir la polarisation de référence P0, ce qui permet de normaliser les données acquises à partir de l’échantillon de données d’intérêt.</li>
	<li>Aligner l’échantillon et l’échantillon de référence<ol>
<li>Placer les trois échantillons sur une table de positionnement; cela peut être traduit à travers le faisceau de neutrons afin que chaque échantillon puisse être placé dans le faisceau à son tour.</li>
		<li>Placer l’échantillon de référence P0 dans le faisceau en traduisant la table d’échantillonnage.</li>
		<li>Aligner l’échantillon de référence P0 sur une précision angulaire de <0,005° à l’aide de méthodes d’alignement de réflexion standard.</li>
		<li>Placer l’échantillon d’intérêt dans le faisceau de neutrons en traduisant la table d’échantillonnage.</li>
		<li>Alignez l’échantillon d’intérêt sur une précision angulaire de <0,005° à l’aide de méthodes d’alignement de réflexion standard.</li>
		<li>Répétez ce processus d’alignement pour tous les échantillons d’intérêt à mesurer.</li>
	</ol></li>
	<li>Réglez l’instrument SERGIS pour qu’il soit en mode écho<ol>
<li>Configurez le réflectomètre off-spéculaire dédié OffSpec à la source ISIS Pulsed Neutron and Muon (Oxfordshire, Royaume-Uni) pour produire des longueurs d’onde de 2 à 14 Å. Plus de détails sur la configuration utilisée peuvent être trouvés ici10.</li>
		<li>Réglez l’instrument pour équilibrer le nombre total de précessions de neutrons dans chaque bras de l’instrument en balayant le courant dans une partie de la disposition du champ de guidage. Ceci est réalisé en définissant la force et l’inclinaison des champs magnétiques dans les bras de codage de l’instrument, qui sont définis par la distance entre les nageoires de spin RF.</li>
	</ol></li>
	<li>Régler l’angle d’incidence du broutage en inclinant la table d’échantillonnage de sorte que le faisceau de neutrons soit incident sur l’échantillon P0 (pour cette expérience, à un angle de 0,3°).</li>
	<li>Empêcher le faisceau de neutrons directement transmis d’atteindre le détecteur afin d’éviter les problèmes de saturation.</li>
	<li>Mesurer les échantillons<ol>
<li>Déplacez l’étage de translation de l’échantillon de sorte que l’échantillon de référence soit à nouveau dans le faisceau de neutrons et mesurez l’intensité des neutrons diffusés en fonction de la position sur un détecteur à scintillateur linéaire orienté verticalement pour l’échantillon de référence. Mesurez les orientations de rotation vers le haut et vers le bas en retournant le spin du faisceau diffusé immédiatement avant l’analyseur. Typiquement, cela se fait pendant une période d’environ 1 heure. Cela permet de déterminer la polarisation ainsi que l’intensité dispersée pour les deux réglages.</li>
		<li>Traduire l’étage de l’échantillon de manière à mesurer le premier des échantillons d’intérêt, en enregistrant à nouveau les orientations de rotation vers le haut et vers le bas en fonction de la position à l’aide d’un détecteur à scintillateur linéaire orienté verticalement pendant une période d’environ 1 heure.</li>
		<li>Répéter les étapes 3.6.1 et 3.6.2 jusqu’à ce que des statistiques de comptage suffisamment bonnes aient été obtenues pour cette mesure. En règle générale, il s’agit d’environ 8 heures / échantillon au total.</li>
		<li>Répéter les étapes 3.6.1 à 3.6.3 pour tout autre échantillon qui doit être mesuré.</li>
	</ol></li>
	<li>Les données collectées se composent à la fois de cartes d’intensité 2D de spin up et de spin down pour chaque échantillon. Calculer la polarisation de chaque pixel dans les ensembles de données 2D à l’aide de la formule <img alt="" height="51" src="/files/ftp_upload/51129/51129_3.7_equation.png" width="103"> où P est la polarisation et I vers lehaut et I vers lebas sont les intensités mesurées de spin vers le haut et de spin vers le bas respectivement.</li>
	<li>Normaliser les ensembles de données acquis pour les échantillons d’intérêt à l’aide des données d’échantillon de référence P0 recueillies pour produire une carte d’intensité de polarisation normalisée selon la formule <img alt="" height="49" src="/files/ftp_upload/51129/51129_3.8_equation.png" width="116"> où Pnormalisé est la polarisation déterminée calculée et Péchantillon est la valeur de polarisation de l’échantillon etP0 est la polarisation mesurée à l’aide de l’échantillon de référenceP0.</li>
	<li>Intégrer les données SERGIS sur une plage appropriée<ol>
<li>Sélectionnez la zone(c’est-à-dire la plage de pixels dans le diagramme de polarisation normalisée) pour l’intégration des données SERGIS. Cette zone doit être choisie de manière à éviter d’inonder le signal SERGIS souhaité par des inhomogénéités de polarisation potentielles résultant d’imperfections dans les intégrales de ligne de champ. L’espace Q disponible sur lequel le signal SERGIS peut être intégré est effectivement limité à une série de valeurs Q discrètes à n’importe quelle configuration de longueur d’écho de spin donnée, où Q est le vecteur de transfert de quantité de mouvement, c’est-à-dire le changement de quantité de mouvement d’un neutron après interaction avec l’échantillon</li>
		<li>Réduisez les données 2D en intégrant la polarisation normalisée pour obtenir la fonction de corrélation SERGIS G(y) qui a été définie précédemment5. Strictement G(y) doit être intégré à l’infini sur les deux vecteurs Q perpendiculaires à y, cependant, pour des raisons expérimentales, la zone d’intégration est limitée à l’intensité détectée sélectionnée au-dessus de l’horizon de l’échantillon.</li>
	</ol></li>
	<li>Compenser différentes densités de longueur de diffusion à différentes longueurs d’onde en traitant les données d’une manière similaire aux données de diffusion de neutrons à petit angle d’écho de spin en traçant les données sous la forme: <img alt="" height="65" src="/files/ftp_upload/51129/51129_3.10_equation.png" width="127"> où λ est la longueur de l’écho de spin en nm et peut être facilement calculé en utilisant y =αλ2, où α est une constante déterminée à l’aide de constantes étalonnées pour la configuration de l’instrument donnée11.</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>

L’auteur Robert Dalgliesh est un employé de l’ISIS Pulsed Neutron and Muon Source qui héberge l’instrument utilisé dans cette expérience.

Les données de microscopie de la figure 1 montrent clairement qu’avant le recuit, le film mince P3HT:PCBM est plat et lisse et qu’après recuit thermique, de nombreux grands cristallites PCBM irréguliers sont présents à la surface avec des dimensions latérales comprises entre environ 1 et 10 μm. Ceci est attribué à la migration pcbm vers la surface supérieure du film et l’agrégation ultérieure pour former de grandes cristallites. Un signal SERGIS fort associé à la diffusion des cristal...

La technique SERGIS vise à être en mesure de produire des informations structurelles uniques non accessibles en utilisant d’autres techniques de diffusion ou de microscopie à partir d’échantillons à couche mince. Les techniques de microscopie sont généralement limitées en surface ou nécessitent une altération importante / préparation de l’échantillon pour visualiser les structures internes. Les techniques de diffusion conventionnelles telles que la réflectivité peuvent fournir des informations détaillées sur les structures d’échantillons enfouis en fonction de la profondeur dans le film mince, mais ne peuvent pas sonder facilement la structure dans le plan du film mince. En fin de compte, on espère que SERGIS permettra de sonder cette structure latérale même lorsqu’elle est enfouies dans l’échantillon à couche mince. Les résultats représentatifs présentés ici démontrent qu’il est possible d’observer un signal SERGIS à partir de caractéristiques d’échantillon irrégulières et que le signal mesuré peut être corrélé avec une échelle de longueur caractéristique associée aux caractéristiques présentes dans l’échantillon, comme le confirment les techniques de microscopie conventionnelles.
Des techniques d’écho de spin inélastique ont été développées par Mezei et al. 1 dans les années 1970. Depuis lors, la technique SERGIS (qui est une extension des idées de Mezei et al.)a été démontrée avec succès expérimentalement en utilisant une variété d’échantillons tels que des réseau de diffraction très réguliers2-6 et des gouttelettes de polymère dé-humidifiés circulaires7. Une théorie dynamique a été développée par Pynn et ses collègues pour modéliser la forte diffusion à partir d’échantillons très réguliers3-6,8. Ces travaux ont mis en évidence de nombreux aspects pratiques à prendre en compte lors de l’exécution de ce type de mesure et ont conduit à un dialogue constant au sein d’une petite communauté multinationale.
De bons résultats des expériences SERGIS seront très probablement obtenus si l’échantillon mesuré est constitué d’un film mince sur un substrat plat et contient des caractéristiques de diffusion avec une densité élevée de caractéristiques de taille moyenne (30 nm à 5 μm) qui dispersent fortement les neutrons, comme l’ont démontré les auteurs9. Contrairement à d’autres techniques de réflectivité établies qui sondent l’échantillon en fonction de la profondeur, la technique SERGIS présente l’avantage de pouvoir sonder des structures dans le plan de la surface de l’échantillon. En outre, l’utilisation de spin-echo élimine la nécessité de collimer étroitement le faisceau de neutrons afin d’obtenir une résolution spatiale ou énergétique élevée, par conséquent des gains de flux importants peuvent être obtenus. Ceci est particulièrement pertinent pour les géométries d’incidence du pâturage qui sont considérablement limitées en raison de la nécessité de colliger fortement le faisceau dans une direction. À l’aide de l’instrument OffSpec, il devrait donc être possible de sonder des échelles de longueur de 30 nm à 5 μm dans les structures en vrac et de surface.

<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

La technique SERGIS (Spin echo resolved grazing incidence scattering) a été utilisée pour sonder les échelles de longueur associées aux cristallites de forme irrégulière. Les neutrons traversent deux régions bien définies du champ magnétique; un avant et un après l’échantillon. Les deux régions de champ magnétique ont une polarité opposée et sont réglées de telle sorte que les neutrons voyageant à travers les deux régions, sans être perturbés, subiront le même nombre de précessions dans des directions opposées. Dans ce cas, la précession neutronique dans le second bras est dite « écho » au premier, et la polarisation originale du faisceau est préservée. Si le neutron interagit avec un échantillon et se disperse élastiquement, le chemin à travers le deuxième bras n’est pas le même que le premier et la polarisation d’origine n’est pas récupérée. La dépolarisation du faisceau de neutrons est une sonde très sensible à de très petits angles (<50 μrad) mais permet toujours d’utiliser un faisceau divergent de haute intensité. La diminution de la polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon par rapport à celle de l’échantillon de référence peut être directement liée à la structure de l’échantillon.
Par rapport à la diffusion observée dans les mesures de réflexion neutronique, les signaux SERGIS sont souvent faibles et peu susceptibles d’être observés si les structures dans le plan de l’échantillon à l’étude sont diluées, désordonnées, de petite taille et polydisperses ou si le contraste de diffusion des neutrons est faible. Par conséquent, de bons résultats seront très probablement obtenus en utilisant la technique SERGIS si l’échantillon mesuré est constitué de films minces sur un substrat plat et contient des caractéristiques de diffusion qui contiennent une densité élevée de caractéristiques de taille moyenne (30 nm à 5 μm) qui dispersent fortement les neutrons ou si les caractéristiques sont disposées sur un réseau. Un avantage de la technique SERGIS est qu’elle peut sonder des structures dans le plan de l’échantillon.

Les résultats représentatifs d’échantillons d’ester méthylique [6,6]-phényl-C61-butyrique (PCBM) et de poly(3-hexylthiophène-2,5-diyl) (P3HT) présentés ici présentent un intérêt significatif en raison de leur application généralisée en tant que matériaux hétéro-jonctions en vrac dans les cellules photovoltaïques organiques12,13. Typiquement, lors de la fabrication d’un dispositif photovoltaïque organique, une solution de mélange P3HT: PCBM est moulée en spin à partir d’une solutio...

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

Des progrès ont été réalisés dans l’utilisation de la diffusion de l’incidence de pâturage résolue par écho de spin (SERGIS) comme technique de diffusion neutronique pour sonder les échelles de longueur dans des échantillons irréguliers. Des cristallites d’ester méthylique de l’acide [6,6]-phényl-C61-butyrique ont été sondées à l’aide de la technique SERGIS et des résultats confirmés par microscopie optique et à force atomique.

Utilisation de la diffusion de l’incidence de broutage résolue par écho de spin neutronique pour étudier les matériaux des cellules solaires organiques

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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6.5K vues.  University of Sheffield. Des progrès ont été réalisés dans l’utilisation de la diffusion de l’incidence de pâturage résolue par écho de spin (SERGIS) comme technique de diffusion neutronique pour sonder les échelles de longueur dans des échantillons irréguliers. Des cristallites d’ester méthylique de l’acide [6,6]-phényl-C61-butyrique ont été sondées à l’aide de la technique SERGIS et des résultats confirmés par microscopie optique et à force atomique.

Vidéo: 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.

Résolution angulaire spectroscopie de photoémission à très basse température

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

Recherche

Ingénierie

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.

Parallèlement conductivité quantitatives et mesures mécaniques Propriétés des matériaux organiques photovoltaïques par 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.

Mesure microstructure du matériau sous flux utilisant 1-2 Avion Flow-Petit 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 ...

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 diffraction de poudre, l&#39;utilisation des batteries au lithium-ion sur mesure

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.

Utilisation de rayonnement synchrotron Microtomographie d&#39;enquêter sur Multi-échelle Forfaits microélectroniques en trois dimensions

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.

Recombinaison Dynamics photovoltaïques en couches minces de matériaux par résolution temporelle Micro-ondes Conductivity

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.

Electrospinification d&#39;électrodes photocatalytiques pour cellules solaires sensibilisées aux colorants

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.

RheoSANS - Interrogation simultanée Dielectric d&#39;impédance, Rhéologie et petit angle de diffusion neutronique des fluides complexes

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.

Anodizations multi-surfaces simultanées et détachement d’escalier comme biais inverse d’oxydes d’aluminium anodique en acide sulfurique et d’acide oxalique électrolyte

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.

Méthodes expérimentales de Spin - et Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy combiné avec 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 ...