מוליכות כמותית במקביל ומדידת תכונות מכאנית של חומרים אורגניים באמצעות Photovoltaic AFM

Summary

פוטו חומרים אורגניים (OPV) הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרי OPV משפיעים על ביצועים של התקני פוטו. במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול למדידות כמותיות של תכונות חשמליות ומכאניות של חומרי OPV עם רזולוצית ננומטר תת-100.

Abstract

פוטו חומרים אורגניים (OPV) הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרי OPV משפיעים על ביצועים של התקני פוטו. לכן, הבנה של וריאציות מרחביים בהרכב, כמו גם תכונות חשמליות של חומרי OPV הוא בעלת חשיבות עליונה להעברת טכנולוגיית PV קדימה. ^1,2 במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול למדידות כמותיות של תכונות חשמליות ומכאניות של חומרי OPV עם תת רזולוצית -100 ננומטר. נכון לעכשיו, חומרי מדידות נכסים שבוצעו תוך שימוש בטכניקות זמינות מסחרי AFM מבוססים (PeakForce, AFM מוליך) לספק מידע איכותי באופן כללי בלבד. את הערכים של התנגדות, כמו גם מודול של יאנג נמדד באמצעות השיטה שלנו על איטו אבטיפוס / PEDOT: PSS/P3HT: ₆₁ מערכות מחשב BM מתאימים היטב עם נתונים בספרות. P3HT: מחשב תערובת ₆₁ BM מפריד על גבי מחשב ₆₁ BM-עשירה וP3HT עשיר domains. תכונות מכאניות של המחשב ₆₁ תחומי BM-עשירים וP3HT עשירים שונות, המאפשרות לייחוס תחום על פני השטח של הסרט. חשוב מכך, שילוב של נתונים מכאניים וחשמליים מאפשר למתאם של מבנה התחום על פני השטח של סרט עם וריאצית תכונות חשמליות נמדדה באמצעות העובי של הסרט.

Introduction

פריצות הדרך אחרונות בתחום יעילות המרת כוח (PCE) של פוטו האורגני (OPV) תאים (דוחף 10% ברמת התא) ³ בתיאום עם עמידה בתהליכי ייצור תפוקה גבוהה ועלות נמוכה ⁴ הביאו אור זרקורים אל הטכנולוגיה כOPV פתרון אפשרי לאתגר של ייצור זול של תאים סולריים שטח גדול. חומרי OPV הם מטבע הומוגניות בקנה המידה ננומטרי. אי הומגניות ננומטרי של חומרים וביצועים של התקני פוטו OPV מחוברים בצורה אינטימית. לפיכך, אי הומגניות הבנה בהרכב, כמו גם תכונות חשמליות של חומרי OPV הם בעלת חשיבות עליונה להעברת טכנולוגית OPV קדימה. מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) פותח ככלי למדידות ברזולוציה הגבוהה של טופוגרפית משטח מאז 1986. ⁵ כיום, טכניקות לתכונות חומרים (מודולוס של יאנג, פונקצית עבודה ^{6-10, 11} ההתנהגותלקוחים, ¹² אלקטרומכניקה, ^13-15 וכו ') מדידות מושכות תשומת לב גובר. במקרה של חומרי OPV, מתאם של רכב שלב מקומי ותכונות חשמליות טומן בחובו הבטחה לגילוי הבנה טובה יותר של הפעולה הפנימית של תאים סולאריים אורגניים. ^{1, 16-17} טכניקות AFM מבוססים מסוגלות לשלב ברזולוציה גבוהה, כמו גם ייחוס ⁸ כתכונות חשמליות מיפוי בחומרים פולימריים. לכן, באופן עקרוני, המתאם של הרכב פולימר שלב (באמצעות מדידות מכאניות) ¹⁸ ותכונות חשמליות אפשרי באמצעות טכניקות AFM מבוססים. טכניקות AFM מבוססים רבות על מדידות של תכונות מכאניות וחשמליות של חומרים להשתמש בהנחה של שטח מתמיד של קשר בין חללית AFM ופני השטח. הנחה זו לעתים קרובות נכשלת, שתוצאת המתאם חזק בין טופוגרפית משטח ותכונות מכאניות / חשמל. לאחרונה, AFM טכניקה חדשה, המבוסס עלמדידות תפוקה גבוהה של תכונות מכאניות (PeakForce) ¹⁹ הוצגו. טונת PeakForce (וריאציה של שיטת PeakForce) מספקת פלטפורמה למדידות מקבילות של תכונות מכאניות וחשמליות של המדגם. עם זאת, שיטת טונת PeakForce מייצרת מפות קניין מכאניות וחשמליות, אשר בדרך כלל מתואמות חזק בגלל שונות בלתי מוסברות של מגע במהלך מדידות. במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול ניסוי, להסרת מתאמים שונים הקשורים לרדיוס מגע תוך שמירה על מדידות מדויקות של התכונות המכאניות וחשמליות באמצעות AFM. יישום תוצאות הפרוטוקול במדידות כמותיות של התנגדות "חומרים ומודולוס של יאנג.

Protocol

1. אות רכישה

1. התקן מדגם (תאים סולריים פולימר ללא קתודה (איטו / PEDOT: PSS/P3HT: המחשב ₆₁ BM)) לתוך AFM Multimode מסחרי (Veeco, סנט ברברה, קליפורניה) המצויד בבקר Nanoscope-V.
2. התקן AFM חללית מוליך לבעל Multimode AFM חללית.
3. צור קשר חשמלי בין AFM הבדיקה, הדגימה ומקור מתח.
4. פלט תוואי נוכחי מגבר (אות הנוכחית), פלט הסטייה AFM Multimode (אות כוח), פלט Multimode AFM מדגם גובה (אות מרחק) לרכישת כרטיס דיגיטלי (DAQ NI-PCI-6115). רווח FEMTO DLPCA-200 מגבר נוכחי הוא 1 Na / V ברוחב פס kHz 50.
5. החל הטית 6V בין AFM חללית והאלקטרודה איטו.
6. הפעל AFM Multimode במצב PeakForceTM איסוף אות טופוגרפיה: נקודה להגדיר כוח שיא של 30 NN, משרעת תנודת תמיכה של 300 ננומטר, תדר תנודת תמיכה של 2 קילוהרץ, קצב סריקה של רץ 1, וresolutiעל של 512 על ידי 512 פיקסלים.
7. איסוף אותות המפורטים בסעיף ד 'על ידי שליטת LabVIEW / MATLAB במקביל לרכישת אות טופוגרפיה (ה שלב).

2. נתוני שלב ניתוח 1: דור של כוח המשיכה-off, נוקשות קשר, ומפות נוכחיות

1. לקרוא את האותות הנוכחיים, כוח ומרחק זמן מבויל לMATLAB.
2. צור 2000 כוח - מרחק, וכוח - עקומות נוכחיות לשורת הסריקה הראשונה. מספר העיקולים הוא פונקציה של תדירות תנודת תמיכה וקצב סריקה.
3. מכל כוח - עקומת מרחק, לקבוע קשר נוקשות ולמשוך את הכח במהלך הנסיגה של AFM הבדיקה (איור 1).
4. מכל כוח - עקום נוכחי, לקבוע את הזרם הממוצע בזמן בדיקת AFM נמצאת במגע עם פני השטח במהלך הנסיגה (איור 1).
5. לשרבב 2000 נוקשות שווות רווח קשר, משיכה-off-כוח, ונקודות נוכחיות של 512 נקודות כדי להתאים רזולוציהtion של אות טופוגרפיה. קו הסריקה הראשונה לנוקשות קשר, משיכה-off-כוח, ומפות נוכחיות נעשה.
6. צור קשר עם קשיחות, משיכה-off-כוח, ומפות נוכחיות על ידי חזרה על שלבי b באמצעות דואר 512 פעמים. תוצאות מוצגות באיור 2.

3. שלב ניתוח נתונים 2: ביעור החפצים לתקשר באזור

1. השתמש במשוואה (1) ו (2) להשיג מודולוס של יאנג (E _חומר) והתנגדות (ρ) של חומר בכל נקודה של הסריקה: ²⁰
   
   באמצעות F = F _{ADH PULL} - 8 NN (הידבקות עקב מניסקוס מים בין AFM והמשטח), נוקשות קשר ²⁰ (יא), ונוכחי (אני) מפות; מתח חיטוט (V), עובי סרט (L), ו הדבקהאנרגיה (w = γ _בדיקה + γ L _אטרייה - γ _בדיקה - _חומר, שבו γ _בדיקה - אנרגית שטח של חומר חקירה, γ _חומר - אנרגית פני שטח של חומר מדגם, וγ _{בדיקת חומר} - אנרגית interfacial של חומר מדגם וחומר בדיקה) . ²⁰

תוצאות

מודולוס של יאנג והתנגדות המפות (איור 3) תוצאות טיפוסיות נוכחיות של המדידות שתוארו לעיל. תכונות מכאניות וחשמליות של איטו / PEDOT: PSS/P3HT: ₆₁ מחסנית מחשב BM נמדדו בשלילי (-10 V) וחיובי (+6 V) עם מתח לבדיקת AFM. ממצאי הדמיה, הקשורים לאינטראקציה אלקטרוסטטית בין AFM הבדיקה ו?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
שם מגיב / חומרים	חברה	מספר קטלוגים	תגובות
דיו Plextronics	Plexcore	PV 1000
מצעי זכוכית איטו מצופים	טכנולוגיות דלתא, Inc		25 אוהם / מ"ר
30 MHz מסונתז הגנרטור פונקציה	Stanfor מערכות מחקר	DS345
מגבר נוכחי	FEMTO	DLPCA-200
AFM multimode	Veeco, סנט ברברה, קליפורניה		מצויד בNanoscope-V בקר
DAQ כרטיס	מכשירים הלאומיים	NI-PCI-6115
בדיקות מתכת Pt	RMNano	12Pt3008
MATLAB תוכנה	Mathworks
LabVIEW תוכנה	מכשירים הלאומיים