Name: concurrent quantitative conductivity and mechanical properties measurements of organic photovoltaic materials using afm
Uploaded: 2013-01-23T13:00:00
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MPN es agradecido al Programa de Becas del Director por el apoyo financiero. NMP quiere agradecer Yu-Chih Tseng para ayudar con el desarrollo del protocolo para el procesamiento de células solares. Este trabajo se realizó en el Centro de Materiales a Nanoescala, un Departamento de Energía de EE.UU., Oficina de Ciencia, Oficina del Fondo para el usuario Ciencias Básicas de Energía en virtud del Contrato N º DE-AC02-06CH11357.

1. Señal de adquisición <ol class="lalpha"><li> Instale la muestra (células solares de polímeros sin cátodo (ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 BM)) en un comercial de AFM multimodo (Veeco, Santa Barbara, CA) equipado con Nanoscope-V controlador. </li><li> Instale conductor sonda AFM AFM en multimodo soporte de la sonda. </li><li> Crear conexión eléctrica entre la sonda AFM, muestra y fuente de tensión. </li><li> Ruta de salida del amplificador de corriente (señal de intensidad), la salida multimodo desv...

<ol>
	<li>Chen, W., Nikiforov, M. P., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphology+characterization+in+organic+and+hybrid+solar+cells.">Morphology characterization in organic and hybrid solar cells.</a> Energy Environ. Sci. , (2012).</li><li>Dupont, S. R., Oliver, M., Krebs, F. C., Dauskardt, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interlayer+adhesion+in+roll-to-roll+processed+flexible+inverted+polymer+solar+cells.">Interlayer adhesion in roll-to-roll processed flexible inverted polymer solar cells.</a> Sol. Energy. 97, 171-175 (2012).</li><li>Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solar+cell+efficiency+tables+(version+39).">Solar cell efficiency tables (version 39).</a> Progress in Photovoltaics. 20 (1), 12-20 (2012).</li><li>Krebs, F. C., Gevorgyan, S. A., Alstrup, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+roll-to-roll+process+to+flexible+polymer+solar+cells:+model+studies,+manufacture+and+operational+stability+studies.">A roll-to-roll process to flexible polymer solar cells: model studies, manufacture and operational stability studies.</a> Journal of Materials Chemistry. 19 (30), 5442-5451 (2009).</li><li>Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+Force+Microscope.">Atomic Force Microscope.</a> Physical Review Letters. 56 (9), 930-933 (1986).</li><li>Hurley, D. C., Kopycinska-Muller, M., Kos, A. B., Geiss, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+elastic-property+measurements+and+mapping+using+atomic+force+acoustic+microscopy+methods.">Nanoscale elastic-property measurements and mapping using atomic force acoustic microscopy methods.</a> Measurement Science &amp; Technology. 16 (11), 2167-2172 (2005).</li><li>Jesse, S., Nikiforov, M. P., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+thermomechanical+characterization+of+phase+transitions+using+band+excitation+atomic+force+acoustic+microscopy+with+heated+probe.">Local thermomechanical characterization of phase transitions using band excitation atomic force acoustic microscopy with heated probe.</a> Applied Physics Letters. 93 (7), (2008).</li><li>Nikiforov, M. P., Gam, S., Jesse, S., Composto, R. J., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphology+Mapping+of+Phase-Separated+Polymer+Films+Using+Nanothermal+Analysis.">Morphology Mapping of Phase-Separated Polymer Films Using Nanothermal Analysis.</a> Macromolecules. 43 (16), 6724-6730 (2010).</li><li>Nikiforov, M. P., Jesse, S., Morozovska, A. N., Eliseev, E. A., Germinario, L. T., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+temperature+dependence+of+the+mechanical+properties+of+polymers+at+the+nanoscale+with+band+excitation+thermal+scanning+probe+microscopy.">Probing the temperature dependence of the mechanical properties of polymers at the nanoscale with band excitation thermal scanning probe microscopy.</a> Nanotechnology. 20 (39), (2009).</li><li>Rabe, U., Amelio, S., Kopycinska, M., Hirsekorn, S., Kempf, M., Goken, M., Arnold, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+and+measurement+of+local+mechanical+material+properties+by+atomic+force+acoustic+microscopy.">Imaging and measurement of local mechanical material properties by atomic force acoustic microscopy.</a> Surface and Interface Analysis. 33 (2), 65-70 (2002).</li><li>Nikiforov, M. P., Zerweck, U., Milde, P., Loppacher, C., Park, T. -. H., Uyeda, H. T., Therien, M. J., Eng, L., Bonnell, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+molecular+orientation+on+the+potential+of+porphyrin-metal+contacts.">The effect of molecular orientation on the potential of porphyrin-metal contacts.</a> Nano Letters. 8 (1), 110-113 (2008).</li><li>Nikiforov, M. N., Brukman, M. J., Bonnell, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+characterization+of+defects+in+oxide+thin+films.">High-resolution characterization of defects in oxide thin films.</a> Applied Physics Letters. 93 (18), (2008).</li><li>Kalinin, S. V., Karapetian, E., Kachanov, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoelectromechanics+of+piezoresponse+force+microscopy.">Nanoelectromechanics of piezoresponse force microscopy.</a> Physical Review B. 70 (18), (2004).</li><li>Kolosov, O., Gruverman, A., Hatano, J., Takahashi, K., Tokumoto, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+Visualization+and+Control+of+Ferroelectric+Domains+by+Atomic-Force+Microscopy.">Nanoscale Visualization and Control of Ferroelectric Domains by Atomic-Force Microscopy.</a> Physical Review Letters. 74 (21), 4309-4312 (1995).</li><li>Nikiforov, M. P., Thompson, G. L., Reukov, V. V., Jesse, S., Guo, S., Rodriguez, B. J., Seal, K., Vertegel, A. A., Kalinin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Double-Layer+Mediated+Electromechanical+Response+of+Amyloid+Fibrils+in+Liquid+Environment.">Double-Layer Mediated Electromechanical Response of Amyloid Fibrils in Liquid Environment.</a> Acs Nano. 4 (2), 689-698 (2010).</li><li>Botiz, I., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optoelectronics+using+block+copolymers.">Optoelectronics using block copolymers.</a> Materials Today. 13 (5), 42-51 (2010).</li><li>Brabec, C. J., Heeney, M., McCulloch, I., Nelson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+blend+microstructure+on+bulk+heterojunction+organic+photovoltaic+performance.">Influence of blend microstructure on bulk heterojunction organic photovoltaic performance.</a> Chemical Society Reviews. 40 (3), 1185-1199 (2011).</li><li>Karagiannidis, P. G., Kassavetis, S., Pitsalidis, C., Logothetidis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+annealing+effect+on+the+nanomechanical+properties+and+structure+of+P3HT:+PCBM+thin+films.">Thermal annealing effect on the nanomechanical properties and structure of P3HT: PCBM thin films.</a> Thin Solid Films. 519 (12), 4105-4109 (2011).</li><li>Sweers, K., vander Werf, K., Bennink, M., Subramaniam, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanomechanical+properties+of+alpha-synuclein+amyloid+fibrils:+a+comparative+study+by+nanoindentation,+harmonic+force+microscopy,+and+Peakforce+QNM.">Nanomechanical properties of alpha-synuclein amyloid fibrils: a comparative study by nanoindentation, harmonic force microscopy, and Peakforce QNM.</a> Nanoscale Research Letters. 6, (2011).</li><li>Nikiforov, M. P., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+conductive+atomic+force+microscopy+measurements+on+organic+photovoltaic+materials+via+mitigation+of+contact+area+uncertainty.">Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).</li><li>Li, H. -. C., Rao, K. K., Jeng, J. -. Y., Hsiao, Y. -. J., Guo, T. -. F., Jeng, Y. -. R., Wen, T. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-scale+mechanical+properties+of+polymer/fullerene+bulk+hetero-junction+films+and+their+influence+on+photovoltaic+cells.">Nano-scale mechanical properties of polymer/fullerene bulk hetero-junction films and their influence on photovoltaic cells.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 95 (11), 2976-2980 (2011).</li><li>Mueller, C., Goffri, S., Breiby, D. W., Andreasen, J. W., Chanzy, H. D., Janssen, R. A. J., Nielsen, M. M., Radano, C. P., Sirringhaus, H., Smith, P., Stingelin-Stutzmann, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tough,+semiconducting+polyethylene-poly(3-hexylthiophene)+diblock+copolymers.">Tough, semiconducting polyethylene-poly(3-hexylthiophene) diblock copolymers.</a> Advanced Functional Materials. 17 (15), 2674-2679 (2007).</li><li>Kuila, B. K., Nandi, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical,+mechanical,+and+conductivity+properties+of+poly(3-hexylthiophene)-montmorillonite+clay+nanocomposites+produced+by+the+solvent+casting+method.">Physical, mechanical, and conductivity properties of poly(3-hexylthiophene)-montmorillonite clay nanocomposites produced by the solvent casting method.</a> Macromolecules. 37 (23), 8577-8584 (2004).</li><li>O'Connor, B., Chan, E. P., Chan, C., Conrad, B. R., Richter, L. J., Kline, R. J., Heeney, M., McCulloch, I., Soles, C. L., DeLongchamp, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlations+between+Mechanical+and+Electrical+Properties+of+Polythiophenes.">Correlations between Mechanical and Electrical Properties of Polythiophenes.</a> Acs Nano. 4 (12), 7538-7544 (2010).</li><li>Tahk, D., Lee, H. H., Khang, D. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elastic+Moduli+of+Organic+Electronic+Materials+by+the+Buckling+Method.">Elastic Moduli of Organic Electronic Materials by the Buckling Method.</a> Macromolecules. 42 (18), 7079-7083 (2009).</li><li>Kuila, B. K., Nandi, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+hierarchy+in+melt-processed+poly(3-hexyl+thiophene)-montmorillonite+clay+nanocomposites:+Novel+physical,+mechanical,+optical,+and+conductivity+properties.">Structural hierarchy in melt-processed poly(3-hexyl thiophene)-montmorillonite clay nanocomposites: Novel physical, mechanical, optical, and conductivity properties.</a> Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1621-1631 (2006).</li><li>Nikiforov, M. P., Darling, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+conductive+atomic+force+microscopy+measurements+on+organic+photovoltaic+materials+via+mitigation+of+contact+area+uncertainty.">Improved conductive atomic force microscopy measurements on organic photovoltaic materials via mitigation of contact area uncertainty.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. , (2012).</li><li>Kim, J. Y., Frisbie, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlation+of+Phase+Behavior+and+Charge+Transport+in+Conjugated+Polymer/Fullerene+Blends.">Correlation of Phase Behavior and Charge Transport in Conjugated Polymer/Fullerene Blends.</a> Journal of Physical Chemistry C. 112 (45), 17726-17736 (2008).</li><li>Bange, S., Kuksov, A., Neher, D., Vollmer, A., Koch, N., Ludemann, A., Heun, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulphonate)+as+a+hole+injection+layer+in+a+blue-emitting+polymer+light-emitting+diode.">The role of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulphonate) as a hole injection layer in a blue-emitting polymer light-emitting diode.</a> Journal of Applied Physics. 104 (10), (2008).</li></ol>

Los recientes avances en la eficiencia de conversión de energía (PCE) de la fotovoltaica orgánica (OPV) células (empujando un 10% a nivel celular) 3 de común acuerdo con el cumplimiento de los procesos de fabricación de alto rendimiento y bajo costo-4 han puesto de relieve en la tecnología de la VPO como posible solución para el desafío de la fabricación económica de gran superficie de células solares. Materiales OPV son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de los materiales a nanoescala OPV y el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos están íntimamente conectados. Por lo tanto, la falta de homogeneidad en la composición de la comprensión, así como las propiedades eléctricas de los materiales de la OPV es de suma importancia para mover hacia delante la tecnología OPV. Microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha desarrollado como una herramienta para mediciones de alta resolución de la topografía de la superficie desde 1986. 5 En la actualidad, las técnicas de propiedades de los materiales (módulo de Young, 6-10 función de trabajo, 11 conductamediciones ividad, 12 electromecánica, 13-15, etc) están atrayendo cada vez más atención. En el caso de materiales de la OPV, la correlación de la composición de fase local y propiedades eléctricas es una promesa para revelar una mejor comprensión de los mecanismos internos de las células solares orgánicas. 1, 16-17 AFM basados ​​en técnicas son capaces de alta resolución de fase de atribución 8, así como las propiedades eléctricas de cartografía en materiales poliméricos. Así, en principio, la correlación de la composición de fase de polímero (a través de mediciones mecánicas) 18 y las propiedades eléctricas es posible utilizando técnicas basadas en AFM. Muchos AFM basados ​​en técnicas para mediciones de las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales de utilizar el supuesto de área constante de contacto entre la sonda AFM y la superficie. Esta suposición falla a menudo, lo que resulta en una fuerte correlación entre topografía de la superficie y las propiedades mecánicas / eléctricas. Recientemente, un nuevo AFM basado en la técnica parade alto rendimiento de las mediciones de propiedades mecánicas (PeakForce) 19 fue introducido. TUNA PeakForce (variación del método PeakForce) proporciona una plataforma para mediciones simultáneas de propiedades mecánicas y eléctricas de la muestra. Sin embargo, el método TUNA PeakForce produce mapas de propiedades mecánicas y eléctricas, que por lo general están fuertemente correlacionados debido a la variabilidad no contabilizada de contacto durante las mediciones. En este trabajo, presentamos un protocolo experimental para la eliminación de las correlaciones asociadas con diferentes radio de contacto, manteniendo las medidas exactas de las propiedades mecánicas y eléctricas usando AFM. Aplicación de los resultados del protocolo en las mediciones cuantitativas de la resistencia de los materiales &#39;y módulo de Young.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nombre del reactivo / material </td><td> Empresa </td><td> Número de Catálogo </td><td> Comentarios </td></tr><tr><td> Plextronics tintas </td><td> Plexcore </td><td> PV 1000 </td><td></td></tr><tr><td> ITO recubiertos con sustratos de vidrio </td><td> Delta Technologies, Inc </td><td></td><td> 25 Ohms / sq </td></tr><tr><td> 30 MHz sintetizado generador de funciones </td><td> Stanfor Investigación de Sistemas </td><td> DS345 </td><td></td></tr><tr><td> Amplificador de intensidad </td><td> Femto </td><td> DLPCA-200 </td><td></td></tr><tr><td> Multimodo AFM </td><td> Veeco, Santa Barbara, CA </td><td></td><td> equipado con un controlador Nanoscope-V </td></tr><tr><td> DAQ tarjeta </td><td> National Instruments </td><td> NI PCI-6115 </td><td></td></tr><tr><td> Pt metálico sondas </td><td> RMNano </td><td> 12Pt3008 </td><td></td></tr><tr><td> MATLAB software </td><td> Mathworks </td><td></td><td></td></tr><tr><td> LabView software </td><td> National Instruments </td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

concurrent quantitative conductivity and mechanical properties measurements of organic photovoltaic materials using afm

Fotovoltaicos orgánicos (OPV) materiales son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de escala nanométrica de materiales OPV afecta al rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. Por lo tanto, la comprensión de las variaciones espaciales en la composición, así como las propiedades eléctricas de los materiales de la OPV es de suma importancia para mover hacia delante la tecnología fotovoltaica. 1,2 En este artículo, se describe un protocolo para mediciones cuantitativas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales de la OPV con sub -100 nm resolución. En la actualidad, propiedades de los materiales mediciones realizadas utilizando comercialmente disponibles basados ​​en técnicas de AFM (PeakForce, conductora AFM) por lo general sólo proporcionan información cualitativa. Los valores de la resistencia así como el módulo de Young medido utilizando nuestro método en el prototipo de ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 del sistema BM corresponden bien con datos de la literatura. El P3HT: PC 61 BM mezcla se separa en el PC 61 y BM-rico-rico P3HT Domains. Las propiedades mecánicas de PC 61 dominios ricos y BM-P3HT ricos son diferentes, lo que permite la atribución de dominio en la superficie de la película. Es importante destacar que, combinando los datos mecánicos y eléctricos permite la correlación de la estructura del dominio en la superficie de la película con la variación de propiedades eléctricas medidas a través del espesor de la película.

Módulo de Young y mapas de resistividad (Figura 3) presentan resultados típicos de las mediciones descritas anteriormente. Las propiedades mecánicas y eléctricas de la ITO / PEDOT: PSS/P3HT: PC 61 pila BM se midieron a negativo (-10 V) y positivo (+6 V) tensiones aplicadas a la sonda AFM. Artefactos de imagen, asociados a la interacción electrostática entre la sonda de AFM y la muestra, son un problema común para las mediciones cuantitativas de las propiedades funcionales utilizando AF...

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

Fotovoltaicos orgánicos (OPV) materiales son inherentemente no homogénea a escala nanométrica. Falta de homogeneidad de escala nanométrica de materiales OPV afecta al rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. En este trabajo se describe un protocolo para las mediciones cuantitativas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales de la OPV con resolución sub-100 nm.

Conductividad concurrente cuantitativa y Medidas propiedades mecánicas de los materiales fotovoltaicos orgánicos utilizando AFM

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

Research

JoVE Journal

Engineering

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