امروزه روش ميكروسكوپي نيروي اتمي هدايت نوري، روش شناخته شده، مؤثر و كاربردي براي مطالعه هم‌زمان مورفولوژی مواد در مقياس نانو، بررسي خواص سطح و ابزاري مناسب براي به تصوير كشيدن ارتباط بين چگونگی عملكرد، خواص و ساختار است. این روش همانند دیگر روش‌های ميكروسكوپي نيروي اتمي دستگاهوری ویژه‌ای دارد. استفاده از یک منبع تابش و یک میکروسکوپ معکوس شده، این روش را از ساير روش‌هاي ميكروسكوپي پروبي روبشي متمایز نموده است. روش ميكروسكوپي نيروي اتمي هدايت نوري در بررسی نقل و انتقالات حفره – الکترون در سلول‌های فتوولتاییک و سلول‌های خورشیدی آلی استفاده می‌شود. البته اين روشی نو و نيازمند تحقيق و توسعه بيشتر است.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- تئوري و اصول اوليه روش PC-AFM
2- تئوري و اصول اوليه روش PC-AFM
3- حلقه بازخورد
4- منبع تابش
5- آماده‌سازی نمونه
6- اساس و روش كار
7- كاربردها
8- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
9-نتیجه‌گیری
4- منبع تابش
5- آماده‌سازی نمونه
6- اساس و روش كار
7- كاربردها
8- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
9-نتیجه‌گیری
1- مقدمه
هنري بكرل در سال 1839، نتايج تحقيقات خود را درباره اثر فتوولتایيك منتشر ساخت. بكرل زماني كه الكترودهاي پلاتين در محلول آبي نقره كلريد و يا نقره برميد، غوطه‌ور بودند، توليد جريان فتوني را بررسي نمود. در اوايل قرن بيستم، پوچتينو و ولمر تركيب آبي آنتراسن را كه داراي خاصيت هدايت نوري است، مطالعه كردند و در اوايل سال‌هاي 1960، مطالعه رنگ‌هاي آلي مانند متيلن بلو زماني آغاز شد که خاصيت فتوولتایيك در اين رنگ‌ها مشاهده شد. با افزايش تقاضا براي استفاده از سلول‌هاي خورشيدي، مطالعات روي اين منابع ارزان و پاك انرژي افزايش يافت. به همين منظور، مطالعه سلول‌هاي خورشيدي، با هدف كاهش وابستگي به سوخت‌هاي فسيلي و گازهاي گلخانه‌اي SOX و NOX و CO2، افزايش يافت [1].
براي درك بهتر سازوكار اثر مورفولوژي بر انتقال و توليد بار در مقياس نانو، به دستگاه‌ها و ابزار قدرتمند با قابليت تصويربرداری مناسب نياز است. پژوهشگران از روش‌هاي متعددي از جمله روش ميكروسكوپ نيروي اتمي هدايتي براي اين منظور استفاده کرده‌اند اما اين روش قادر به ارائه اطلاعات، در مورد توزيع جريان‌هاي فتوني در لايههاي نازك آلي نیست. روش میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی – نوری قادر به نشان دادن نقشه توزيع جريان فتوني با توان تفكيك تقريبي 20nm است [2و3].
از ديگر ویژگی‌های برتر روش PC-AFM، جمع‌آوري اطلاعات از مقايسه جريان بين سوزن و نمونه با عوامل متفاوتي نظير طول موج ليزر، ولتاژ اعمال شده و شدت نور است. همچنين روش میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی به‌عنوان يك روش مناسب براي تشخيص اكسيداسيون سطحي موضعي با توان تفكيك عمودي 80nm است [4].
با استفاده از روش PC-AFM، امكان مطالعه فتوفيزيك‌ها در مقياس نانو با تغيير شدت نور ليزر نیز (شكل 1) فراهم مي‌شود [2].
براي درك بهتر سازوكار اثر مورفولوژي بر انتقال و توليد بار در مقياس نانو، به دستگاه‌ها و ابزار قدرتمند با قابليت تصويربرداری مناسب نياز است. پژوهشگران از روش‌هاي متعددي از جمله روش ميكروسكوپ نيروي اتمي هدايتي براي اين منظور استفاده کرده‌اند اما اين روش قادر به ارائه اطلاعات، در مورد توزيع جريان‌هاي فتوني در لايههاي نازك آلي نیست. روش میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی – نوری قادر به نشان دادن نقشه توزيع جريان فتوني با توان تفكيك تقريبي 20nm است [2و3].
از ديگر ویژگی‌های برتر روش PC-AFM، جمع‌آوري اطلاعات از مقايسه جريان بين سوزن و نمونه با عوامل متفاوتي نظير طول موج ليزر، ولتاژ اعمال شده و شدت نور است. همچنين روش میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی به‌عنوان يك روش مناسب براي تشخيص اكسيداسيون سطحي موضعي با توان تفكيك عمودي 80nm است [4].
با استفاده از روش PC-AFM، امكان مطالعه فتوفيزيك‌ها در مقياس نانو با تغيير شدت نور ليزر نیز (شكل 1) فراهم مي‌شود [2].
2- تئوري و اصول اوليه روش PC-AFM
روش PC-AFM، براساس اصول اوليه ميكروسكوپي نيروي اتمي AFM طراحی شده‌است كه با استفاده از روبش سطح نمونه با سوزن فلزي تيز و پردازش اطلاعات حاصل از حركت پروب روي سطح نمونه و انحراف پرتو ليزر، بررسي كمي و کیفی سطح مواد ميسر می‌شود.
در روش PC-AFM، جريان در فضاي كوچك بين سوزن و سطح نمونه اندازه‌گيري مي‌شود. اين اندازه‌گيري كمي، تابع وابستگی جریان موجود در لایه‌های نازک نمونه است (رابطه 1).
در روش PC-AFM، جريان در فضاي كوچك بين سوزن و سطح نمونه اندازه‌گيري مي‌شود. اين اندازه‌گيري كمي، تابع وابستگی جریان موجود در لایه‌های نازک نمونه است (رابطه 1).
رابطه (1): 
در اين رابطه، Aeff مساحت سطح نشر مؤثر در الكترود، q بار الكترون، h ثابت پلانك، 0/5 = meff/mo كه‌جرم مؤثر يك الكترون در نوار هدايت نمونه است، d ضخامت نمونه و f ارتفاع ديواره است. نماد B نشان‌دهنده عامل افزايش دهنده ميدان براي نمونه‌هاي غيرمسطح و اثر شكل هندسي سوزن مورد استفاده است [5].
با اعمال ولتاژ به دو سر الكترود متصل به روبشگر، لوله منبسط و يا منقبض شده و باعث حركت سوزن مي‌شود. ابتدا لوله پيزو در زاويه θ قرار مي‌گيرد. همان‌طور كه سوزن در راستاي X و Y جابجا مي‌شود و ولتاژ به داخل لوله پيزو اعمال شود، جابجايي در راستاي Z نيز امكان‌پذير مي‌شود. اين فرضيه زماني صادق است كه سوزن كاملا متقارن باشد، هيچ ولتاژي به لوله پيزو اعمال نشده و نمونه و زيرپايه كاملا متقارن و بدون حركت قرار گرفته باشند. هنگامي كه ولتاژ به ديواره خارجي لوله پيزو (در جهت x و y) اعمال شود، انبساط لوله به‌صورت كماني در نظر گرفته مي‌شود. در رابطه (2) و (3) كه توضيحي براي شكل هندسي خمشي لوله پيزو است، مولفه r نشان‌دهنده شعاع خارجي لوله پيزو، R شعاع خميدگي لوله با ولتاژ اعمال شده، q زاويه خمشي لوله، L طول اوليه لوله و ΔL ميزان افزايش طول لوله بعد از اعمال ولتاژ است. تغيير طول لوله پيزو ΔL، وابسته به شدت ميدان الكتريكي اعمال شده به ديواره خارجي لوله، ولتاژ اعمال شده در جهت محور X، (UX) و ضخامت ديواره لوله است.
رابطه (2) L-∆L=(R-r)θ
رابطه (3) L-∆L=(R+r)θ
رابطه (3) L-∆L=(R+r)θ
رابطه (4)، بیانگر وابستگی مولفه‌های جابجایی طولی به ميدان الكتريكي خارجي است و رابطه (5)، نشان‌دهنده جابجايي لوله است.
با محاسبه q، جابجايي پروب در راستاي X و Z به طريق زير محاسبه مي‌شود (رابطه 6 و 7):
رابطه (6) dX=(R+X)(1-cosθ)+(DSS+D)UX
رابطه (7) (dZ=(R+X)(sinθ-L)+(DSS+DSP)(cosθ-1
رابطه (7) (dZ=(R+X)(sinθ-L)+(DSS+DSP)(cosθ-1
3- حلقه بازخورد
حلقه بازخورد، يكي از اصلي‌ترين اجزاء در تنظيمات AFM است و در روش PC-AFM در حالت غيرتماسي نقش بسيار با ارزشي را ايفا مي‌كند. در حالت غيرتماسي، سوزن هيچ‌گونه تماسي با سطح نمونه پيدا نمي‌كند و تيرك با رزونانس مشخص نوسان مي‌کند. عدم يكنواختي توپوگرافي سطح، باعث مي‌شود كه براي جلوگيري از برخورد سوزن با سطح نمونه، حلقه بازخورد دامنه فركانس و جهت حرکت نوسان تيرك را تغيير دهد [5].
4- منبع تابش
يكي از اصلي‌ترين تغييراتي كه در روش ميكروسكوپي نيروي اتمي هدايت نوري وجود دارد، استفاده از منبع تابش و يك ميكروسكوپ معكوس شده‌است كه پرتو ليزر را به‌طور مستقيم به قسمت زيرين سوزن متمركز مي‌كند. از يك منبع نوري تك رنگ كوچك و يك فيلتر ليزر استفاده مي‌شود تا تصاويري از جريان فتوني با بزرگنمایی عمودي در محدوده PA 100-0 تهيه شود [6و7]. زماني‌كه PC-AFM به يك منبع نوري قابل تنظيم تك رنگ مجهز شود، امكان بررسي مورفولوژي‌هاي پيچيده و ايجاد جريان فتوني در تصوير را فراهم مي‌كند [8]. شكل (2) نمايي از اساس كار اين روش را نشان مي‌دهد.
يكي از پرمصرف‌ترين تنظيمات دستگاهي در روش PC-AFM، استفاده از يك منبع نور نشري در ناحیه مرئی به همراه یک لایه نیمه‌رسانا از جنس اينديم قلع اكسيد به‌عنوان کاتد است. در این روش، از پروب‌های سیلیکونی پوشش داده شده با طلا به‌عنوان آند استفاده می‌شود. اين الكترود كه خود بار نسبتا كوچكي را حمل مي‌كند، می‌تواند حفره‌هايي در مقياس نانو درون نمونه ایجاد کند و به اين ترتيب، اين دو الكترود قادر خواهند بود تغييرات نسبتا كوچك هدايت كه به جريان ابتدا تا انتهاي الكترود مربوط است را شناسایی کنند. در اين حالت، شدت ليزري در محدوده108-10 w/m2 به‌وجود مي‌آيد و اندازه نقطه ليزر، زير ميكرون است (شكل 3).
5- آماده‌سازی نمونه
هنگام انجام مطالعات با میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی – نوری، آماده‌سازی نمونه‌هاي فتوولتایی آلی از اهمیت بالايي برخوردار است. توصیه می‌شود كه درآماده‌سازی نمونه، زيرلايه رسانا و شفاف نسبت به منبع نوری تحت تابش استفاده شود. در مطالعات متعدد، از شیشه پوشش داده شده با ITO به‌عنوان زيرپايه رسانا استفاده شده‌است [9]. پلی (3،4-اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن) پلی (استیرن‌سولفونات)، (PSS:PEDOT)، لایه پلیمری رسانا و شفاف است که معمولاً بین ITO و لایه فعال فتوولتایی آلی قرار داده می‌شود. پلی (3،4- اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن) پلی (استیرن‌سولفونات) یک پلیمر رسانا است که با چندین بار شارژ اعمال شده، پایدار شده‌است. در بیشتر مطالعات، بعد از تمیز کردن ITO با پلاسما، این پلیمر به‌طور مستقیم روی زيرپايه‌هاي شیشه‌ای آغشته شده به ITO به‌وسيله دستگاه لايه‌نشاني پوشش داده می‌شود [10]. سپس این لایه پلیمری قبل از پوشش لایه فتوولتایی آلی، با ITO بازپخت می‌شود. مطالعات انجام شده توسط پینگر و همکاران، ارتباط مستقیم بین زمان بازپخت، ماکزیمم و متوسط تولید جریان فتونی را نشان می‌دهد [11]. پس از این‌که لايه فتوولتایی آلی با لايه‌نشاني روی سطح پليمري پوشش داده شد، در درجه حرارت بین 70 تا 170 درجه سانتی‌گراد و برای زمان‌های طولانی با توجه به نوع روش، تا یک ساعت بازپخت می‌شود.
6- اساس و روش كار
نمونه پس از آماده‌سازي، در محل قرارگيري نمونه در میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی – نوری قرار داده مي‌شود. با حرکت انتقالی پیزو در راستاي x-y، مستقل از مسیر Z، مي‌توان سطح نمونه را مطالعه كرد. برای بررسی تغییرات در راستای Z از یک روبشگر پیزو در این راستا استفاده می‌شود. مواد پیزو الکتریکی در داخل این روبشگر، تغییر در پتانسیل اعمال شده را به حرکت مکانیکی نمونه با دقت نانومتری، تبدیل می‌کند. میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی – نوری شامل لیزر 532 نانومتر با توان کم (2-5 میلی‌وات) است که پرتو از آینه‌های واقع در زیر سکوی روبش منعکس می‌شود [12و13]. از لامپ‌های قوس زنون نیز به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان منابع نورانی استفاده می‌شود. بیشتر روش‌های تصویربرداری اغلب با به‌دست آوردن تصاویر جریان تاریک از نمونه آغاز می‌شود. جریان تاریک به تولید جریان فتونی حاصل از وسایل فتوولتایی آلی در غیاب منبع نور برمی‌گردد. تیرک و سوزن به سادگی سراسر نمونه را روبش مي‌كنند و هم‌زمان اندازه‌گیری‌های توپوگرافی و جریان انجام می‌شود (شکل 4). سپس این داده‌ها را می‌توان به‌منظور بررسی تأثیر فرآیند روشنایی ارائه شده بر وسایل فتوولتایی آلی استفاده نمود.
نگوین و همکارانش اشاره کردند که وجود جریان فتونی مثبت مربوط به هدایت، از طرف حفره‌ها است؛ درحالی که وجود جریان منفی مرتبط با هدایت، از سوي الکترون‌ها است. چگالی جریان برای بایاس مستقیم و معکوس به کمک رابطه (8) محاسبه می‌شود:
رابطه (8)
كه در این رابطه، J چگالی جریان، εo گذردهی خلاء، εr نفوذپذیری نسبی محیط، μ تحرک محیط، V پتانسیل بایاس اعمال‌شده و L ضخامت لايه برحسب نانومتر است [14]. بیشتر مواد آلی، دارای مقادیر نفوذپذیری نسبی در حدود 3 در حالت‌های آمورف و بلورین خود هستند [15]. دامنه پتانسیل بایاس اعمال شده معمولاً برای بیشتر مطالعات، در محدوده بین 5V – تا 5V + قرار می‌گیرد [16]. با دستکاری این پتانسیل بایاس همراه با عبور جریان از طریق تیرک می‌توان نیروهای دافعه/جاذبه بین نمونه و سوزن را تنظیم نمود. هنگامی که بایاس معکوس اعمال می‌شود (سوزن نسبت به نمونه منفی است)، بین سوزن و نمونه، نیروهای جاذبه برقرار می‌شود [17]. اندازه‌گیری چگالی جریان با اطلاعات توپوگرافی که از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی و تیرک جمع‌آوری شده، ترکیب می‌شود. تصویر به دست آمده، تغییرات موضعی در مورفولوژی با اندازه‌گیری‌های چگالی جریان سوار شده روی آنها را نشان می‌دهند [1].
کاربرد اصلی PC-AFM، در شناسايي وسایل فتوولتاييك طرح‌ريزي شده‌است (شکل 5). اخيرا ميكروسكوپ نيروي اتمي هدايت نوري براي بررسي و آناليز مواد تشكيل‌دهنده سلول‌هاي خورشيدی نيز به كار مي‌رود [18و19].
تصوير توپوگرافی به‌دست آمده با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي هدايتي، نشان‌دهنده جداسازي فازي در مناطق زرد (فازهاي دهنده) و بنفش (فازهاي پذيرنده) است. جداسازي فازي در مقياس نانو براي مواد دهنده و پذيرنده در لايه فعال براي ايجاد انتقال بار و گسستگي اكسايتون ضروري است. در این تصویربرداری، PC-AFM در حالت تماسی و به کمک پروبی از جنس طلا و سوزن سیلیکونی پوشش داده شده با پلاتین به کار گرفته شده‌است.
نور از ميان ITO عبور كرده و با استفاده از يك ميكروسكوپ نوري وارونه روي نمونه متمركز شده‌است. در اين تنظيمات، لايه فشرده شده روي سلول، هواگيري و سپس با گاز نيتروژن خشك شده و به‌عنوان نمونه استفاده می‌شود. سوزن‌هاي سيليكوني پوشش داده شده با فلز، داراي كارايي‌هاي متفاوتي هستند. از اين سوزن‌ها مي‌توان به‌عنوان يك نانوالكترود براي جمع‌آوري اطلاعات الكترون و حفره استفاده نمود. با توجه به شعاع بسيار كوچك سوزن، امکان تصویربرداری جامع و كامل از جداسازي فازي، ايجاد بار، انتقال بار و جمع‌آوري بار توليد شده وجود دارد [10].
با در نظر گرفتن عملكرد بالاي پروب سيليكوني (1/5ev ~)، اطلاعات حفره‌هاي نوري ايجاد شده به‌وسيله پروب AFM قابل جمع‌آوري هستند و الكترون‌ها زماني‌كه باياس بالاي ولتاژ مدار باز به‌كار مي‌رود، قابل جمع‌آوري هستند. اين فرآيند زماني‌كه باياسي زير ولتاژ مدار باز اعمال شود، معكوس مي‌شود. حفره‌هاي نوري ايجاد شده به سمت كاتد حركت مي‌نماید؛ زماني كه سوزن پروب، الكترون‌ها را جمع‌آوري مي‌كند باياس اعمال شده بايد به اندازه‌اي كم باشد كه هيچ باري از طرف الكترودها اعمال نشود. بنابراين، ساختار جريان فتوني جمع‌آوري شده در باياس‌هاي منفي و مثبت، شبكه‌هاي جمع‌آوري الكترون و حفره مربوط به فازهاي دهنده و پذيرنده در سطح لايه را نشان مي‌دهند. شكل (6) جداسازي فازهاي دهنده و پذيرنده الکترون را نشان مي‌دهد. وقتي كه باياسي با ولتاژ 1V + به زیرپایه اعمال مي‌شود، دهنده الكترون در سطح لايه باقي مي‌ماند و قابل تصويربرداری مي‌شود (شكل‌های (6-ب) و (6-الف)). در همين موقعيت با باياس اعمال شده 1V – نيز تصويربرداری شده‌است (شکل (6-ج)). بازده پایین وسيله، به دلیل جدایی بزرگ بین مواد دهنده و پذیرنده در ساختار لايههاي مخلوط است که باعث کاهش مساحت سطح برای تفکیک و متوقف‌سازی جریان جمع‌آوری بار می‌شود [2].
نور از ميان ITO عبور كرده و با استفاده از يك ميكروسكوپ نوري وارونه روي نمونه متمركز شده‌است. در اين تنظيمات، لايه فشرده شده روي سلول، هواگيري و سپس با گاز نيتروژن خشك شده و به‌عنوان نمونه استفاده می‌شود. سوزن‌هاي سيليكوني پوشش داده شده با فلز، داراي كارايي‌هاي متفاوتي هستند. از اين سوزن‌ها مي‌توان به‌عنوان يك نانوالكترود براي جمع‌آوري اطلاعات الكترون و حفره استفاده نمود. با توجه به شعاع بسيار كوچك سوزن، امکان تصویربرداری جامع و كامل از جداسازي فازي، ايجاد بار، انتقال بار و جمع‌آوري بار توليد شده وجود دارد [10].
با در نظر گرفتن عملكرد بالاي پروب سيليكوني (1/5ev ~)، اطلاعات حفره‌هاي نوري ايجاد شده به‌وسيله پروب AFM قابل جمع‌آوري هستند و الكترون‌ها زماني‌كه باياس بالاي ولتاژ مدار باز به‌كار مي‌رود، قابل جمع‌آوري هستند. اين فرآيند زماني‌كه باياسي زير ولتاژ مدار باز اعمال شود، معكوس مي‌شود. حفره‌هاي نوري ايجاد شده به سمت كاتد حركت مي‌نماید؛ زماني كه سوزن پروب، الكترون‌ها را جمع‌آوري مي‌كند باياس اعمال شده بايد به اندازه‌اي كم باشد كه هيچ باري از طرف الكترودها اعمال نشود. بنابراين، ساختار جريان فتوني جمع‌آوري شده در باياس‌هاي منفي و مثبت، شبكه‌هاي جمع‌آوري الكترون و حفره مربوط به فازهاي دهنده و پذيرنده در سطح لايه را نشان مي‌دهند. شكل (6) جداسازي فازهاي دهنده و پذيرنده الکترون را نشان مي‌دهد. وقتي كه باياسي با ولتاژ 1V + به زیرپایه اعمال مي‌شود، دهنده الكترون در سطح لايه باقي مي‌ماند و قابل تصويربرداری مي‌شود (شكل‌های (6-ب) و (6-الف)). در همين موقعيت با باياس اعمال شده 1V – نيز تصويربرداری شده‌است (شکل (6-ج)). بازده پایین وسيله، به دلیل جدایی بزرگ بین مواد دهنده و پذیرنده در ساختار لايههاي مخلوط است که باعث کاهش مساحت سطح برای تفکیک و متوقف‌سازی جریان جمع‌آوری بار می‌شود [2].
از پيشرفت‌هاي ويژه در توسعه PC-AFM، قابليت استفاده در شناسايي سلول خورشيدي آلي است. لايه فعال نوري از يك محلول حاوي مواد دهنده و پذيرنده الكترون ساخته شده‌است كه مورفولوژي آن بسيار پيچيده و حساس به شرايط فرآيند است. با استفاده از روش PC-AFM، تهيه تصوير مورفولوژي‌هاي پيچيده در مقیاس نانو و جریان فتونی ممكن مي‌شود. براي مثال، لايه فعال نوري: پلی [2- متوکسی-5- (3و7- دی متیل اکتیل اکسی)]- 1و4- فنيلن وینیلن(MDMO-PPV) و[ 6 و 6]-فنیل – C71 – بوتريک اسيد متيل استر(PC71BM) که با محلول کلروبنزن فشرده شده‌است، جدایی فازي کمتری از لايههاي تهیه شده با محلول تولوئن نشان مي‌دهد (شکل‌های (7-الف) و (7-ب)). با استفاده از نورهاي تك رنگ و تنظيم‌پذير، مشخص شد که مناطق بزرگ فازي بين لايه‌ها در شكل (7-ب)، مربوط به مناطق غني از PC71BM است و ذرات كوچك برجسته، توزیعی از پليمر MDMO-PPV است. آنالیز جزییات طیف‌های بازده کوانتومی خارجی دو سازوکار انتقال بار موجود در سلول‌های خورشیدی پلیمری در شکل (7-د) نشان داده شده‌است. به‌عنوان مثال، حفره‌ها از پذیرنده‌های برانگیخته شده به دهنده‌ها منتقل می‌شوند و الکترون‌ها از دهنده‌های برانگیخته شده به پذیرنده‌ها منتقل می‌شوند [2]. میانگین جریان فتونی مدار کوتاه (Isc)، تحت نور سفید بیشتر از زمانی است که تحت لايههاي فشرده شده و ساخته شده با محلول تولوئن است. این نتایج با استفاده از میانگین حاصل از موقعیت‌های متفاوت ویژگی‌های ولتاژ – جریان، قابل تأیید است (شکل 7-ج).
30nmZ و (ب) موفولوژي لايه فوق در تولوئن با توپوگرافي 200nm . برای تصویربرداری جریان فتونی، بایاس به زیرپایه اعمال شده‌است. (ج) ویژگی‌های جریان – ولتاژ تاریک و نورانی زمانی که بایاس به سوزن AFM اعمال شده، ثبت شده‌است. بازده تبدیل فتون موضعی (IPCE = تعداد الکترون بر تعداد فتون‌ها) مربوط به لايههاي تولوئن و CB در شکل (د) نشان داده شده‌است. طیف‌های IPCE که به‌صورت رنگی در شکل (د) نشان داده شده‌است، به ترتیب مربوط به مناطق رنگی در شکل‌های (الف) و (ب) است.
هوون و همكارانش [20] از روش PC-AFM براي شناسايي و درك بهتر متغيرهاي مؤثر نانو مقياس در جريان فتوني ميان لايههاي فعال پليمر PC71BM:P1 استفاده كردند. آنها از پليمر P1 (شكل 8) با گاف نواري كوچك و خاصيت كوپليمري با زنجيره دروني دهنده و پذيرنده، در طراحي و ساخت سلول‌هاي خورشيدي استفاده کردند [21-23]. بالاترين اربيتال مولكولي اشغال شده و پايين‌ترين اربيتال مولكولي خالي در پليمر P1 از طريق چرخه ولتامتري به ترتيب 5/5ev – و تعيين شده‌است؛ اين پليمر داراي وزن مولكولي 41000g/mol است. در اين تحقيق، سلول‌هاي خورشيدي به‌صورت لايههاي فعال با استفاده از پليمر P1 و مولكول پذيرنده PC71BM ساخته شده‌اند و به نام قطعه P1-PC71BM شناخته شده‌است. شکل (8) ساختار مولکولی پلیمر P1 و شكل (9) نتايج تحقيقات به‌دست آمده از تصويربرداري PC-AFM را نشان داده است.
تعيين شده‌است؛ اين پليمر داراي وزن مولكولي 41000g/mol است. در اين تحقيق، سلول‌هاي خورشيدي به‌صورت لايههاي فعال با استفاده از پليمر P1 و مولكول پذيرنده PC71BM ساخته شده‌اند و به نام قطعه P1-PC71BM شناخته شده‌است. شکل (8) ساختار مولکولی پلیمر P1 و شكل (9) نتايج تحقيقات به‌دست آمده از تصويربرداري PC-AFM را نشان داده است.
شكل (9-الف) توپوگرافي سطحي لايه‌اي را كه با كلروبنزن (به‌عنوان حلال) تهيه شده‌است، نشان مي‌دهد. همان‌طور كه مشخص است اين لايه داراي شبكه جرياني کمتري است و جريان فتوني ناهماهنگی نسبت به لايه فعال تهیه شده با CN/chlorobenzene دارد (شكل 9-ب).
با استفاده از اين روش، مشخص شده‌است كه با انتخاب افزودني‌هاي متفاوت، مورفولوژي‌هاي متفاوت به‌دست مي‌آيد. براي مثال، نتايج نشان داده است كه افزودن سیانید باعث مسطح شدن سطح لايه فعال مي‌شود و ميزان غيريكنواختي دهنده و پذيرنده الكترون را كاهش مي‌دهد [20].
7- كاربردها
از عمده‌ترين كاربردهاي PC-AFM، بررسي سازوکار، در درون وسایل فتوولتاييك آلي در مقياس نانو است. با استفاده از اين روش، اطلاعاتي نظير نقشه‌برداري از جريان فتوني، تفاوت در مورفولوژي، تعيين مناطق دهنده – پذيرنده الکترون، تولید نقشه‌های جریان – ولتاژ – چگالی، بازده كوانتومي و جنبش تقريبي حامل‌هاي بار حاصل می‌شود [1و7و24-32]. يكي ديگر از ويژگي‌هاي قابل توجه PC-AFM، توانايي تهيه اطلاعات هم‌زمان با تهيه اطلاعات در مورد توپولوژي و خواص جريان فتوني از وسایل فتوولتاييك آلي در مقياس نانو است. اخيرا از روش PC-AFM براي جمع‌آوري اطلاعات، در مورد مناطق فعال نوري در نمونه با استفاده از نقاط کوانتومی نیز استفاده شده‌است. با استفاده از اين روش، ثبت اطلاعات درباره اندازه نقاط کوانتومی و پراكندگي آنها در قطعه با کمترین آسیب به مورفولوژی انجام مي‌شود. با استفاده از اين اطلاعات مي‌توان متغیرهای موضعي در فعاليت نوري مربوط به ناهماهنگي مورفولوژي لايه را تشخيص داد [32].
8- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2015، شماره 9 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده AFM روی لینک زیر کلیک کنید [33].
| نام دستگاه |
| میکروسکوپ نیروی اتمی |
9- نتیجه‌گیری
در این مقاله، به‌صورت خلاصه قابلیت‌های کاربردی و دستگاهوری روش PC-AFM بررسی شده‌است. با توجه به ماهیت تولید بار، نقل و انتقال در مقیاس نانو، بدون این فناوری تهیه اطلاعات و اندازه‌گیری‌های ماکروسکوپی بسیار مشکل خواهد بود. میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی – نوری در توصیف الکتریکی موضعی مخصوصاً در مورد لايه‌های نازک فتوولتاییک بسيار کاربردی است. با استفاده از این روش می‌توان تغییرات ظرفیت خازنی و پتانسیل سطحی لايههاي نازک را بررسی نمود. در نهایت می‌توان گفت، این روش میکروسکوپی به‌عنوان یک روش مناسب برای بررسی نانومتری لايه‌های نازک و وسایل فتوولتایی آلی و همچنین جمع‌آوری اطلاعات در مورد نواحی نوری در نمونه‌ها قابل استفاده است.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Pingree, L.S.C., Reid, O.G., Ginger, D.S., “Electrical Scanning Probe Microscopy on Active Organic Electronic Devices.” Adv. Mater. (2010), 21 (1): 19-28.
۲ – Dang X.-., Nguye T. –Q., “Photoconductive Atomic Force Microscopy for Understanding NanostructuresDevice Physics of Organic Solar Cells.”, https://www.asylumresearch.com.
۳ – Kemerink, M.., Timpanaro, S.., De Kok, M. M., Meulenkamp, E. A., Touwslager, F. J. “Three-Dimensional Inhomogeneities in PEDOT: PSS Films”. J. Phys. Chem. B (2004), 108 (49): 18820-5.
۴ – Olbrich, A., Ebersberger, B., Boit, C. “Conducting atomic force microscopy for nanoscale electrical characterization of thin SiO”. Appl. Phys. Lett. (1998), 73 (21): 3114–6.
۵ – Skoog, D. A., Holler, F. J., Crouch, S. R. Principle of Instrumental Analysis, (2007), (6 ed.). pp. 616–8.
۶ – Coffey, D. C., Reid, O. G., Rodovsky, D. B., Bartholomew, G. P., Ginger, D. S. “Mapping Local Photocurrents in Polymer/Fullerene Solar Cells with Photoconductive Atomic Force Microscopy.” Nano Lett. (2007), 7 (3): 738-44.
۷ – Dante, M., Peet, J., Nguyen, T.Q. “Nanoscale Charge TransportInternal Structure of Bulk Heterojunction Conjugated Polymer/Fullerene Solar Cells by Scanning Probe Microscopy.” J. Phys. Chem. C, (2008), 112 (18): 7241–9.
۸ – Dang, X.-D., Mikhailovsky A., Nguyen,T.-Q. “Measurement of nanoscale external quantum efficiency of MDMO-PPV:PC71BM solar cells by photoconductive atomic force microscopy.” Appl. Phys. Lett. (2010), 97, 11, 113303-.
۹ – Bull, T. A., Pingree, L. S. C., Jenekhe, S. A., Ginger, D. S., Luscombe, C. K. “The Role of Mesoscopic PCBM Crystallites in Solvent Vapor Annealed Copolymer Solar Cells.” ACS Nano (2010), 3 (3): 627–36.
۱۰ – Sloan, G. J., Thomas, J. M., Williams, J. O. “Basal Dislocations in Single Crystals of Anthracene.” Mol. Cryst. Liq. Cryst. (1975), 30: 167-74.
۱۱ – Cornil, D., Beljonne, C. J. P. Bredas, J. L. “Interchain Interactions in Organic π-Conjugated Materials: Impact on Electronic Structure, Optical Response,Charge Transport.” Adv. Mater. (2001), 13: 1053-67.
۱۲ – Hoppea, H., Sariciftci, N. S., ganic solar cells: An overview”. J. Mater. Res., (2004), 19: (7): 1924-45.
۱۳ – Mathieson, A. M., Robertson, J. M., Sinclair, V. C. “The crystalmolecular structure of anthracene. I. X-ray measurements.” Acta. Crystallogr. (1950), 3 (4): 245-50.
۱۴ – Mayer, A. C., Scully, S. R., Hardin, B. E., Rowell, M. W., McGehee, M. D. “Polymer-based solar cells.” Mater. Today (2007), 10 (11): 28-33.
۱۵ – Hoppe, H., Sariciftci, N. S, “Morphology of Polymer/Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells”. J. Mater. Chem. (2006), 16: 45-61.
۱۶ – Hoppe, H. Sariciftci, N. S. ganic Solar Cells: An Overview” (http://www.lios.at/Publications/2004/2004-021.pdf). J. Mater. Res. (2004), 19 (7): 1924-45.
۱۷ – Cornil, J., Beljonne, D., Calbert, J. P., Bredas, J. L. “Interchain Interactions in Organic π-Conjugated Materials: Impact on Electronic Structure, Optical Response,Charge Transport.” Adv. Mater. (2001), 13: 1053-67.
۱۸ – Coffey, D. C. Reid, O. G. Ginger, D. S. “Imaging local photocurrents in polymer/fullerene solar cells with photoconductive atomic force microscopy.” Nano Lett. (2007), 7: 738-44.
۱۹ – Dang, X.-D., Tamayo, A. B., Seo, J.-H., Hoven, C., Walker, B., Nguyen, T.-Q. “Nanostructureoptoelectronic characterization of small molecule bulk heterojunction solar cells by photoconductive atomic force microscopy” Adv. Funct. Mater. (2010), 20:, 3314-21.
۲۰ – Corey, V. H., Dang, X.-D., Coffin, R. C., Peet, J., Nguyen, T.-Q. Guillermo, C. ” Improved Performance of Polymer Bulk Heterojunction Solar Cells Through the Reduction of Phase Separation via Solvent Additives”. Adv. Mater. (2010), 22: 63–6
۲۱ – Bundgaard, E., Krebs, F. C. “Low band gap polymers for organic photovoltaics” Sol. Energy Mater. Sol. Cells (2007), 91: 954-85.
۲۲ – Zhu, Z., Waller, D., Gaudiana, R., Morana, M., Muhlbacher, D., Scharber, M., Brabec, C. “Panchromatic Conjugated Polymers Containing Alternating Donor/Acceptor Units for Photovoltaic Applications” Macromolecules (2007), 40: 1981-6.
۲۳ – Wienk, M. M., Kroon, J. M., Verhees, W., Knol, J. H., Hummelen, J. J. C. P., Hal, A., van Janssen,,R. ” Efficient Methano[70]fullerene/MDMO-PPV Bulk Heterojunction Photovoltaic Cells” Angew. Chem. Int. Ed. (2003), 42: 3371-5.
۲۴ – Pingree, L. S. C., Reid, O. G., Ginger, D. S. “Imaging the Evolution of NanoscalePhotocurrent CollectionTransport Networks during Annealing of Polythiophene/Fullerene Solar Cells”. Nano Lett. (2010), 9 (8): 2946-52.
۲۵ – Groves, C., Reid, D. G., Ginger, D. S. “Heterogeneity in polymer solar cells: local morphologyperformance inorganic photovoltaics studied with scanning probe microscopy.” Accounts Chem. Res. (2010), 43 (5): 612–20.
۲۶ – Dang, X. -D., Tamayo, A. B., Seo, J., Hoven, C. V., Walker, B., Nguyen, T. -Q. “NanostructureOptoelectronic Characterization of Small Molecule Bulk Heterojunction Solar Cells by Photoconductive Atomic Force Microscopy.” Adv. Func. Mater. (2010), 20 (19): 3314-21.
۲۷ – Dante, M., Garcia, A., Nguyen, T. -Q. “Three-Dimensional Nanoscale Organization of Highly Efficient Low Band-Gap Conjugated Polymer Bulk Heterojunction Solar Cells.” J. Phys. Chem. C, (2010), 113 (4): 1596-600.
۲۸ – Hoven, C. V., Dang, X. -D., Coffin, R. C., Peet, J., Nguyen, T. -Q., Bazan, G. C. “Improved Performance of Polymer Bulk Heterojunction Solar Cells Through the Reduction of Phase Separation via Solvent Additives”. Adv. Mater. (2010), 22 (8): E63-6.
۲۹ – Dang, X.-D., Mikhailovsky, A., Nguyen, T. -Q. “Measurement of nanoscale external quantum efficiency of conjugated polymer:fullerene solar cells by photoconductive atomic force microscopy”. Appl. Phys. Lett. (2010), 97 (11): 113303.
۳۰ – Reid, O. G., Munechika, K., Ginger, D. S., “Space Charge ed Current Measurements on Conjugated Polymer Films using Conductive Atomic Force Microscopy.” Nano Lett. (2008), 8 (6): 1602-9.
۳۱ – Douheret, O., Lutsen, L., Swinnen, A., Breselge, M., Vandewal, K., Goris, L., Manca, J. “Nanoscale electrical characterization of organic photovoltaic blends by conductive atomic force microscopy.” Appl. Phys. Lett. (2006), 89 (3): 032107.
۳۲ – Madl, M., Brezna, W., Strasser, G., Klang, P., Andrews, A.M., Bodnarchuk, M. I., Kovalenko, M. V., Yarema, M., Heiss, W., Smoliner, J. Phys. Status Solidi C, (2011), 8 (2): 426-8.
۳۳ – فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2015 و شماره 9
