Atomic Force Microscopy

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1 1 Gruppe Nummer Peter Jaschke Gerd Meisl Atomic Force Microscopy Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Theorie Ergebnisse und Fazit... 4

2 2 1. Einleitung Die Atomic Force Microscopy ist ein Verfahren zur Untersuchung von Oberflächen auf molekularer Ebene. Sie gehört wie z.b. auch die Rastertunnelmikroskopie zum Bereich der Rastersondenmikroskopie. In diesem Versuch wurde eine Polymeroberfläche auf ihre Tauglichkeit als organische Solarzelle untersucht. 2. Theorie Die Atomic Force Microscopy Das Prinzip der AFM ist, dass eine dünnen Nadel (im Nanometerbereich) zeilenweise über eine Oberfläche bewegt wird. Die Nadel ist an einem Cantilever befestigt der wie eine Feder wirkt. Mit einem auf den Cantilever gerichteten Laser wird dessen, durch die anziehende oder abstoßende Wechselwirkung der Oberfläche mit der Nadel entstehende, Auslenkung gemessen. Wie daraus die Oberflächenbeschaffenheit gemessen wird, hängt vom verwendeten Modus ab: Contact Mode Bei dieser Methode hat die Messspitze direkten Kontakt mit der Probe, sie befindet sich schon im durch das Pauli-Prinzip entstehenden, abstoßenden Bereich des Oberflächenpotenzials. Vorteile sind eine hohe Geschwindigkeit, die beste Auflösung. Der Nachteil ist, dass weiche Proben wie Polymere zerstört werden können. Non Contact Mode In diesem Modus wird auf den Cantilever eine zusätzliche periodische Kraft ausgeübt, die ihn in Schwingung versetzt. Die Periode wird auf die Resonanzfrequenz des Canitlevers eingestellt. Durch die Wechselwirkung mit der Oberfläche ändert sich die Frequenz der Schwingung. Mit einem Piezoelement wird der Abstand der Probe so verändert, dass die Frequenz

3 3 konstant gehalten wird, die Größe dieser Nachregelung entspricht der Größe der Oberflächenstrukturen. Bei diesem Verfahren hat man die schlechteste Auflösung. Vorteil dieser Methode ist, dass die geringsten Kräfte auf die Probe wirken und auch weiche Proben nicht zerstört werden. Tapping Mode Hier schwingt die Spitze mit einer großen Amplitude über die Probe, so dass sie in den abstoßenden Potenzialbereich kommt. Die Oszillationsamplitude wird in ein Bild umgewandelt. In unserem Versuch, wurde das AFM im Non Contact Mode betrieben um die Polymere nicht zu beschädigen. Die Probe Bei der Probe handelt es sich um eine Polymeroberfläche. e. Sie wurde erzeugt indem eine Lösung aus Polyphenylenvinylen und Polyvinylkarbazol auf eine Siliziumscheibe gegeben wurde und dann durch spin coating daraus eine dünne Schicht (~ 100 nm) wurde. Die Probe soll als organische Solarzelle dienen. Bei Lichteinstrahlung werden in den Polymeren Elektron-Loch Paare (Exzitonen) gebildet. An den Grenzflächen zwischen den Polymeren besteht eine Potentialdifferenz, so dass das Paar getrennt werden kann, wenn es sich in der Nähe (~10 nm) der Grenzfläche befindet. Die Elektronen und Löcher können dann über Anode bzw. Kathode abgezogen und so Strom gewonnen werden. Der Wirkungsgrad der Solarzelle hängt deshalb stark von der größe der Strukturen auf der Probe ab. Funktionsweise einer organischen Solarzelle Bei den hier verwendeten Polymeren entsteht eine Inselstruktur, struktur, da sich die verschiedenen Polymersorten abstoßen.

4 4 3. Ergebnisse und Fazit Messungen Um ein optimales Ergebnis zu erhalten, können bei der Messung folgende Parameter angepasst werden: Size bestimmt die Größe des abgetasteten Quadrats. Rate ist die Frequenz, mit der die Oberfläche der Probe vom Cantilever in x- Richtung abgetastet wird. Bei höherer Scanrate entsteht das Bild schneller, dafür hat der Cantilever weniger Zeit sich an die Oberflächenstruktur anzupassen, was die Genauigkeit der Messung verringert. Set Point gibt den minimalen Abstand zwischen Probenoberfläche und Spitze an. Er fungiert als Kraftreferenz. Mit dem Gain lässt sich die Verstärkung des gemessenen Wertes regeln. Bei einer hohen Verstärkung steigt jedoch auch das Rauschen des Signals weshalb es von Vorteil ist den Gain so niedrig wie möglich zu halten. Der Drive-Wert bestimmt das Verhältnis zwischen Maximalausschlag und Schwingungsamplitude. Bei hoher Schwingungsamplitude gelangt die Spitze näher an die Probe. Bei unseren Messungen haben wir die Oberfläche der Probe bei verschiedenen Scangrößen aufgenommen. Size Rate Set Point Gain Drive 5 µm 0,2 Hz -0,0544 µm 0,106 34,79 % 2 µm 0,5 Hz -0,0544 µm 0,106 34,79 % 1 µm 1 Hz -0,0544 µm 0,106 34,79 % 0,5 µm 1 Hz -0,0544 µm 0,06 34,79 % 0,25 µm 1,5 Hz -0,0544 µm 0,021 34,79 % Nach der Messung wurde jedes Bild mit dem Programm Auto Probe geglättet (horizontal, vertikal und Zeile für Zeile) und durch einen Filter die hohen Frequenzen entfernt. Es wurde darauf geachtet über eine Funktion mit möglichst kleiner Ordnung zu glätten damit keine Strukturinformationen verloren gehen. Hohe Frequenzen kann man ohne Bedenken aus dem Bild entfernen, da man sie mit hoher Wahrscheinlichkeit dem Hintergrundrauschen oder sonstigen Störungen zuzuordnen sind.

5 5 Size 5 µm Size 2 µm Size 1 µm Size 0,5 µm Size 0,25 µm

6 6 Struktur Zur genaueren Bestimmung der Struktur wurden mit Hilfe von Auto Probe einzelne repräsentative stellen herausgegriffen und vermessen. Loch Abmessung (horizontal) Abmessung (vertikal) A 0,40 µm 0,38 µm B 0,33 µm 0,33 µm C 0,25 µm 0,25 µm D 0,29 µm 0,26 µm E 0,29 µm 0,37 µm Aus dem Bild erkennt man schon, dass es sich um eine Ebene mit Löchern handelt. Diese Struktur entsteht wenn die Lösung trocknet. Die Lösung teilt sich zuerst in Bereiche mit jeweils einem Polymer auf, da sich verschiedene Polymere abstoßen. Da die Konzentration eines Polymers größer als die des anderen ist, ergibt sich bei einer anfangs gleichen Flüssigkeitshöhe eine Struktur, in der die Bereiche mit dem niedriger konzentrierten Polymer Mulden bilden. Die regulären Mulden lieben ca. 34 A (Messwerte 34,8 A 38,7A 28,4A) tiefer als die Ebene. Die Breiten der Mulden sind also um einen Faktor 100 größer als die Höhenunterschiede. Die Verteilung der Mulden ist relativ gleichmäßig. Zusätzlich gibt es in unserer Messung eine große Menge Artefakte, die deutlich tiefer (ca. 100 A) sind. Da die Löcher (siehe Tabelle) und damit die Bereiche in dem nur ein Polymer vorhanden ist, um einen Faktor 10 breiter als die für die Trennung von Exzitonen notwendigen 10 nm sind, werden nur die wenigen Exzitonen, die in diesem kleinen Abstand von der Grenze der Strukturen entstehen in Strom umgewandelt und der Wirkungsgrad wäre schlecht.

7 7 Rauigkeit Die Unebenheit der Probenoberfläche wird durch das Verhältnis Peak Boden, die mittlere Rauigkeit und die mittlere quadratische Rauigkeit (RMS) charakterisiert. Sie wurde für alle Messungen über den gesamten Bereich, für den bei 0,5 µm gemessenen Bereich und für bei der 0,25µm Messung für den ebenen Bereich (siehe Anhang) ermittelt. Die Ergebnisse sind in en folgenden Tabellen aufgetragen: Größe des Messbereichs in µm RMS in A mittl. Rauigkeit in A p-v in A 5 34,2 24, ,4 25, ,6 18, ,5 27,8 21,1 276 Tabelle mit Rauigkeit über gesamten Bereich Wert aus Messung bei RMS in A mittl. Rauigkeit in A p-v in A 0,25 µm 8,93 6,70 50,3 Rauigkeit in ebenem Gebiet Wert aus Messung bei RMS in A mittl. Rauigkeit in A p-v in A 5 µm 28,3 19, µm 26,1 19, µm 21,1 15, ,5 µm 27,8 21,1 276 Rauigkeit des bei 0,25 µm gemessenen Bereiches in den größeren Messungen Man sieht, dass die Rauigkeit tendenziell mit der Bildgröße zunimmt, allerdings gibt es starke Schwankungen. Dies liegt wahrscheinlich an den Artefakten, die im Vergleich zur restlichen Oberfläche sehr rau sind und deshalb einen sehr großen Einfluss haben. Die Rauigkeit im ebenen Bereich eines Polymers ist im Bereich einiger Angstrom, also im Bereich der Polymergröße

8 8 Fazit Die Daten zeigen, dass das Polymergemisch keine gute Solarzelle abgibt. Die Strukturen sind zu groß und damit die Konktaktflächen zwischen den Polymeren zu klein um eine nennenswerten Anteil der Exzitonen ausnutzen zu können. 0,25 µm Gebiet, markiert ist das 1 µm Gebiet, markiert Ebene Gebiet ist der 0,5 µm Bereich 2 µm Gebiet, markiert ist der 5 µm Gebiet, markiert ist der 0,5 µm Bereich ist der 0,5 µm Bereich