X-Ray Vision:se plastikblandinger inde og ude

(PhysOrg.com) -- To videnskabsmænd, der arbejder i Europa, har banet vejen for forbedret plastikelektronik ved at udtænke en teknik, der kan bruges til at tage billeder af plastikblandinger på nanoskala samtidigt i materialets krop og på overfladen.

Lavpris plast solceller, lysere skærme, og længere batterilevetid for mobiltelefoner og e-læsere er nogle forudsigelige resultater, da producenter kunne bruge metoden til bedre at forstå de materialer, de bruger.

Chris McNeill fra University of Cambridge (UK) og Ben Watts fra Paul Scherrer Institute (Schweiz) er forskerne bag gennembruddet offentliggjort i Makromolekylær hurtig kommunikation . De skinner synkrotronstråling på polymerblandinger for at tage sofistikerede multibølgelængde røntgenbilleder af hovedparten af ​​polymerblandingen, og opsamler samtidig elektronerne dannet ved røntgenstrålernes interaktion med prøvens overflade. Det andet billede kan sammenlignes direkte med det første for at se forskellene i fordelingen af ​​komponenterne i filmens krop og på overfladen.

Overfladebilleddannelsesdelen fungerer, fordi fotoelektroner, der dannes i hovedparten af ​​materialet, absorberes, før de når overfladen, og derfor er kun de dannede ved overfladen frie til at forlade materialet og skabe et signal, som er "lille, men målbare”.

Watts forklarer, at "røntgenstrålerne, der skinner på prøven, er "afstemt efter carbonatomet", forårsager polymererne, som for det meste er kulstof, at ”resonere på en måde, der får dem til at absorbere meget mere af lyset ved bestemte bølgelængder, end man ellers ville forvente. Denne resonans mellem lyset og atomet er også meget følsom over for den måde, hvorpå atomerne er knyttet sammen... hvilket resulterer i [høj] kontrast mellem polymermaterialer, der ellers virker næsten identiske." Et eksempel er vist på billedet.

"Hos Cambridge er vi interesserede i brugen af ​​halvledende polymerer til applikationer i solceller, lysemitterende dioder (LED'er), og transistorer, " siger McNeill. "Som det er tilfældet i andre områder af polymervidenskab, blandingen af ​​to halvledende polymerer giver dig nogle gange mulighed for at opnå egenskaber eller funktion, som ikke kan opnås med den ene polymer alene. Effektiviteten af ​​polymersolceller og LED'er forbedres væsentligt gennem blanding, og vi er særligt interesserede i, hvordan filmmikrostruktur påvirker enhedens ydeevne. At være i stand til at afbilde ikke kun bulkstruktur, men også overfladestruktur er kritisk, da det er overfladerne, der forbinder til elektroderne (og omverdenen), så det var yderst ønskeligt at have en teknik, der hjælper os med at forstå, hvordan overflade- og bulkstrukturer er forbundet."

Begge videnskabsmænd studerede i samme gruppe i Australien, før de gik hver for sig; McNeill for at forfølge sin interesse for organiske halvledere, og Watts hans i synkrotron-baseret karakterisering. Deres ekspertise inden for komplementære områder betød, at de var på forkant med aktuelle problemstillinger inden for plastelektronik, mens de var opmærksomme på nye muligheder for avanceret materialekarakterisering.

McNeill:"På en måde har alle de nødvendige komponenter til et sådant eksperiment været tilgængelige i et stykke tid, og det krævede en realisering af denne mulighed og samlingen af ​​komponenterne. Vi anerkender Rainer Fink fra Universität Erlangen-Nürnberg for først at demonstrere eksperimentets gennemførlighed...Der var nogle tekniske udfordringer ved at skulle undertrykke de fotoelektroner, der udsendes fra andre dele af eksperimentet, for kun at detektere dem, der kom fra prøven, men disse blev for det meste overvundet gennem Bens stædige vedholdenhed og grundighed."

De ser, at arbejdet ikke kun gavner dem, der arbejder med halvledende polymerer, som er nødvendige for plastikelektronik, men alle typer tyndfilmspolymerblandinger. Der kan også være anvendelser i andre økologiske, men ikke-polymer, blandinger eller andre materialer, hvor "karakterisering af overflade og bulk er afgørende."

De næste trin involverer at udvide analysen af ​​overfladestruktur til "en fuld kvantitativ analyse", ifølge McNeill, "Dette ville kræve billeddannelse ved flere røntgenfotonenergier." Men de længere eksponeringstider, der kræves, kan beskadige de overflader, der undersøges. "Vi anvender også vores teknik til studiet af polykrystallinske halvledende polymerfilm, der vil give indsigt i samspillet mellem filmmikrostruktur og ladningstransport i disse enheder."