Optisches Nahfeldmikroskop (SNOM)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das optische Nahfeldmikroskop wurde beschafft, um zu folgenden Themen optische und optoelektronische Prozesse in dünnen organischen Schichten auf der Subwellenlängenskala zu untersuchen: A) Morphologie und photovoltaische Eigenschaften mehrkomponentiger Polymermischungen; B) Morphologie und Ladungstransport in Schichten aus polymeren Halbleitern; C) Bildung und Struktur von insolubilisierten Polymerschichten auf polymerbasierten Anoden; D) Photoinduzierte Strukturierung. Die geplante Untersuchung lokaler optoelektronischer Eigenschaften polymerbasierter Solarzellen stelle hohe Anforderungen an die Apparatur. Insbesondere musste vermieden werden, dass Streulicht, das z.B. im Rahmen der Abstandsregelung oder bei der Einkopplung des Lichts in die SNOM-Spitze generiert wird, die Probe erreicht Daher wurde ein Gerät von Nanonics beschafft, dass nach dem tuning-fork-Prinzip arbeitet, und, im Gegensatz zu anderen Regelverfahren in der Scanning-Probe-Mikroskopie, keine Licht zur Abstandsregelung benötigt. Das Messlicht wird dabei über eine Glasfaser, deren gezogene und gekrümmte Spitze gleichzeitig Messspitze ist, an den Messort geleitet. Die Lichteinkopplung erfolgt außerhalb der Messkammer, so dass kein störendes Streulicht an die Probe gelangt. Zudem erlaubte es die Verwendung eines Flachscanners, die Probe inkl. Messspitze und Scanner in einer mit Inertgas gefüllten Kammer einzubauen, während die „Fernfeld“-Komponenten des Mikroskops frei zugänglich sind. Auf diese Weise konnten definierte Umgebungsbedienungen während der Messung gewährleistet werden. Neben dem Nahfeldmikroskop wurde eine durchstimmbare Weißlicht-Laserquelle beschafft, um die eingesetzte Wellenlänge optimal an das zu untersuchenden Probensystem anzupassen. In den ersten beiden Jahren waren in Zusammenarbeit mit der Herstellerfirma verschiedene Modifikationen zur Verbesserung der Stabilität des Geräts erforderlich. Daher wurde das SNOM bisher hauptsächlich für die Photostrukturierung und die ortsaufgelöste Messung der Transmission dünner Polymerschichten eingesetzt. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen war dabei die lokale Probenstruktur und Phasenseparation photovoltaisch aktiver Polymermischungen (Vorhaben im Rahmen des SPP 1355). Dazu wurden Bilder im Transmissionsmodus bei verschiedenen, für die verwendeten Polymere charakteristischen, Wellenlängen aufgenommen und ausgewertet. Wir konnten dabei eine eindeutige Korrelation zwischen der Längenskala der Phasenseparation und der Effizienz der Polymermischungen in Abhängigkeit von den Präparationsbedingungen nachweisen. Zudem konnten direkte Aussagen über die Reinheit der Phasen gewonnenen werden. Leider ergaben sich bei der geplanten Untersuchung von Photoströmen und Oberflächenpotentialen photovoltaisch aktiver Schichten unter Nahfeldanregung Probleme, die bis heute nicht vollständig gelöst sind. Insbesondere stelle sich die Messung des lokalen Oberflächenpotentials mittels Kelvin Probe im tuning-fork-Modus als technisch sehr anspruchsvoll heraus. Diese Schwierigkeiten wurden durch die Integration einer Scanning-Kelvin-Messeinheit mit beam-bounce-Abstandsregelung durch Nanonics inzwischen teilweise gelöst. Erfolgreich verliefen Experimente zur Strukturierung photoaktiver azobenzolhaltiger Polymerschichten. Hierbei wurde das SNOM zur Strukturbildung als auch zur Untersuchung der gebildeten Morphologie auf Subwellenlängenskala mittels Transmissionsspektroskopie eingesetzt. Diese Arbeiten werden inzwischen im Rahmen eines von der Volkswagenstiftung geförderten Projekts der Professuren Santer und Neher am Institut für Physik und Astronomie intensiv fortgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Influence of Aggregation on the Performance of All-Polymer Solar Cells Containing Low-Bandgap Naphthalenediimide Copolymers”. Advanced Energy Materials 2, 369 (2012)
M. Schubert, D. Dolfen, J. Frisch, S. Roland, R. Steyrleuthner, B. Stiller, Z. Chen, U. Scherf, N. Koch, A. Facchetti & D. Neher
