[논문 리뷰] Transient strain induced electronic structure modulation in a semiconducting polymer imaged by scanning ultrafast electron microscopy

Taeyong Kim, Saejin Oh외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 03.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 69인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 초고속 전자현미경(SUEM)을 사용하여 반도체 폴리머 P3HT에서 피코초 스케일의 일시적 응력 효과를 영상화한다. 광학 유도 응력장으로 인해 약 300 ps의 상승 시간을 보이는 고리 모양의 SUEM 대trast를 관찰하였으며, 이는 열적 효과가 아니라 광수축에 의해 유도된 격자 변형으로 인한 전자 구조 조절에 기인한다. 이는 일시적 기계적 응력이 고공간-시간 해상도로 폴리머의 옵티오일렉트로닉 성질을 동적으로 조절할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Understanding the opto-electronic properties of semiconducting polymers under external strain is essential for their applications in flexible opto-electronic, light-emitting and photovoltaic devices. While prior studies have highlighted the impact of static strains applied on a macroscopic length scale, assessing the effect of a local transient deformation before structural relaxation occurs is challenging due to the required high spatio-temporal resolution. Here, we employ scanning ultrafast electron microscopy (SUEM) to image the dynamical effect of a photo-induced transient strain in the archetypal semiconducting polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT). We observe that the photo-induced SUEM contrast, corresponding to the local change of secondary electron emission, exhibits a ring-shaped spatial profile with a rise time of $\sim 300$ ps, beyond which the profile persists in the absence of a spatial diffusion. We attribute the observation to the electronic structure modulation of P3HT caused by a photo-induced strain field owing to its relatively low modulus and strong electron-lattice coupling, as supported by a finite-element analysis. Our work provides insights into tailoring opto-electronic properties using transient mechanical deformation in semiconducting polymers, and demonstrates the versatility of SUEM to study photo-physical processes in diverse materials.

연구 동기 및 목표

• 반도체 폴리머에서 일시적 기계적 응력과 전자 구조 간의 동적 결합을 조사하기 위해.
• 구조적 회복 이전에 초고속이고 局부적인 응력 효과를 측정하는 데 도전하는 데에.
• 스캐닝 초고속 전자현미경(SUEM)이 피코초 이내의 시간 해상도와 나노스케일의 공간 해상도로 응력 유도 전자 구조 변화를 매핑할 수 있는 능력을 입증하기 위해.
• 저강도 광학 흥분 조건에서 관측된 응력장의 주요 물리적 기원이 광수축인지 열팽창인지를 구분하기 위해.

제안 방법

• P3HT 및 P3HT:PCBM 박막에서 광유도 반응을 영상화하기 위해 피코초 이내의 시간 해상도와 약 100 nm의 공간 해상도를 가진 스캐닝 초고속 전자현미경(SUEM)을 사용하였다.
• 515 nm의 가시광선 펌프 빔과 266 nm의 자외선 빔을 각각 사용하여 광흥취를 유도하고, 제2차 전자 방출을 자극하였다.
• 시간에 따라 변하는 지연(0–2.7 ns)으로 시간 분 giải SUEM 대비 영상 촬영을 통해 제2차 전자 방출에 대한 응력 유도 변화의 진화를 추적하였다.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 수행하여 광유도 응력에 대한 폴리머 필름의 동적 탄성 반응을 모델링하였다.
• 에너지 흡수 및 열용량 계산을 통해 열적 영향을 추정하였으며, 온도 상승이 1 K 미만이며 열적 응력은 무시할 만큼 작다는 것을 발견하였다.
• 희석 P3HT와 P3HT:PCBM 혼합물 간의 SUEM 대비를 비교하여, 비오르비탈 상태와 자유 정공 간의 전자-격자 결합 강도의 차이를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 광흥취에 의해 유도된 일시적이고 국부적인 응력은 P3HT와 같은 반도체 폴리머의 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스캐닝 초고속 전자현미경(SUEM)은 피코초 시간 스케일에서 응력 유도 전자 구조 변화의 시공간적 진화를 해결할 수 있는가?
• RQ3 낮은 흥취 강도 조건에서 관측된 응력장의 주요 물리적 기원은 광수축인지 열팽창인지?
• RQ4 P3HT:PCBM 혼합물에서 PCBM의 존재는 순수 P3HT에 비해 응력-전자 구조 결합에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 고리 모양의 SUEM 대비 프로파일이 응력에 의해 비균일하게 조절된 제2차 전자 방출 수율을 반영하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• SUEM 대비는 고리 모양의 공간 프로파일을 보이며, 상승 시간이 약 300 ps이며, 공간 확산 없이 최소 2.7 ns 동안 지속된다.
• 고리 모양의 대비는 국부적인 전자 구조 조절에 기인하며, 이는 광유도 반경 응력에 의해 발생한다. 이는 정공 확산이나 열적 효과가 아니다.
• 유한요소 모델링은 관측된 응력장이 광수축 응력 원천에 의한 탄성 반응과 일치함을 확인한다.
• 열팽창 계산은 온도 상승이 1 K 미만이며 반경 응력이 약 10−8임을 예측하며, 이는 관측된 SUEM 반응을 설명하기에는 너무 작다.
• P3HT:PCBM 혼합물에서의 SUEM 대비는 순수 P3HT보다 더 강하며, 자유 정공에 비해 비오르비탈 상태에 비해 전자-격자 결합 강도가 더 크다는 것을 시사한다.
• 공간 확산이 없고 2.7 ns를 초과하여도 고리 프로파일이 유지되는 것은 효과가 정공 이동에 기인한 것이 아니라, 공명적이고 국부적인 응력장에 기인함을 나타낸다.