[论文解读] Transient strain induced electronic structure modulation in a semiconducting polymer imaged by scanning ultrafast electron microscopy

Taeyong Kim, Saejin Oh+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2021

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 69被引用 11

一句话总结

本研究利用扫描超快电子显微镜（SUEM）对半导体性P3HT聚合物中的皮秒级瞬态应变效应进行成像，揭示了由于光致应变场引起的约300 ps上升时间的环形SUEM对比度。所观察到的电子结构调制源于光致伸缩驱动的晶格形变，而非热效应，表明瞬态机械应变可实现对柔性聚合物中光电性能的高时空精度动态调控。

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.

研究动机与目标

• 研究瞬态机械应变与半导体聚合物中电子结构之间的动态耦合关系。
• 克服在结构弛豫发生前探测超快、局域应变效应的挑战。
• 展示扫描超快电子显微镜（SUEM）在亚100 ps时间分辨率和纳米级空间分辨率下映射应变诱导电子态变化的能力。
• 在低光激发强度下，区分P3HT中光致伸缩与热膨胀驱动的应变机制。

提出的方法

• 采用时间分辨率亚100 fs、空间分辨率约100 nm的扫描超快电子显微镜（SUEM），对P3HT及P3HT:PCBM薄膜的光致响应进行成像。
• 使用515 nm可见光泵浦光束和266 nm紫外光束分别产生光激发和激发二次电子发射。
• 在可变时间延迟（0–2.7 ns）下获取时间分辨的SUEM对比度图像，以追踪二次电子发射产额中应变诱导变化的演化过程。
• 通过有限元法（FEM）模拟聚合物薄膜在光致应力作用下的动态弹性响应。
• 通过能量吸收和比热容计算估算热效应，结果表明温度升高小于1 K，热应变可忽略不计。
• 比较纯P3HT与P3HT:PCBM混合物中的SUEM对比度，推断激子与自由载流子之间电子-晶格耦合强度的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 由超快光激发诱导的瞬态局域应变如何影响P3HT等半导体聚合物的电子结构？
• RQ2 扫描超快电子显微镜（SUEM）能否在皮秒时间尺度上解析应变诱导电子态变化的时空演化？
• RQ3 在低激发强度下，所观察到的应变场的主导物理起源是光致伸缩还是热膨胀？
• RQ4 P3HT:PCBM混合物中PCBM的存在如何改变应变-电子结构耦合特性，与纯P3HT相比？
• RQ5 环形SUEM对比度轮廓在多大程度上反映了应变引起的二次电子发射产额非均匀调制？

主要发现

• SUEM对比度呈现出环形空间分布，上升时间约为300 ps，在至少2.7 ns内保持稳定且无空间扩散。
• 环形对比度归因于光致径向应变引起的局域电子结构调制，而非载流子扩散或热效应。
• 有限元建模证实，所观察到的应变场与光致伸缩应力源的弹性响应一致。
• 热膨胀计算预测温度升高小于1 K，径向应变约为10−8，该值过小，无法解释观测到的SUEM响应。
• P3HT:PCBM混合物中的SUEM对比度强于纯P3HT，表明自由载流子与晶格的耦合强度强于激子。
• 无空间扩散现象且环形轮廓在2.7 ns后仍持续存在，表明该效应并非由光生载流子输运引起，而是源于相干的、局域化的应变场。