356 低温实验(求订阅)

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  许秋近期的目标体系是J2:IDIC-4F,而这两种材料还没有合成出来,他就有些无所事事。
  当然,划水是不可能划水的,许秋翻了之前搜集到的偏理论研究方面的文献,整理了激子结合能以及激子扩散距离的测试方法。
  他打算先在ITIC上试试水,到时候可以直接同步应用到IDIC-4F体系中。
  这两个实验还是比较重要的,是他用来冲刺《自然·能源》或《焦耳》的底牌之一。
  如果最终的结果和他料想的一样,把这两个结论拆开来,估计发一篇NC、一篇AM应该都没太大的问题。
  但现在需要把两个重要结论,外加效率13.5%的J2:IDIC-4F体系合起来冲刺一篇《自然·能源》或《焦耳》。
  没办法,想要突破AM这个级别的界限,达到《自然》大子刊级别,就是这般困难,尤其是对不算太热门的有机光伏领域来说。
  两项测试中,激子结合能不需要额外购买材料,许秋便先从这项测试入手。
  激子结合能,指的是有机光电材料在产生激子(被束缚的电子/空穴对)后,激子拆分成为自由电子/空穴所需要的能量,类似于化学反应活化能的概念。
  对于传统富勒烯体系来说,给体材料是主要的光吸收材料,受体材料的激子结合能没有意义,因为不吸光嘛,聚合物给体材料,比如P3HT、PCE10等材料的激子结合能通常在0.3电子伏特左右。
  这也是为什么传统的有机光伏体系中,给体材料和富勒烯受体材料之间要有至少0.3电子伏特的LUMO能级差,就是用来克服给体材料本身的激子结合能,确保产生的激子能够被拆分,这也使得传统有机光伏体系的开路电压天生就少了0.3伏特左右。
  这个0.3电子伏特左右的LUMO能级差,也被称为“驱动力”。
  对于ITIC等非富勒烯体系来说,情况就有所不同,受体材料因为吸光,激子结合能就有意义了。
  而且,之前学妹的H43:IT-4F体系,发现了当H43和IT-4F之间的HOMO能级差在0.1电子伏特时,也能表现出高效、快速的电荷拆分、输运。
  这表明ITIC非富勒烯体系,在传输电荷的过程中,似乎并不需要“驱动力”。
  因此许秋猜测,造成这样现象最可能的原因,就是ITIC非富勒烯体系的激子结合能比较低,在0.3电子伏特以内。
  毕竟激子拆分是个热力学过程,激子结合能(Eb)的表达公式,类似于活化能的阿伦尼乌斯公式,k=Aexp(-Eb/RT)。
  在正常的太阳光照度,常温条件下:
  假设激子结合能为0.3电子伏特时,产生的激子大约90%为被束缚的状态,10%为自由的电子/空穴,这种情况下,需要额外的能级差作为“驱动力”;
  而假设激子结合能为0.1电子伏特时,产生的激子大约10%为被束缚的状态,90%为自由的电子/空穴,这种情况下,大部分激子已经变成了自由的电子/空穴,自然也就不需要能级差作为“驱动力”了。
  如果ITIC非富勒烯受体体系的情况是后者的话,也就可以从理论上解释,为什么不需要很大的HOMO能级差,也能进行高效、快速的电荷拆分、输运。
  当然,在测试结果没有出来之前,这些都是猜测,具体结果是怎么样,还是要通过实验来证明的。
  实践是检验真理的唯一标准嘛。
  在文献中,低温荧光发光(PL)测试是最常见测试激子结合能的方法。
  具体的操作,就是测试同一样品在不同温度下的PL强度,然后通过拟合,得到激子结合能。
  理论上,高温PL也可以达到类似的效果。
  不过,相对于高温测试来说,低温测试更加准确一些,因为温度越低PL强度就越高,实验误差也就越小。
  至于获得低温的方法,自然是用液氮冷却了。
  大多数的低温实验,采用的都是液氮。
  因为液氮太好获得了,直接可以从空气中制取,成本很低,基本就是掏点电费。
  在常压下,液氮的温度为零下196摄氏度,也就是77开尔文。
  热力学拟合计算中,用到的温度单位都是开尔文(K),其中,绝对零度为0K,0摄氏度约为273K。
  在实际操作的时候,想用液氮把温度降到77K还是比较难的,不过,达到100K,或者150K还是相对比较容易的,之后只要缓慢升温到200K、250K左右即可。
  确定实验方法后,许秋用八磅瓶在邯丹校区这边打了一壶液氮,带回了216实验室。
  随后,他取出了魏兴思之前从漂亮国带回来的低温测试装置。
  这个低温测试装置的结构并不复杂,下方是一个密闭的样品舱,上方是液氮舱。
  样品舱的四周是四片石英玻璃窗口,内部有一个带加热器、热电偶的样品台。
  加热器用来提升样品台的温度,热电偶用来实时检测样品台的温度。
  样品台上可以直接放置样品,也可以放入类似EQE测试时用到的样品托,再外接线路进行低温电学测试,当然,这里只是测个PL而已,就不需要那么复杂了,直接放上样品即可。
  样品舱外部连接一个阀门,可以抽真空,然后在测试过程中,保持样品舱内是近真空的状态。
  样品舱上方的液氮舱,主要是用来灌液氮提供低温环境。
  液氮舱和样品舱之间直接通过金属连接,进行热传导。
  在测试的过程中,因为样品舱内是近似真空的环境,样品台和石英玻璃在空间上是隔开的,之间很难发生热传导。
  因此,石英玻璃窗口的内外几乎没有温差,不会发生起雾现象。
  换句话说,一旦石英窗口起雾了,肯定是真空度不够高。
  开始准备工作。
  首先,许秋让莫文琳在玻璃基片上旋涂了一片ITIC样品;
  然后,将ITIC样品用铜箔胶带贴在样品台上;
  接着,将样品对准一个石英窗口,旋紧样品舱,用机械泵连接样品舱的接口,开始“duang”、“duang”的抽真空。
  抽了大约十五分钟真空后,关闭样品舱接口处的阀门,保持样品舱内部的真空环境。
  理论上,持续一直抽真空比较好,毕竟就算有阀门,也不能确保真空度一直不下降。
  但实际上很难办到,主要原因是测试装置为PL仪器,光学仪器对周边震动很敏感,真空泵要是放在实验台上,测试结果肯定不准,而放在地上的话,连接真空泵和样品舱的金属管子又不够长。
  而且,机械泵放在实验室的另一边,移动过来也不方便。
  思来想去,许秋还是决定先这样测试起来,要是测试到一半,石英玻璃起雾了,那说明多半是真空度不足,到时候再想办法解决。
  最后,打开外接的温度控制器,显示实时温度为294.22开尔文(K)。
  这个温度还算合理,虽然现在是八月份大夏天,魔都的外温30摄氏度以上,但实验室里空调常开,室温21摄氏度,应该是正常的。
  准备工作完成,开始实验。
  第一步,灌液氮。
  许秋取来一个塑料漏斗,插在液氮舱的上方,然后直接拎起八磅瓶,开始倾倒液氮。
  液氮遇到外界的“高温”,不断挥发,哔哩啪啦的一阵飞溅。
  许秋双腿张开,呈现扎马步的姿势,主要是防止液氮溅到自己身上,接着一边倾倒液氮,一边仔细听着声音,判断液氮有没有灌满。
  这个过程,有点像是平常家里面往暖壶里面灌开水,通过听声音判断满不满,水位越来越高,空气柱就越来越短,震动频率就越来越高,音调也逐渐变高。
  液氮、水在这里并没有太大的区别,声音的主要来源是空气。
  没过多久,漏斗口也开始缓慢往外面涌出白烟,结合着声音的音调,许秋判断液氮基本灌满,停止倾倒。
  倒满后,许秋取下漏斗,在液氮舱的中间缓慢插入一根低温装置原装的棍子。
  这根棍子中空、封顶,靠近上部的侧端有一个阀门,可以控制液氮舱是否与外界连接。
  既可以让液氮容器保持半封闭,降低液氮的挥发速度;又可以故意让液氮舱漏气,加速液氮的挥发。
  刚开始,温度还没有降下去,许秋自然保持阀门半封闭的状态。
  全封闭是不可能的,这里面可是液氮,要是全封闭的话,一旦里面挥发出的氮气跑不出来,压力过大,就直接炸了。
  此时,热电偶显示的温度正在急剧下降。
  276.93K……
  233.17K……
  201.61K……
  180.88K……
  十分钟后,温度下降的幅度开始变慢,0.1K、0.2K的慢慢降低。
  达到160K左右,温度降得更慢了,每次降低的幅度在0.05、0.08K。
  因为能量是守恒的,液氮本身的温度在77K,外界环境的温度在294K,测试舱温度的降低,实质上就是它和液氮之间发生了热交换,所以现在温度降不下来,就表明液氮已经挥发的差不多了。
  许秋用棍子捅了捅,果然,液氮舱快空了。
  于是,他拎起八磅瓶,再次将液氮舱补充满。
  温度继续以0.1K左右的速度慢慢降低。
  十分钟后,温度降低到130K左右,又降不下去了,许秋再加了一次液氮。
  这次温度降到了120K左右,降温幅度再次变得缓慢,许秋判断应该是快到极限了。
  越接近液氮本身的77K温度,降温就越慢,因为很难完全隔绝外界与样品台之间的热传导。
  虽然没达到心中理想的100K,但许秋也没有继续浪费时间,而是选择了停手。
  120K也够用了,只要从120K开始,每5K作为一个样品点,一直升温到200K,也有17个数据点,这个数据量已经不算少了。

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