Ses sion VIII, Thurs day, June 25

Transkript

1 Ma te ri als Struc ture, vol. 22, no. 3 (2015) 193 nebo nejvíce pravdìpodobné hodnoty neznámých promìnných, pak lze vyøešit i takovou krystalovou strukturu, která má 36 nevodíkových atomù v asymetrické èásti buòky a 45! stupòù volnosti (Rukiah et al., 2004). Altomare A., Cuocci C., Giacovazzo C., Moliterni A., Rizzi R., Corriero N., Falcicchio A. (2013). J. Appl. Cryst. 46, Baerlocher Ch., McCusker L. B., Pa lati nus L. (2007). Z. Kristallogr. 222(2), Cerny R., Favre-Nicolin V. (2007). Z. Kristallogr Habermehl S., Morschel P., Eisenbrandt P., Ham mer S.M., Schmidt M.U. (2014). Acta Cryst. B70, Oszlányi, G. & Suto, A. (2004). Acta Cryst. A60, Rukiah M., Lefebvre J., Hernandez O., van Beekc W., Serpelloni M. (2004). J. Appl. Cryst. 37, Rivera A., Rohlíèek J., Sadat-Bernal J., Ríos-Motta J., Dušek M. (2014). Z. Kristallogr. 229(4), Sisak D., Baerlocher Ch., McCusker L.B., Yoshinari T., Seebach D. (2014) J. Appl. Crystallogr. 47, Shankland K., Spillman M.J., Kabova E.A, Edgeleya D.S., Shankland N. (2013). Acta Cryst. C69, Shankland K, Markvardsen A.J., Rowlatt C., Shankland N., Da vid W.I.F. (2010). J. Appl. Cryst. 43, Ses sion VIII, Thurs day, June 25 L35 DIVERSITY AND SYSTEMATICS OF STRUCTURES OF BINARY MIXTURES OF ORGANIC SEMICONDUCTORS J. Novák 1, A. Hinderhofer 2, K. Broch 2, A. Gerlach 2, A. Aufderheide 2, R. Banerjee 2, J. Dieterle 2, C. Frank 2, S. Kowarik 3, F. Schreiber 2 1 CEITEC Masaryk Uni ver sity, Group of Func tional Prop er ties of Nanostructures, Kotláøská 2, bldg. 9, CZ Brno, Czech Re pub lic 2 Inst. Für Angewandte Physik, Eberhard Karls Universität Tübingen, Auf der Morgenstelle 10, D Tübingen, Ger many 3 Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin, Newtonstr. 15, D Berlin, Ger many In the past de cades, or ganic semi con duc tors (OSC) have attracted interest of researchers for their possible applica - tions in or ganic field ef fect tran sis tors, or ganic pho to vol - taic (OPV), and or ganic light emit ting di odes (OLEDs) [1, 2]. In many of these ap pli ca tions, sev eral mo lec u lar com - po nents, typ i cally do nor-ac cep tor (D/A) com bi na tions, are needed and their mix ing be hav iour plays a key role for the per for mance of the de vices. As an ex am ple, in OPV de - vices, the size of the D/A do mains for par tially mix ing OSCs has to be com pa ra ble to the ef fec tive charge car rier diffusion length for the effective charge carriers separation and their with drawal to wards elec trodes. Re cent re search on OSCs mix ing, stim u lated by the de vice re lated im por - tance of the topic, has also shown some new and un ex - pected re sults at the fun da men tal level. The pre sen ta tion will re view re cent find ings in the field of OSCs mix ing be hav iour. We will fo cus on blends of small OSCs mol e cules in thin films pre pared by co-evap o - ra tion on weakly in ter act ing sil i con sub strates. At the very be gin ning, we shorty in tro duce some most stud ied OSCs and high light the im por tance of the OSCs blends for de vice applications. Thereafter, we will mention the process of OSM thin film growth via or ganic mo lec u lar beam de po si - tion and the X-ray scat ter ing tech niques em ployed in the struc tural stud ies on them, in clud ing X-ray spec u lar re flec - tivity and grazing incidence X-ray diffraction [3]. The main part of the pre sen ta tion will deal with crys tal struc ture of bi nary mix tures of OSCs and how it is in flu - enced by molecular interactions. Some structures of OSC blends find di rect coun ter parts in the well ex plored el e - frank.schreiber@uni-tuebingen.de men tal sys tems, such as bi nary al loys, while other mix ing sce nar ios are com pletely new and sur pris ing. Sim i lar to the elemental systems, phase separation, statistical mixing of mo lec u lar com po nents, and for ma tion of a new mo lec u lar com pound phase, re spec tively, are ob served for OSC mix - tures [4]. How ever, in con trast to the el e men tal blends, not only in ter ac tion be tween mo lec u lar com po nents of mix - tures de ter mines the re al ized mix ing sce nario but also the steric, i.e. shape, com pat i bil ity of the mol e cules plays an im por tant role [4, 5]. Ad di tion ally, ani so tropy of the shape and of the in ter ac tion po ten tial of the OSC mol e cules can lead to an or der ing ani so tropy, where the mixed system shows periodicity only along a certain preferential direction [6]. 1. Physics of Organic Semiconductors. Ed.: W. Brütting and C. Adachi, Wiley-VCH, Weinheim 2012, 2 nd ed. 2. Physical and Chemical Aspects of Organic Electronics. (Ed.: C. Wöll),Wiley-VCH, Weinheim U. Pietsch, V. Holý, T. Baumbach, High Resolution X-ray Scat ter ing: From Thin Films to Lat eral Nanostructures. New York: Springer 2009, 2 nd ed. 4. A. Hinderhofer and F. Schreiber, ChemPhysChem, 13, (2012) A. Opitz, J. Wag ner, W. Brütting, A. Hinderhofer, F. Schreiber, Phys. Sta tus Solidi A, 206, (2009), A. Aufderheide, K. Broch, J. Novák, A. Hinderhofer, R. Nervo, A. Gerlach, R. Banerjee, and F. Schreiber, Phys. Rev. Lett., 109, (2012),

2 194 Struktura Lec tures Ma te ri als Struc ture, vol. 22, no. 3 (2015) L36 RECONSTRUCTION OF CRYSTAL SHAPES BY X-RAY NANODIFFRACTION FROM 3D MULTIPLE QUANTUM WELLS M. Meduòa 1, C.V. Falub 2, F. Isa 3, D. Chrastina 3, T. Kreiliger 2, G. Isella 3, H. von Känel 2 1 De part ment of Con densed Mat ter Phys ics & CEITEC, Masaryk Uni ver sity, Kotláøská 2, Brno, Czech Re pub lic 2 Lab o ra tory for Solid State Phys ics, ETH-Zürich, Schafmattstrasse 16, 8093 Zürich, Swit zer land 3 L-NESS, De part ment of Phys ics, Politecnico di Milano, via Anzani 42, Como, It aly mjme@physics.muni.cz Ad vances in fo cus ing of X-rays dur ing past years have al - lowed tre men dous in crease in spa tial res o lu tion of scat ter - ing tech niques. In this work we show that scan ning sub-mi crom e ter dif frac tion us ing fo cused syn chro tron ra - di a tion can un ravel the three-di men sional struc ture of epitaxial crystals containing a periodic multiple quantum wells un der neath their fac eted sur face. As an ex am ple we use 8 mi cron high SiGe crys tals (Ge con tent 90%) grown by low-en ergy plasma en hanced chem i cal va por de po si tion (LEPECVD) on a reg u lar ar ray of Si pil lars etched deep into the Si sub strate. The SiGe crys tals are monolitically formed by self lim ited lat eral growth [1] into the shape of high, 3D fac eted tow ers as a buffer for fi nal growth of multilayer on top, see Fig ure 1. These SiGe microcrystals are fur ther conformal over grown by a periodical Ge/SiGe multiple quantum well (MQW) struc ture [2], see scheme in Fig ure 2. This al lows am pli fi - ca tion of the truncution rod dif frac tion from ev ery part of the sur face. For a nanodiffraction ex per i ment the neigh - bour ing crys tals were iso lated in or der to de tect the sig nal only from one in di vid ual crys tal [3]. The X-ray nanodiffraction ex per i ment was per formed at the ID01 beamline of the Eu ro pean Syn chro tron Ra di a - tion fa cil ity (ESRF) in Grenoble. The beam was fo cused down to 500 nm us ing a Fres nel zone plate (FZP) and scanned over the sam ple by a piezo stage, see Fig ure 2. By map ping re cip ro cal space us ing 2D pixel de tec tor, three-di - men sional re cip ro cal space maps (RSMs) were con structed Fig ure 1. SEM im age of epitaxial grown 8 m high Ge crys tals grown on 8 m high Si pil lars, see Ref. [4]. Fig ure 2. Sche matic sketch of scat ter ing ge om e try with in ci - dent beam K 0 and exit beam K s defining the scattering vector Q, see Ref. [4]. for each (x,y) po si tion of the x-ray beam on the sam ple. Since the microcrystal sur face with fac ets, see Fig ure 3a, was cov ered by MQW, the dif fracted in ten sity was aligned into MQW sat el lites in re cip ro cal space or dered along four trun ca tion rods each per pen dic u lar to ir ra di ated sur face, see Fig ures 3d,e,f. A cut through isointensity plot of 3D RSM is shown in Figure 3c. If we limit the de tected in ten sity only to se lected MQW sat el lite peaks, the dif frac tion sig nal is sen si tive only to particular surface corresponding to selected facet. Thus us - ing this scan ning dif frac tion tech nique, we can map shape of in di vid ual fac ets. In Fig ure 3b, the (x,y) mesh of to tal in - ten sity col lected around all SL-1 peaks is plot and it clearly shows the shape of {113} crys tal fac ets on top. If only peaks from one trun ca tion rod are se lected, the mesh will im age only the one cor re spond ing facet. This type of im ag - ing in Fig ure 3b well cor re lates with the SEM im age in Fig - ure 3a, ob served from the same view ing angle as the incidence angle of X-ray beam. Us ing this method we could de ter mine also the MQW prop er ties on top of each in di vid ual crys tal facet de pend ing on the beam po si tion [4]. From the dif frac tion peak shape we could map the very high crys tal line qual ity of the struc - ture as well. The pres ence of the MQW al lows the re con - struc tion of the crys tal shape with out the need of any structural model. We ac knowl edge the staff of ID01 beamline at ESRF; the FIRST Cen ter for Mi cro- and Nanoscience of ETH Zürich

3 Ma te ri als Struc ture, vol. 22, no. 3 (2015) 195 Fig ure 3. Per spec tive SEM mi cro graph view of 8 m tall Ge crys tal with sig nif i cant crys tal lo graphic fac ets, A (113), B (-1-13), C (-113), D (1-13). (a). The in ten sity mesh from all SL-1 peaks shows the com plete shape of crys tal sur face cov ered by dif fract ing MQW struc ture (b). 3D isolevel plot of the scattered in ten sity cut in the mid dle shows all four ABCD trun ca tion rods (c). Ex am ples of (Qx,Qz) 3D RSM pro jec tions around SiGe (115) re cip ro cal lat tice point re - corded at facet A (113) (d) and B (-1-13) (f). The pro jec tion of 3D RSM into (Qy,Qz) plane shows trun ca tion rods from both fac ets C (-113) and D (1-13) (e), see Ref. [4]. for mak ing avail able its in fra struc ture and help ful dis cus - sions with B. Batlogg and A. Dommann. 1. C.V. Falub, H. von Känel, F. Isa, R. Bergamaschini, A. Marzegalli, D. Chrastina, G. Isella, E. Müller, P. Niedermann, L. Miglio, Sci ence, 335, (2012), F. Pezzoli, F. Isa, G. Isella, C.V. Falub, T. Kreiliger, M. Salvalaglio, R. Bergamaschini, E. Grilli, M. Guzzi, H. von Känel, L. Miglio, Phys. Rev. Ap plied, 1, (2014), C. V. Falub, M. Meduòa, D. Chrastina, F. Isa, A. Marzegalli, T. Kreiliger, A.G. Taboada, G. Isella, L. Miglio, A. Dommann, and H. von Känel, Sci en tific Re ports 3 (2013), M. Meduòa, C.V. Falub, F. Isa, D. Chrastina, T. Kreiliger, G. Isella, H. von Känel, J. Appl. Cryst., 47, (2014), XTOP-16 13th Bi en nial Con fer ence on High Res o lu tion X-Ray Dif frac tion and Im ag ing Konference se v Èeské republice uskuteèní již podruhé. Tentokrát v Brnì v záøí 2016.

4 196 Struktura Lec tures Ma te ri als Struc ture, vol. 22, no. 3 (2015) L37 VYUŽITÍ FOURIEROVY TRANSFORMACE PØI OBRAZOVÉ ANALÝZE MIKROFOTOGRAFIÍ II M. Šlouf Ústav makromolekulární chemie AV ÈR, v.v.i., Heyrovského nám. 2, Praha 6 slouf@imc.cas.cz Fourierova transformace (FT) je jedním z nástrojù, který lze využít v obrazové analýze mikrofotografií (IMA), neboli pøi pøevodu obrázkù na èísla. Tento pøíspìvek navazuje na naše dvì pøedchozí práce, prezentované na kolokviích krystalografické spoleènosti [1, 2]. V první práci [1] jsme pøedstavili programový balík MDFT (sadu skriptù pro programovací jazyk Perl [3]), který dokázal pøevádìt mikrofotografie na difrakèní obrazy (tj. poèítat dvourozmìrnou diskrétní FT z vybraných èástí obrazu) a následnì z difrakèních obrazù poèítat radiální profily (tj. intenzitu jako funkci vzdálenosti od støedu difrakèního obrazu), což bylo možno využít pro urèování periodických vzdáleností v polymerních systémech [4]. Ve druhé ze zmínì ných prací [2] jsme pùvodní programový balík MDFT zjednodušili (kratší a pøehlednìjší skripty v jazyce Py thon [5]), podstatnì zrychlili (využití modulù pro rychlou práci s rozsáhlými poli, které jsou souèástí vybra - ných volnì šiøitelných distribucí Pythonu, napø. [6]) a rozší øili o další funkce (uživatelsky definovatelná norma - lizace, definovatelné vyhlazování dat, azimutální profily). Nyní pøedstavujeme finalizovanou verzi balíku MDFT. Jedná se o sadu skriptù ve volnì šiøitelném programovacím jazyce Py thon, které lze snadno a rychle modifikovat a aplikovat na libovolnou mikrofotografii. Oproti pøedchozí verzi obsahují skripty øadu drobných vylepšení. Navíc jsou v nich struèné textové popisky usnadòující uživatelské úpravy. V neposlední øadì má balík MDFT také zlepšenou nápovìdu a pøíklady na www [7]. Py thon-skripty z balíku MDFT [7] používáme zpra vid - la v kombinaci s jiným volnì šiøitelným programem ImageJ [8], který má grafické uživatelské rozhraní a je pøímo specializován na práci s mikrofotografiemi. Kombi - na ce tìchto dvou programù umožòuje následující využití FT pøi obrazové analýze: (i) výpoèet jednorozmìrné dis - krétní FT (1D-DFFT) z vybraných èárových profilù na mikrofotografiích, (ii) výpoèet dvojrozmìrné diskrétní FT (2D-DFFT) z vybraných oblastí nebo celých mikro - fotografií, (iii) pøevod 2D-DFFT na jednorozmìrné radiální profily, (iv) pøevod 2D-DFFT na jednorozmìrné azimutální profily a (v) využití 2D-DFFT k filtrování, což v praxi zahrnuje zejména odstraòování náhodného šumu, Obrázek 1. Ukázka, co dokáže souèasná verze programu MDFT [7]. Zde se jedná o analýzu schopnosti samouspoøádání nanoèástic støíbra (AgNP; a d) a zlata (AuNP; e h). TEM mikrofotografie (a, e) byly pomocí programu ImageJ [8] pøevedeny na binární obrazy (b, f). Pomocí skriptù z balíku MDFT byla vypoètena dvojrozmìrná Fourierova transformace (c, g) a výsledné 2D-DFFT obrazy byly pøepoèteny na 1D radiální profily (d, h). Symetrie difrakèních obrazù (c, g) jasnì prokázala nižší míru samouspoøádání a orientace u bimodálních AgNP ve srovnání s monodisperzními AuNP. Z píkù na radiálních profilech bylo navíc možno vypoèítat prùmìrnou vzdálenost mezi èásticemi (6,8 nm; obr. h), tedy velièinu, jejíž pøímé mìøení je dosti pracné.

5 Ma te ri als Struc ture, vol. 22, no. 3 (2015) 197 odstraòování periodického šumu a vyrovnání nerov nomìr - ného pozadí na mikrofotografiích. Body (i iv) souvisí s popisem a kvantifikací periodického uspoøádání. Zde existuje analogie mezi 2D-DFFT obrazy mikrofotografií a difraktogramy z XRD èi ND. Na rozdíl od XRD/ND se ale v pøípadì IMA zpravidla nejedná o atomární strukturu, ale o periodické uspoøádání na mikroskopické úrovni (stovky mikrometrù až jednotky nanometrù). Bod (v) nemá pøímou analogii s XRD/ND a je specifický pro IMA. Obsahem rozšíøeného abstraktu, pøednášky a dokumen - tace programu MDFT na www [7] jsou pøíklady z praxe ilustrující všechny shora zmínìné aplikace (tj. body i v, uvedené v pøedchozím odstavci). V pøednášce uvedeme též vybrané publikaèní výstupy [4, 9], v nichž byla FT analýza mikrofotografií využita. Z pøíkladù budou patrné dvì výhody balíku MDFT ve srovnání s nìkterými komerè ními i volnì šiøitelnými balíky pro IMA: (a) flexi - bilita neboli možnost pøizpùsobit si svùj skript na míru dané mikrofotografii èi sérii mikrofotografií a (b) automatizace neboli možnost spustit stejný skript i na velmi rozsáhlé série mikrofotografií. 1. M. Šlouf, H. Synková, J. Baldrian, Ma te ri als Struc ture, 12, (2005), M. Šlouf, T. Vacková, Ma te ri als Struc ture, 21, (2014), Domovská stránka programu Perl: 4. M. Šlouf, H. Synková, J. Baldrian, A. Marek, J. Kováøová, P. Schmidt, H. Dorschner, M. Stefan, U. Gohs, J Biomed Ma ter Res Part B: Appl Biomater, 85B, (2008), Domovská stránka programu Py thon: 6. Domovská stránka distribuce WinPython, obsahující klíèové moduly pro výpoèty FT: 7. Domovská stránka programu MDFT: dex.htm. 8. Domovská stránka programu ImageJ: 9. L. Matìjka, M. Janata, J. Pleštil, A. Zhigunov, M. Šlouf, Poly mer, 55, (2014), Podìkování: tato práce vznikla díky finanèní podpoøe od Technologické agentury Èeské republiky (projekt TE ) a Grantové agentury Èeské republiky (pro jekt P108/ S). L38 X-RAY SCATTERING ON HIGHLY PERTURBED CARBON NANOMATERIALS Milan Dopita 1 and Zdenìk Matìj 2 1 In sti tute of Ma te ri als Sci ence, Tech ni cal Uni ver sity of Freiberg, Gustav-Zeuner-Strasse 5, Freiberg, D-09599, Ger many 2 Max IV Lab o ra tory, Lund Uni ver sity, Ole Römers väg 1, Lund, Swe den dopita@gmail.com Simulations of scattered intensity distributions from two and three di men sional car bon struc tures of dif fer ent shapes and sizes were done us ing the gen eral Debye scat ter ing equa tion [1]. The in flu ence of the lat tice de fects typ i cal for the turbostratic struc ture, i.e. ran dom fluc tu a tions in the parallel layer spacings, random lateral translations of gra - phitic lay ers, the cur va tures of lay ers and mu tual dis - orientations of in di vid ual par al lel lay ers around the lay ers nor mal di rec tion, on the re sult ing sim u lated scat tered in - ten si ties were stud ied and dis cussed [2]. The micro - structure-in duced changes in the line broad en ing, in the shape pa ram e ter in the Scherrer for mula and in the lat tice pa ram e ters de ter mined from the po si tions of the X-ray dif - frac tion lines are dis cussed in par tic u lar. The set of pre - sented Scherrer parameters allows the calculation of the clus ter sizes along and nor mal to the basal planes from the measured X-ray scattering. The applicability of the Warren-Bodenstein s ap proach [3] and paracrystalline model [4, 5] for de scrip tion of scat ter ing on turbostratic car bon struc tures was proven. In ten sity dis tri bu tions sim u lated us - ing both ap proaches were com pared to those ob tained us - ing the gen eral Debye scat ter ing equa tion. A com puter pro gram adopt ing War ren-bodenstein s ap proach and paracrystalline model al low ing fit ting of whole mea sured scat ter ing pow der pat terns was writ ten. The program enables refinement of physical parameters of turbostratic car bon ma te ri als, i.e. the mean lat tice pa ram e - ters a 0, c 0, the mean clus ter sizes par al lel and per pen dic u lar to the gra phitic planes La and Lc, their dis tri bu tions as well as the mean square atomic dis place ments áu a 2 ñ and áu c 2 ñ. A se ries of high melt ing coal-tar syn thetic pitch spec i mens, annealed at different temperatures, was prepared and in - ves ti gated [6]. In stud ied sam ples we ob served the in crease of the clus ters sizes, changes in the mean lat tice pa ram e ters a 0, c 0, and de cay of dis or der with in creas ing an neal ing tem - perature. The gen er al ized War ren-bodenstein s method de scrib - ing the scat ter ing on turbostratic car bon was im ple mented into the Rietveld pro gram MStruct [7] al low ing fit ting of mea sured scat tered in ten sity dis tri bu tion from mix tures of crystalline materials with turbostratic carbon, refinement of essential microstructural parameters and quantitative phase analysis. 1. P. Debye, Ann Phys, 351, 6, (1915), M. Dopita, M. Rudolph, A. Salomon, M. Emmel, C. G. Aneziris & D. Rafaja, Adv. Eng. Maters., 15, (2013) B. E. War ren & P. Bodenstein, Acta. Cryst., 18, (1965), S. Hendricks and E. Teller, J Chem Phys, 10, (1942), R. Hosemann, Zeit Phys, 128, (1950), 465.

6 198 Struktura Lec tures Ma te ri als Struc ture, vol. 22, no. 3 (2015) Figure 1. Model of turbostratic car bon clus ter of cy lin dri cal shape (a). Calculated coherently scattered intensity contribu - tion from cylindrical turbostratic carbon cluster with diameter La = 10 ; num ber of par al lel lay ers var ied be tween 1 and 15 (b). Mea sured and re fined X-ray scat ter ing pat terns from mix ture of crys tal line Al 2 O 3 and turbostratic car bon (25 wt. %) sam ple (c). 6. M. Dopita, M. Emmel, A. Salomon, M. Rudolph, Z. Matìj, C. G. Aneziris, D. Rafaja, Car bon 81, (2015), Z. Matìj, A. Kadlecová, M. Janeèek, L. Matìjová, M. Dopita, R. Kužel, Pow der Dif frac tion, 29, S2, (2014), S35. The au thors would like to thank the Ger man Re search Foun da tion (DFG) for sup port ing the subproject A05, which is a part of the Col lab o ra tive Re search Cen tre 920 (CRC 920) Multi-Func tional Fil ters for Metal Melt Fil - tra tion - A Con tri bu tion to wards Zero Defect Materials. Konference se koná v dobì od do v barokním Bøevnovském klášteøe, prvním mužském klášteøe v Èechách založeném v roce 993. Jedná se o osmou konferenci v øadì konferencí Aperiodic poøádaných každé tøi roky. Tyto konference se snaží pøilákat a shromáždit vìdce vìnující se rùzným aspektùmaperiodických krystalù a pøíbuzným problémùm. Pøedsedou mezinárodního programového výboru je Václav Petøíèek, organizaèního výboru pak Michal Dušek, dále v nìm pracují Lukáš Pa lati nus, Jindøich Hašek, Radek Kužel a Jiøina Pilná. Oèekávaná úèast je lidí. Kromì Krystalografické spoleènosti jsou poøadateli Komise aperiodických krystalù IUCr, speciální zájmová skupina (SIG) aperiodických krystalù pøi ECA a Fyzikální ústav AV ÈR. www: crysa.fzu.cz/aperiodic2015/.