Contrast mechanisms in neutral helium microscopy applied to organic electronics

Utviklingen av nye elektroniske komponenter bestående av materialer med egenskaper mellom halvledere og plast er et raskt voksende teknologisk område. Organisk elektronikk tilbyr et enormt potensiale for levering av lavprisede elektroniske komponenter, som for eksempel solceller, sensorer og elektronisk kretser. Med den raske utviklingen av disse nye komponentene, er det et stort behov for utvikling av nye karakteriseringsteknikker som er tilpasset behovene til organisk elektronikk. Spesielt myke polymermaterialer for organiske elektroniske anvendelser utgjør store utfordringer for vanlige mikroskopiteknikker, siden de er svært følsomme for skader fra den høye energien i stråler fra elektron-, ion- og røntgenmikroskopi. I tillegg er disse materialene trykt på ruller av isolerende substrater, noe som presenterer ytterligere utfordringer for ladede partikkelstråler som elektroner og ioner. Nylige fremskritt innen skannende helium atom mikroskopi (SHeM) tilbyr en lovende ny mulighet for høyoppløselig overflateavbildning av myke polymerer. Heliumatomstrålen er nøytral og har energi (< 100meV) som rett og slett er for lav til å forårsake noen skade på overflaten. Dermed tilbyr SHeM en fullstendig ødeleggelsefri bildebehandlingsteknikk som er kjemisk inert og like egnet til isolatorer, halvledere, metaller og delikate organiske materialer. Likevel er SHeM en ny teknologi og bildedannelsesprosessen er ikke fullstendig forstått. Dette tidsriktige forskningsprosjektet tar nytte av nylige fremskritt ved universitetene i Bergen og Newcastle mot utvikling av SHeM-bildesystemer. Hovedmålet med dette prosjektet var å karakterisere kontrastmekanismer som virker i SHeM og å bruke dem til avbildning av organiske elektroniske kretser og komponenter. I prosjektets første periode fikk vi tatt de første bildene av en av de vanligste polymer-fullerene materialsystemene brukt i organisk elektronikk. Aggregater dannet av en kombinasjon av disse to materialene demonstrerte SHeM sine unike evner ved å vise ytterligere informasjon utover den topografiske kontrasten. Dette ble fulgt av avbildning av organiske elektroniske komponenter, spesifikt «Roll-to-Roll printed OPVs» (solceller) i forskjellige stadier av produksjon. Med disse første bildene av alle stadier i OPV-produksjonen kunne vi bekrefte at SHeM tilbyr et unikt bildebehandlingsverktøy for akkurat denne typen materialer. I tillegg har prosjektet gitt oss muligheten til å tilføre flere vitenskapelige resultater for å bedre forstå bildedannelsesprosessen i SHeM. Dette har blant annet resultert i en publisering i 2018 som klart definerte begrensningen i topologisk oppløsning på SHeM-mikroskopet i Newcastle. Et viktig resultat av prosjektet var en publikasjon i Nature's Scientific Reports som viste at SHeM er et nyttig verktøy for taksonomifeltet. Ved å kombinere SHeM-teknikken med en stereo fotogrammetri avbildnings teknikk kunne vi vise at disse nye instrumentene gir mulighet for omfattende taksonomisk datainnsamling uten risiko for at prøvene blir skadet av høy stråleenergi. I samarbeid med Sea Life Sydney Aquarium kunne vi ta de første bildene av haihud noen gang tatt med nøytralt helium-mikroskop. I tillegg samarbeidet vi med Royal Botanic Gardens and Domain Trust, National Herbarium of New South Wales for å vise at SHeM-teknikken er unikt egnet til å ta bilder av sensitive og historiske prøver. Artikkelen vi publiserte om haihud-bildene ble også plukket opp av den norske nettavisen forskning.no i artikkelen «Derfor brukar vi helium for å sjå på dei ørsmå tennene på huda til ein hai», noe som spredde arbeidet vårt ut til et bredt norsk publikum. I juni 2019 fikk UoN sitt SHeM-team, sammen med Cavendish Laboratory sin forskergruppe på nøytral heliummikroskopi ved Universitetet i Cambridge, æren av å presentere en utstilling ved navn «Seeing with Atoms», ved Royal Societies Summer Science Exhibition. Utstillingen ga oss muligheten til å presentere SHeM-teknikken til et bredere publikum, med et totalt publikumstall på 12653 besøkende. Arbeidet og resultatene fra dette NFR-prosjektet var en viktig del av denne utstillingen. Sammen med nanostruktureringsspesialister på UiB, startet arbeidet med å fabrikere/lage en ny type aperture til et framtidig UiB «pinhole»-mikroskop. Denne nye typen aperture kan potensielt redusere avbildningstiden på SHeM betydelig. Samtidig, i et forsøk på å forbedre bildeteknikk- og fart på alle typer nøytral helium-mikroskoper, har vi begynt å utvikle en helt ny type nøytralheliumdetektor på UiB. Nøytralheliumdetektorer er en av flaskehalsene innen nøytral-heliummikroskopi. Detektorene som er tilgjengelige i dag har ikke veldig høy effektivitet og så langt er ingen 2D nøytralheliumdetektorer på markedet eller tilgjengelig fra andre forskergrupper. I de siste månedene av prosjektet har vi designet et forsøksoppsett for dette detektorprinsippet og satt det sammen på UiB. De første testmålingene vil bli gjennomført innen slutten av 2019 og i 2020.

The main outcome is a thorough understanding of the image contrast in SHeM. This was achieved by a combined SHeM (Newcastle) and Helium atom scattering (Bergen) study of thin films and nanostructured surface. This work is crucial to the community to clearly determine the difference between scattering contrast and chemical -inelastic scattering contrast. During the project we also clarified how to distinguish between Supra-resolution (surface features big relative to beam diameter) and Sub-resolution contrast (surface roughness on the nanoscale). We were also able to expand the SHeM`s application areas to the field of Taxonomy. In collaboration with the Sea Life Sydney Aquarium and the National Herbarium of New South Wales, SHeM was established as a new, uniquely suited imaging tool for taxonomy and fragile historical samples. This work resulted in a nature scientific reports publication in 2019 which was later on picked up the Norwegian popular science online newspaper 'forskning.no'.

The development of new electronic devices at the intersection between semiconductors and plastics is one of the most rapidly growing technological areas. Organic electronics offers enormous potential for the delivery of low cost electronic devices, such as solar cells, sensors and electronic circuitry, via mass scale roll-to-roll printing technology. With the rapid development of these new printable materials and devices, there is an urgent need for the development of new characterization techniques that are tailored to the needs of organic electronics. In particular, the soft polymer materials used for organic electronic applications present severe challenges for conventional high resolution imaging techniques since they are extremely vulnerable to damage from the high energy probe beams found in electron, ion and X-ray microscopy. In addition, these materials are printed on rolls of insulating substrates (e.g.PET); presenting further challenges for charged beam probes. Recent advances in scanning helium atom microscopy (SHeM) offer a promising new possibility for high resolution surface imaging of soft polymers. The atomic helium beam is neutral and has an energy (<100meV) that is simply too low to cause any surface damage. Thus, SHeM offers a completely non-destructive imaging technique that is chemically inert and equally suited to insulators, semiconductors, metals and delicate organic materials. However, SHeM is a novel technology and the image formation process is not fully understood. This timely research project exploits recent progress at the Universities of Bergen and Newcastle towards the development of SHeM imaging systems. The key goal of this project is to characterise the contrast mechanisms of SHeM and to apply them to the imaging of organic electronic circuits and devices. This critically important project will deliver a unique imaging tool for imaging delicate soft materials at high resolution and with chemical contrast.