我有科研輔助系統(tǒng) 356 低溫實驗

許秋近期的目標(biāo)體系是J2:IDIC4F，而這兩種材料還沒有合成出來，他就有些無所事事。

當(dāng)然，劃水是不可能劃水的，許秋翻了之前搜集到的偏理論研究方面的文獻(xiàn)，整理了激子結(jié)合能以及激子擴(kuò)散距離的測試方法。

他打算先在ITIC上試試水，到時候可以直接同步應(yīng)用到IDIC4F體系中。

這兩個實驗還是比較重要的，是他用來沖刺《自然·能源》或《焦耳》的底牌之一。

如果最終的結(jié)果和他料想的一樣，把這兩個結(jié)論拆開來，估計發(fā)一篇NC、一篇AM應(yīng)該都沒太大的問題。

但現(xiàn)在需要把兩個重要結(jié)論，外加效率13.5的J2:IDIC4F體系合起來沖刺一篇《自然·能源》或《焦耳》。

沒辦法，想要突破AM這個級別的界限，達(dá)到《自然》大子刊級別，就是這般困難，尤其是對不算太熱門的有機(jī)光伏領(lǐng)域來說。

兩項測試中，激子結(jié)合能不需要額外購買材料，許秋便先從這項測試入手。

激子結(jié)合能，指的是有機(jī)光電材料在產(chǎn)生激子（被束縛的電子/空穴對）后，激子拆分成為自由電子/空穴所需要的能量，類似于化學(xué)反應(yīng)活化能的概念。

對于傳統(tǒng)富勒烯體系來說，給體材料是主要的光吸收材料，受體材料的激子結(jié)合能沒有意義，因為不吸光嘛，聚合物給體材料，比如P3HT、PCE10等材料的激子結(jié)合能通常在0.3電子伏特左右。

這也是為什么傳統(tǒng)的有機(jī)光伏體系中，給體材料和富勒烯受體材料之間要有至少0.3電子伏特的LUMO能級差，就是用來克服給體材料本身的激子結(jié)合能，確保產(chǎn)生的激子能夠被拆分，這也使得傳統(tǒng)有機(jī)光伏體系的開路電壓天生就少了0.3伏特左右。

這個0.3電子伏特左右的LUMO能級差，也被稱為“驅(qū)動力”。

對于ITIC等非富勒烯體系來說，情況就有所不同，受體材料因為吸光，激子結(jié)合能就有意義了。

而且，之前學(xué)妹的H43:IT4F體系，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)H43和IT4F之間的HOMO能級差在0.1電子伏特時，也能表現(xiàn)出高效、快速的電荷拆分、輸運。

這表明ITIC非富勒烯體系，在傳輸電荷的過程中，似乎并不需要“驅(qū)動力”。

因此許秋猜測，造成這樣現(xiàn)象最可能的原因，就是ITIC非富勒烯體系的激子結(jié)合能比較低，在0.3電子伏特以內(nèi)。

畢竟激子拆分是個熱力學(xué)過程，激子結(jié)合能（Eb）的表達(dá)公式，類似于活化能的阿倫尼烏斯公式，kAexp（Eb/RT）。

在正常的太陽光照度，常溫條件下：

假設(shè)激子結(jié)合能為0.3電子伏特時，產(chǎn)生的激子大約90為被束縛的狀態(tài)，10為自由的電子/空穴，這種情況下，需要額外的能級差作為“驅(qū)動力”；

而假設(shè)激子結(jié)合能為0.1電子伏特時，產(chǎn)生的激子大約10為被束縛的狀態(tài)，90為自由的電子/空穴，這種情況下，大部分激子已經(jīng)變成了自由的電子/空穴，自然也就不需要能級差作為“驅(qū)動力”了。

如果ITIC非富勒烯受體體系的情況是后者的話，也就可以從理論上解釋，為什么不需要很大的HOMO能級差，也能進(jìn)行高效、快速的電荷拆分、輸運。

當(dāng)然，在測試結(jié)果沒有出來之前，這些都是猜測，具體結(jié)果是怎么樣，還是要通過實驗來證明的。

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)嘛。

在文獻(xiàn)中，低溫?zé)晒獍l(fā)光（PL）測試是最常見測試激子結(jié)合能的方法。

具體的操作，就是測試同一樣品在不同溫度下的PL強(qiáng)度，然后通過擬合，得到激子結(jié)合能。

理論上，高溫PL也可以達(dá)到類似的效果。

不過，相對于高溫測試來說，低溫測試更加準(zhǔn)確一些，因為溫度越低PL強(qiáng)度就越高，實驗誤差也就越小。

至于獲得低溫的方法，自然是用液氮冷卻了。

大多數(shù)的低溫實驗，采用的都是液氮。

因為液氮太好獲得了，直接可以從空氣中制取，成本很低，基本就是掏點電費。

在常壓下，液氮的溫度為零下196攝氏度，也就是77開爾文。

熱力學(xué)擬合計算中，用到的溫度單位都是開爾文（K），其中，絕對零度為0K，0攝氏度約為273K。

在實際操作的時候，想用液氮把溫度降到77K還是比較難的，不過，達(dá)到100K，或者150K還是相對比較容易的，之后只要緩慢升溫到200K、250K左右即可。

確定實驗方法后，許秋用八磅瓶在邯丹校區(qū)這邊打了一壺液氮，帶回了216實驗室。

隨后，他取出了魏興思之前從漂亮國帶回來的低溫測試裝置。

這個低溫測試裝置的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，下方是一個密閉的樣品艙，上方是液氮艙。

樣品艙的四周是四片石英玻璃窗口，內(nèi)部有一個帶加熱器、熱電偶的樣品臺。

加熱器用來提升樣品臺的溫度，熱電偶用來實時檢測樣品臺的溫度。

樣品臺上可以直接放置樣品，也可以放入類似EQE測試時用到的樣品托，再外接線路進(jìn)行低溫電學(xué)測試，當(dāng)然，這里只是測個PL而已，就不需要那么復(fù)雜了，直接放上樣品即可。

樣品艙外部連接一個閥門，可以抽真空，然后在測試過程中，保持樣品艙內(nèi)是近真空的狀態(tài)。

樣品艙上方的液氮艙，主要是用來灌液氮提供低溫環(huán)境。

液氮艙和樣品艙之間直接通過金屬連接，進(jìn)行熱傳導(dǎo)。

在測試的過程中，因為樣品艙內(nèi)是近似真空的環(huán)境，樣品臺和石英玻璃在空間上是隔開的，之間很難發(fā)生熱傳導(dǎo)。

因此，石英玻璃窗口的內(nèi)外幾乎沒有溫差，不會發(fā)生起霧現(xiàn)象。

換句話說，一旦石英窗口起霧了，肯定是真空度不夠高。

開始準(zhǔn)備工作。

首先，許秋讓莫文琳在玻璃基片上旋涂了一片ITIC樣品；

然后，將ITIC樣品用銅箔膠帶貼在樣品臺上；

接著，將樣品對準(zhǔn)一個石英窗口，旋緊樣品艙，用機(jī)械泵連接樣品艙的接口，開始“duang”、“duang”的抽真空。

抽了大約十五分鐘真空后，關(guān)閉樣品艙接口處的閥門，保持樣品艙內(nèi)部的真空環(huán)境。

理論上，持續(xù)一直抽真空比較好，畢竟就算有閥門，也不能確保真空度一直不下降。

但實際上很難辦到，主要原因是測試裝置為PL儀器，光學(xué)儀器對周邊震動很敏感，真空泵要是放在實驗臺上，測試結(jié)果肯定不準(zhǔn)，而放在地上的話，連接真空泵和樣品艙的金屬管子又不夠長。

而且，機(jī)械泵放在實驗室的另一邊，移動過來也不方便。

思來想去，許秋還是決定先這樣測試起來，要是測試到一半，石英玻璃起霧了，那說明多半是真空度不足，到時候再想辦法解決。

最后，打開外接的溫度控制器，顯示實時溫度為294.22開爾文（K）。

這個溫度還算合理，雖然現(xiàn)在是八月份大夏天，魔都的外溫30攝氏度以上，但實驗室里空調(diào)常開，室溫21攝氏度，應(yīng)該是正常的。

準(zhǔn)備工作完成，開始實驗。

第一步，灌液氮。

許秋取來一個塑料漏斗，插在液氮艙的上方，然后直接拎起八磅瓶，開始傾倒液氮。

液氮遇到外界的“高溫”，不斷揮發(fā)，嗶哩啪啦的一陣飛濺。

許秋雙腿張開，呈現(xiàn)扎馬步的姿勢，主要是防止液氮濺到自己身上，接著一邊傾倒液氮，一邊仔細(xì)聽著聲音，判斷液氮有沒有灌滿。

這個過程，有點像是平常家里面往暖壺里面灌開水，通過聽聲音判斷滿不滿，水位越來越高，空氣柱就越來越短，震動頻率就越來越高，音調(diào)也逐漸變高。

液氮、水在這里并沒有太大的區(qū)別，聲音的主要來源是空氣。

沒過多久，漏斗口也開始緩慢往外面涌出白煙，結(jié)合著聲音的音調(diào)，許秋判斷液氮基本灌滿，停止傾倒。

倒?jié)M后，許秋取下漏斗，在液氮艙的中間緩慢插入一根低溫裝置原裝的棍子。

這根棍子中空、封頂，靠近上部的側(cè)端有一個閥門，可以控制液氮艙是否與外界連接。

既可以讓液氮容器保持半封閉，降低液氮的揮發(fā)速度；又可以故意讓液氮艙漏氣，加速液氮的揮發(fā)。

剛開始，溫度還沒有降下去，許秋自然保持閥門半封閉的狀態(tài)。

全封閉是不可能的，這里面可是液氮，要是全封閉的話，一旦里面揮發(fā)出的氮氣跑不出來，壓力過大，就直接炸了。

此時，熱電偶顯示的溫度正在急劇下降。

十分鐘后，溫度下降的幅度開始變慢，0.1K、0.2K的慢慢降低。

達(dá)到160K左右，溫度降得更慢了，每次降低的幅度在0.05、0.08K。

因為能量是守恒的，液氮本身的溫度在77K，外界環(huán)境的溫度在294K，測試艙溫度的降低，實質(zhì)上就是它和液氮之間發(fā)生了熱交換，所以現(xiàn)在溫度降不下來，就表明液氮已經(jīng)揮發(fā)的差不多了。

許秋用棍子捅了捅，果然，液氮艙快空了。

于是，他拎起八磅瓶，再次將液氮艙補(bǔ)充滿。

溫度繼續(xù)以0.1K左右的速度慢慢降低。

十分鐘后，溫度降低到130K左右，又降不下去了，許秋再加了一次液氮。

這次溫度降到了120K左右，降溫幅度再次變得緩慢，許秋判斷應(yīng)該是快到極限了。

越接近液氮本身的77K溫度，降溫就越慢，因為很難完全隔絕外界與樣品臺之間的熱傳導(dǎo)。

雖然沒達(dá)到心中理想的100K，但許秋也沒有繼續(xù)浪費時間，而是選擇了停手。

120K也夠用了，只要從120K開始，每5K作為一個樣品點，一直升溫到200K，也有17個數(shù)據(jù)點，這個數(shù)據(jù)量已經(jīng)不算少了。

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