356 低温实验（求订阅）

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。