Grazing-Incident Wide-Angle X-Ray Scattering (GI-WAXS)
Grazing-Incident Wide-Angle X-Ray Scattering (GIWAXS) 是一種用於研究薄膜和表面在奈米尺度上結構和性質的先進分析技術。 透過將高度聚焦的X射線束以淺角度照射到樣品上，GIWAXS 捕捉到散射圖案，提供了有關材料中原子和分子排列的寶貴資訊。 該方法提供了對薄膜的晶體結構、形態和取向的高分辨率見解，使其成為材料科學、表面化學和奈米技術研究中的強大工具。
GIWAXS 特別適用於研究有機和無機薄膜、聚合物、奈米複合材料和自組裝單層。 其能夠在保持材料完整性的同時探測材料表面和近表面區域，使其成為理解薄膜生長機制、分子排序和界面相互作用的首選技術。 隨著GIWAXS 的不斷發展和完善，它有望推動我們對奈米材料的理解，並為各種技術應用的定製材料的開發做出貢獻。
光電
為了探討鈣鈦礦薄膜內的晶體取向，進行了常規（原位） grazing incidence wide-angle X-ray scattering（GIWAXS）實驗，其結果如圖1a–d所示。 在無添加劑的情況下，清晰的 Debye–Scherrer環對應於（111）平面，顯示薄膜中存在大量隨機取向的晶體。 在引入甲基銨硫氰酸鹽（MASCN）後，（111）平面的衍射環逐漸轉變為明確定義的布拉格斑點，並具有增強的強度，表明薄膜中存在增強的垂直晶體取向，有望提高電荷傳輸和 提取效率。 為了定量分析取向分佈，在不同含量MASCN的鈣鈦礦薄膜上沿（111）環（q = 9.5至10.5 nm−1）繪製了一個方位圖，其中方位表示衍射矢量在與qxy軸相關的投影的 角度。 在準二維鈣鈦礦顯示垂直取向的情況下，其沿著（202）平面的法線生長，而（111）平面的首選方位為90°（圖1e）。 圖1f中顯示的歸一化強度-方位曲線表明，具有MASCN的薄膜在10°至80°之間顯示出低基線，表明隨機取向晶體的含量減少。
參考文獻:
D. Liang, C. Dong, L. Cai, Z. Su, J. Zang, C. Wang, X. Wang, Y. Zou, Y. Li, L. Chen, L. Zhang, Z. Hong, A. El-Shaer, Z. Wang, X. Gao, B. Sun. Unveiling Crystal Orientation in Quasi‐2D Perovskite Films by In Situ GIWAXS for High‐Performance Photovoltaics. Small 2021, 2100972. https://onlinelibrary.wiley.com/ doi/epdf/10.1002/smll.202100972
熱電應用
本研究使用 grazing incidence wide-angle X-ray scattering（GIWAXS）技術（圖2）對純P3HT和摻雜薄膜進行了分析，摻雜薄膜在摻雜劑溶液中處理了30分鐘。 對於純P3HT和摻雜S-P3HT薄膜，其垂直平面模式顯示了多階片層堆疊峰，顯示存在縱向和橫向取向。 相較之下，所有L-P3HT薄膜均顯示出以縱向為主的取向。 摻雜導致所有薄膜的片層距增加，π−π堆積距減小，顯示摻雜劑優先插入側鏈。 摻雜的Fe(OTf)3 -摻雜P3HT顯示最短的π−π堆積距和最長的片層距，顯示其插層效率高。 片層和π−π堆積距的趨勢與摻雜程度相關，影響電荷傳輸。 儘管期望的π−π堆積距較短，但與Fe(OTf)3 -摻雜的P3HT相比，FeCl3 -摻雜的P3HT表現出較高的遷移率，這表明後者薄膜中存在離散的高 摻雜區域。 透過半峰全寬（FWHM）確定的結晶粒度分析表明，Fe(OTf)3 改善了聚合物的包裝和膜的結晶度，而Fe(Tos)3 顯示出降低的晶粒尺寸，表明其摻雜 效率較低。
參考文獻:
Lili Wu, Hui Li, Haoyu Chai, Qing Xu, Yanling Chen, and Lidong Chen. Anion-Dependent Molecular Doping and Charge Transport in Ferric Salt-Doped P3HT for Thermoelectric Application. ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 1252−1259.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsaelm.0c01067
聚合物太陽能電池
本研究旨在利用熱退火來增強在玻璃基板上沉積的純聚合物薄膜的固態組織，以提高功率轉換效率（PCE）。 採用了 grazing incidence wide-angle X-ray scattering（GIWAXS）技術來分析薄膜的結構（圖3）。 在低角度觀察到的峰值對應於由烷基鍊長度規定的晶格間距，在熱處理過程中顯著改變。 隨著溫度的升高，繞射峰的強度和面積增加，達到200°C左右的平台。 採用高斯消去來量化峰值的變化，結果顯示在140°C以上晶格間距幾乎沒有變化。 峰面積顯著增加了51.6％，在200°C的熱退火10分鐘後達到最佳的結晶組織。 該研究表明透過控制熱處理，可以提高基於該聚合物及其他聚合物的裝置的效率。
參考文獻:
Jose Jonathan Rubio Arias, Isabela Custódio Mota, Maria De Fátima Vieira Marques. Synthesis of thiophene-benzodithiophene wide bandgap polymer and GIWAXS evaluation of thermal annealing with potential for application in ternary polymer solar cells. Polym Adv Technol. 2020,1–11.
https ://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pat.5187
生物科學
研究利用 Driselase 和氯仿處理洋蔥細胞壁，以調查 GIWAXS 反射。 Driselase 是一種去除多醣體的酶，保留了平面反射，但消除了垂直平面的弧線（圖4a）。 這些弧線的缺失顯示了纖維素晶體的完全消化，一個各向同性的帶子指示了無定形殘留物。 觀察到與結晶葉狀蠟對應的平面特徵，證實了角質蠟對 GIWAXS 峰的貢獻（圖4c）。 透過在方位角方向積分2D影像，捕捉垂直平面（-17° 到 17°）和平面內（78° 到 88°）的散射特徵（圖4d）。 對於原生細胞壁樣品，GIWAXS 數據顯示了在q = 1.15 Å−1 和q = 1.55 Å−1 處的垂直平面峰，對苔蘚葉的峰略有變化（q = 1.13 Å−1 和q = 1.57 Å− 1）。 經過氯仿處理後，GIWAXS 中的平面特徵消失，而垂直平面特徵則保留（圖4b 和 4e）。 圖4f顯示平面散射輪廓中沒有清晰的峰，但在 q = 1.5 Å−1 附近有一個微弱的肩峰。 這顯示氯仿處理去除了細胞壁中的晶體蠟。 重新組裝蠟的 GIWAXS 圖像（圖4c）顯示與未提取和 Driselase 消化的（圖4a）洋蔥表皮細胞壁相似的平面特徵。 然而，在圖4f中，與未萃取和Driselase 消化的表皮相比，重新組裝蠟的平面散射輪廓在峰值位置和形狀上略有不同，這可能是由於有機溶劑中的再結晶過程以及對局部環境 的敏感性。
參考文獻:
Ye, D., Rongpipi, S., Kiemle, SN et al. Preferred crystallographic orientation of cellulose in plant primary cell walls. Nat Commun 11, 4720 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020- 18449-x