什么是同步辐射R空间？
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掠入射小角X射线散射（Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering，GISAXS），是一种基于X射线散射技术的表征方法，主要用于非破坏性地研究薄膜、纳米结构和复合材料的表面和界面特性，对样品表面微小结构非常敏感，这些微小结构可以是纳米颗粒、孔洞、柱状结构等。
当X射线以接近布拉格散射条件的角度照射到样品表面时，样品表面的微小结构会对X射线产生散射作用，从而在一定角度范围内形成散射斑点。
其中布拉格散射条件是指当满足nλ=2dsinθ（其中n为整数，λ为X射线波长，d为晶面间距，θ为入射角）时，散射波会发生相长干涉，形成明显的衍射峰。
在GISAXS中，虽然入射角接近平行，但依然利用了类似的散射和干涉原理。通过对这些散射斑点的位置和强度进行分析，可以获得样品表面微小结构的形态、大小、排列和分布等信息。
表面敏感性高：特别适合研究样品的表面和近表面区域，能探测到表面纳米尺度的结构信息，对于薄膜材料而言，可以精准分析薄膜表面的粗糙度、纳米结构的分布等情况。
无损检测：在不破坏样品原有结构和性能的前提下完成测试，这对于一些珍贵样品、特殊制备的样品或者对结构完整性要求高的研究至关重要，例如生物薄膜、具有特殊功能的纳米涂层等。
可获取丰富结构信息：不仅能得到纳米结构的尺寸大小，还能分析其形状、排列方式以及在表面的分布状态，像分析自组装纳米结构中纳米单元的排列有序性等。
对样品要求相对较低：一般情况下，不需要对样品进行复杂的预处理，无论是单晶、多晶还是非晶样品都可以进行GISAXS测试。
掠入射广角X射线散射（Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering，GIWAXS），同样是基于X射线与物质相互作用的表征技术。
它主要用于研究材料的晶体结构、取向和晶格参数等信息，特别是对于薄膜材料和表面层的晶体结构分析有独特优势。
当X射线以很小的入射角（通常在临界角附近）照射到样品表面时，一部分X射线会穿透样品表面，与样品内部的原子相互作用产生散射。
根据前面提到的布拉格定律nλ=2dsinθ，满足特定条件的散射X射线会发生相长干涉，形成衍射峰。这里的θ是布拉格角，与入射角和散射角相关。
通过探测这些衍射峰的位置、强度和形状等信息，就可以确定晶体的晶面间距、晶体取向以及晶体的完整性等结构参数。
高灵敏度的晶体结构分析：对晶体结构的微小变化非常敏感，哪怕晶体中原子的排列稍有改变，都能通过衍射峰的变化体现出来，可用于精确测定晶面间距、晶体取向以及晶格畸变等参数。
在研究金属合金薄膜的晶体结构时，能敏锐地察觉到合金元素的加入对晶格参数造成的细微影响。
表面和近表面探测：主要探测样品表面和近表面区域的晶体结构信息，这对于研究薄膜材料的表面结晶质量、表面晶体的生长取向以及界面处的晶体结构变化等十分关键。比如在研究有机半导体薄膜时，能够分析薄膜表面的晶体有序程度，判断晶体生长是否均匀。
无损且快速：不会对样品造成任何破坏，而且测试速度相对较快，可以在短时间内获取大量的结构信息，适用于对不同制备条件下的多个样品进行快速筛选和分析。
结合同步辐射光源优势突出：当与同步辐射光源配合使用时，由于同步辐射光源具有高亮度、高能量分辨率和宽能量范围等优点，能进一步提高GIWAXS的分辨率和灵敏度，获得更精确的晶体结构信息。
（一）研究尺度不同
GISAXS主要研究纳米尺度（1-200nm）的纳米结构薄膜，可以提供关于薄膜表面纳米颗粒、孔洞、柱状结构等的尺寸、形状以及它们在薄膜表面的分布等信息，对于分析纳米结构在薄膜表面的排列和相互作用十分关键。
GIWAXS侧重于研究较短长度（0.1-1nm）下的样品参数，主要用于探测晶体内部原子层面的结构信息，像晶面间距、晶体取向等，这些参数对于了解材料的晶体性质和结晶质量意义重大。
（二）研究对象侧重点不同
GISAXS侧重研究样品表面微小结构的形态、大小、排列和分布等。例如对于表面具有纳米颗粒的薄膜，GISAXS可以精确地分析纳米颗粒是球形、棒状还是其他形状，颗粒的大小范围以及它们在薄膜表面是均匀分散还是团聚在一起，这些信息对于研究薄膜表面的功能特性非常关键。
GIWAXS主要侧重研究材料的晶体结构、晶体取向、晶格常数等。在研究金属薄膜时，通过GIWAXS可以明确薄膜中晶体的晶格类型是面心立方、体心立方还是其他结构，晶体的生长方向沿着哪个晶轴，以及晶格常数的精确数值，这些信息对于理解金属薄膜的力学性能、电学性能等有着重要作用 。
（三）实验分析内容不同
GISAXS实验：X射线以一定角度（接近平行入射）照射样品表面，探测器测量表面散射斑点的位置和强度。根据散射斑点的位置可以计算出纳米结构的特征尺寸，从散射斑点的强度分布能够推断出纳米结构在表面的分布均匀性和排列有序程度。
GIWAXS 实验：X射线照射样品，探测器测量来自样品内部晶体结构的散射信号位置和强度。
通过分析散射信号的位置，依据布拉格定律计算出晶面间距，通过散射信号强度和峰形等信息，可以评估晶体的完整性、晶体取向的一致性以及晶体中是否存在缺陷和应力等情况。
案例一：有序介孔锂离子电池阳极模型的操作掠入射小角X射线散射/X射线衍射
在这里，作者使用operando掠入射小角X射线散射/X射线衍射（GISAXS/GIXD）技术，研究了模型有序介孔镍钴氧化物（NiCo2O4）薄膜负极在电池运行过程中的结构变化。
研究发现，介孔尺寸对有序纳米结构在循环过程中的稳定性有显著影响。小介孔（约9 nm）的负极在前两个充放电循环中就会发生结构崩溃，而大介孔（17-28 nm）的负极则在前两个循环中基本保持了其纳米结构，从而显著提高了容量保持率。
然而，随着更多充放电循环的继续，有序纳米结构会逐渐失去，导致电池性能下降。这些多尺度的测试提供了原子尺度变化如何在电池运行过程中转化为纳米结构变化的见解。
https://doi-org.1384.top/10.1021/acsnano.6b06708
案例二：单晶二维共价有机骨架弹性薄膜
在这里，作者制备了一种生产高强度、高韧性和高弹性的二维晶体–二维共价有机框架（COFs）薄膜的方法，其由单晶畴组成，在水面上通过交织的晶界连接，使用脂肪族双胺作为牺牲中间体。
研究发现，薄膜中不同层之间的间距约为3.09 Å。随着反应时间从12小时延长到16小时，GIWAXS图像中出现了多重和强烈的反射环，这表明薄膜中不同区域具有不同的平面内和平面外取向，反映了薄膜中不同畴的结晶度和取向的多样性。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07505-x
GISAXS和GIWAXS作为两种重要的X射线散射表征技术，在材料研究领域发挥着不可替代的作用。尽管它们在多个方面存在明显区别，但二者并不是相互孤立的，在实际研究中，常常可以相互补充。
通过GISAXS和GIWAXS技术的结合，科研人员能够从多个维度全面深入地了解材料的微观结构和性能，为材料的设计和性能的优化提供更加全面的指导。