说明：文章华算科技介绍了什么是同步辐射GIWAXS，通过实际案例剖析其在钙钛矿/有机叠层太阳能电池研究中的作用，以及如何与紫外–可见吸收光谱、电镜等表征手段协同，共同推动叠层电池效率实现突破性进展。同步辐射技术凭借其高强度、宽频谱、高准直性等独特优势，成为照亮有机薄膜微观世界的“灯塔”。尤其是原位掠入射广角 X 射线散射（in-situ GIWAXS）技术，能够实时追踪薄膜形成过程中的晶体演化动态，为揭示有机子电池性能瓶颈的根源提供了关键工具。
同步辐射（SR）是一种由接近光速的加速电子产生的电磁辐射。为了生成同步辐射X射线，通常需要以下关键设施：
首先是电子加速器（例如电子枪），其功能是将电子加速至特定能量水平（一般介于数百兆电子伏特至多吉电子伏特之间）；
其次是高真空储存环，加速后的电子以脉冲形式（即电子束团）注入其中；
最后是磁场装置，包括弯曲磁铁、摆动器和扭摆器等，这些装置用于调节发射的光束，并将其引导至光束线。此外，同步辐射设施还配备有狭缝、反射镜和单色仪等装置，用于精确选择所需的波长和光斑大小。
由弯曲磁铁产生的电磁辐射具有连续的波长分布，涵盖了从红外线到硬X射线的广泛范围。
在第三代同步辐射设施中，摆动器和扭摆器作为插入装置（IDs），能够产生高能辐射，但它们的波长特性存在差异。摆动器的光谱与弯曲磁铁产生的光谱类似，而扭摆器则能够提供高强度的准单色光。
此外，摆动器的辐射通量分布角度较大，而扭摆器由于其较小的分布角度，能够实现更高的亮度，从而使得光束更适合用于探测样品中的微小区域。因此，扭摆器被认为是第三代同步辐射设施中更优的插入装置选择。
GIWAXS将同步辐射X射线以约0.1–1°的掠射角引入薄膜表面，借助界面全反射所激发的瞬逝波把取样深度压缩到200nm以内，从而在这一超薄表层内产生足够强的广角散射信号。
二维面探测器记录的散射波矢q=kf–ki，其qx、qy、qz分量分别对应面内、面内正交和面外倒易空间方向；
由于埃瓦尔德球弯曲，倒易点阵与球面相交形成曲面投影，只有依次完成几何、偏振和洛伦兹–埃瓦尔德球校正，才能把原始像素坐标准确映射到q空间。
校正后的GIWAXS图像可同时给出晶格参数、相组成、晶粒尺寸与微观应变，并通过方位角χ的强度分布判断薄膜织构：
随机取向呈现完整的Debye-Scherrer环，高度取向则表现为局部弧段。
然而掠入射几何导致qr≈0附近的倒易空间信息缺失，形成“盲区楔形”，需要多角度入射或互补的反射率测量来补全。
凭借表面敏感、原子级分辨率、原位兼容以及与SAXS无缝衔接的优势，GIWAXS已成为解析有机半导体、钙钛矿、嵌段共聚物等薄层材料中分子堆积、相变和取向动力学的标准手段。
通过原位掠入射广角X射线散射（in-situ GIWAXS）技术，实时追踪有机薄膜的结晶动态与微观结构演化。DOI：10.1038/s41467-025-64032-7
揭示有机薄膜的结晶质量：从分子堆积到晶体取向
在论文中，团队通过GIWAXS（掠入射广角X射线散射）技术（基于同步辐射光源），系统分析了不同给体/受体比例（D:A从1:1.2到0.2:1.2）下，有机薄膜的结晶特性：
分子堆积密度：π-π堆叠与层间距离的变化
GIWAXS的核心是通过X射线散射信号，反推分子在薄膜中的排列方式。对于有机半导体，“π-π堆叠”（分子共轭平面的平行堆积）是电荷传输的关键——堆叠距离越短、排列越有序，电荷迁移率越高。
团队通过GIWAXS的面外（OOP）与面内（IP）线切割图谱（图b）发现：当给体D18含量降低时，π-π堆叠峰的强度逐渐减弱，面外方向的晶体相干长度（CCL，反映晶体尺寸）从22.0Å（D:A=1:1.2）缩短至16.0Å（D:A=0.2:1.2）；同时，面内方向的层间堆叠距离从20.7Å缩小至20.0Å，CCL从59.9Å降至28.8Å。
这一结果直接证明：给体含量不足会破坏分子的有序堆积，导致结晶度下降——而这正是激子解离受阻、复合损耗增加的根源。
晶体取向：面-on与edge-on
有机薄膜的晶体取向对电荷传输至关重要：“面-on取向”（分子共轭平面平行于衬底）有利于垂直方向（器件电荷收集方向）的电荷传输，而“edge-on取向”（分子共轭平面垂直于衬底）则会阻碍电荷迁移。
GIWAXS的方位角分布分析（图a的2D图谱），定量计算了不同D:A比例下晶体的取向比例：当D18含量从1:1.2降至0.2:1.2时，面-on取向比例从45.9%降至33.5%，而edge-on取向从26.7%升至35.2%。
这一发现进一步解释了器件效率下降的机制：给体不足不仅降低结晶度，还会破坏“利于电荷传输的面-on取向”，双重恶化电荷传输性能。
追踪薄膜形成的动态过程：从溶液到固体的阶段演化
原位GIWAXS技术（基于同步辐射的时间分辨能力），实时记录有机薄膜从溶液spin-coating（旋涂）到固体的整个演化过程，将其分为4个关键阶段（图f）
阶段I（溶液态）：溶剂未挥发，分子处于分散状态，GIWAXS未检测到明显的结晶峰（无(010)散射峰）。
阶段II（晶核形成）：溶剂开始蒸发，溶液浓度升高，给体与受体达到溶解度极限，开始形成晶核——GIWAXS首次出现(010)峰，π-π堆叠距离逐渐缩短（分子开始有序堆积）。
阶段III（晶体生长）：大部分溶剂蒸发，结晶过程加速，晶体尺寸（CCL）显著增大，π-π堆叠距离稳定（分子排列达到“有序平衡”）。
阶段IV（固态）：溶剂完全蒸发，薄膜结构稳定，所有结晶参数（堆叠距离、CCL、取向）不再变化。
通过对比不同D:A比例的薄膜演化时间，发现给体含量越低，晶体生长阶段（阶段III）的持续时间越短——例如，D:A=1:1.2时阶段III持续5.5秒，而D:A=0.2:1.2时仅持续1.5秒。
这意味着给体不足会导致晶体“快速生长但无序”，类似“匆忙搭建的积木”，最终结晶质量差。
原位紫外–可见光谱捕捉“分子怎么聚”，GIWAXS记录“晶体怎么长”。
UV-vis显示：D18吸收峰早早在原位时间尺度内定型，表明给体迅速搭出骨架；BTP-eC9-4F的峰则随给体减少而更快、更大幅度地红移，提示受体聚集被提前且加剧。
同步辐射GIWAXS对应给出：给体一旦不足，晶体生长阶段（III）明显缩短，结晶提速但有序度下降。
两者前后呼应，把“受体因给体短缺而加速无序聚集”这一分子级原因，与“晶体质量受损”这一结构级结果连成完整因果链，实现从聚集态到晶体序的闭环验证。
与原子力显微镜（AFM）/透射电子显微镜（TEM）：从“宏观形貌”到“微观结构”的印证
AFM（原子力显微镜）用于观察薄膜的表面粗糙度与微观形貌（如是否形成纤维状网络）；TEM（透射电子显微镜）则能直接观察薄膜的内部微观结构（如给体/受体的相分离情况）。
从AFM与TEM观察到：给体含量越高（D:A=1:1.2），薄膜表面粗糙度（RMS）越大（0.721 nm），且TEM显示明显的纤维状结构——这是有机太阳能电池的理想形貌（纤维网络利于电荷传输）；
给体含量降至0.2:1.2时，RMS降至0.561 nm（表面更平整），但TEM中纤维状结构几乎消失——说明薄膜虽“平整”但“无有效传输网络”的结果一致。
与飞秒瞬态吸收（fs-TA）光谱：从“结构”到“电荷动力学”的闭环
fs-TA（飞秒瞬态吸收光谱）是研究电荷传输动态的“黄金标准”，可在飞秒到纳秒时间尺度上，追踪激子解离、电荷转移、电荷复合等过程的时间常数——其核心作用是量化“电荷运动效率”。
通过fs-TA分析了不同给体含量下的“空穴转移动力学”（有机太阳能电池中，空穴从受体转移到给体的过程是电荷分离的关键）：
当D:A=1:1.2时，空穴转移的时间常数τ1（界面激子解离）为0.28 ps，τ2（域内激子扩散）为0.86 ps——说明激子解离快、扩散距离短（传输效率高）；
当D:A降至0.2:1.2时，τ1延长至0.84 ps，τ2延长至1.62 ps——说明激子解离变慢、扩散距离变长（传输效率低）。
这一结果与GIWAXS的结晶数据直接关联：给体不足导致晶体无序、面-on取向减少，进而增加了电荷传输的阻碍，使得空穴转移速度变慢。
GIWAXS是整条研究链的“晶体标尺”。
它以掠入射瞬逝场锁定 活性层，原位毫秒采样，直接给出π–π堆叠距离、相干长度、面-on/edge-on取向比和晶化动力学曲线。
把“给体含量变化如何扭曲分子packing、缩短晶体尺寸、削弱面-on 取向、加速无序成核”这一核心机制量化成可追踪的衍射指标，成为解析钙钛矿/有机叠层电池效率瓶颈的唯一实时结构探针。
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