近日，中國科學(xué)院高能物理研究所中國散裂中子源（CSNS）小角散射儀在掠入射小角中子散射（GISANS）方法學(xué)研究方面取得重要進(jìn)展。CSNS小角散射儀的柯于斌、楊華、蔣寒秋和李昱皓等人與香港中文大學(xué)路新慧教授團隊合作，搭建了國內(nèi)首個飛行時間-掠入射小角中子散射（TOF-GISANS）研究平臺。團隊先后攻克了中子入射角高精度調(diào)整和測量、雜散中子去除、反射峰屏蔽、以及數(shù)據(jù)采集與波長切割處理等多項技術(shù)難題，最終完成了硬件與配套軟件的開發(fā)，從而使得CSNS小角譜儀具備了對100 nm~1μm薄膜樣品中面內(nèi)和面外納米結(jié)構(gòu)表征的能力。
合作團隊近期利用TOF-GISANS技術(shù)在有機光伏（OPV）異質(zhì)結(jié)薄膜中首次發(fā)現(xiàn)了一種新的納米疇結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究以“Deuteration-enhanced neutron contrasts to probe amorphous domain sizes in organic photovoltaic bulk heterojunction films”為題在線發(fā)表在Nature子刊《Nature Communication》。OPV異質(zhì)結(jié)由有機給體（D）和受體（A）混合物組成，給體和受體結(jié)構(gòu)域的大小嚴(yán)重影響OPV器件的性能，但因襯度差別小，采用X射線散射無法對D/A混合區(qū)中不同的結(jié)構(gòu)域（結(jié)晶和非晶疇）進(jìn)行檢測區(qū)分。在該研究中，通過靶向氘化將PM6/Y6有機光伏體異質(zhì)結(jié)中D/A中子散射襯度提高近一個數(shù)量級，從而首次揭示了PM6/氘化Y6（d-Y6）OPV薄膜中一種新的非晶納米結(jié)構(gòu)域（如圖1）。研究結(jié)果表明d-Y6分子在無定形混合區(qū)域中存在短程聚集，該聚集可促進(jìn)電荷提取并抑制電荷復(fù)合，這為有機光伏器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能調(diào)控提供了至關(guān)重要的理論指導(dǎo)和實驗證據(jù)。
該項工作得到了國家自然科學(xué)基金委、粵港澳中子散射科學(xué)技術(shù)聯(lián)合實驗室、香港研究資助局、中國科學(xué)院青促會等機構(gòu)的資助和支持。
圖1 GISANS實驗幾何配置、氘代OPV薄膜的小角X射線/中子散射數(shù)據(jù)和樣品形貌
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