近日，中國科學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）方法學研究方面取得重要進展。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路新慧教授團隊合作，搭建了國內首個飛行時間-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整和測量、雜散中子去除、反射峰屏蔽、以及數據采集與波長切割處理等多項技術難題，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薄膜樣品中面內和面外納米結構表征的能力。
合作團隊近期利用TOF-GISANS技術在有機光伏（OPV）異質結薄膜中首次發(fā)現了一種新的納米疇結構。相關研究以“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異質結由有機給體（D）和受體（A）混合物組成，給體和受體結構域的大小嚴重影響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)中不同的結構域（結晶和非晶疇）進行檢測區(qū)分。在該研究中，通過靶向氘化將PM6/Y6有機光伏體異質結中D/A中子散射襯度提高近一個數量級，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構域（如圖1）。研究結果表明d-Y6分子在無定形混合區(qū)域中存在短程聚集，該聚集可促進電荷提取并抑制電荷復合，這為有機光伏器件的結構設計和性能調控提供了至關重要的理論指導和實驗證據。
該項工作得到了國家自然科學基金委、粵港澳中子散射科學技術聯合實驗室、香港研究資助局、中國科學院青促會等機構的資助和支持。
圖1 GISANS實驗幾何配置、氘代OPV薄膜的小角X射線/中子散射數據和樣品形貌
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