掠入射X射线散射法测量超光滑表面

介绍了掠入射X射线散射法(GXRS)测量超光滑表面的原理及基于商业用X射线衍射仪改造而成的实验装置。选择3片不同粗糙度的硅片作为实验样品,根据一级矢量微扰理论对各个样品所测量的散射分布进行处理。结果表明,GXRS法得到的样品功率谱密度函数(PSD)与使用原子力显微镜(AFM)所测量的结果基本相符。分析了探测器接收狭缝的宽度和入射光发散度对实验结果的影响,结果表明,在其他实验条件理想的情况下,当探测器接收狭缝宽度<0.02mm,入射光发散度<43″时,在空间频率>0.03μm-1的范围内,由其引起的PSD函数测量误差<2%。随着探测器接收狭缝宽度和入射光发散度的减小,测量误差呈指数迅速减小。在所测量的空间频率范围内,PSD函数的误差随频率的增加而减小,仪器的重复精度优于2.6%。

基于广角X射线散射技术的竹材纤维素晶型研究

纤维素Ⅰ是自然界中纤维素晶体的主要存在形式,它具有三斜晶体结构的I_α和单斜晶体结构的I_β。为进一步研究竹材中的纤维素晶型,利用同步辐射广角X射线散射(SR—WAXS)技术对毛竹竹壁纤维素晶型进行了初步研究,通过已知的纤维素晶胞模型计算晶面间距并预测衍射峰的峰位,再根据实验所得的实际峰位,判定竹材中纤维素的晶型。结果表明,竹材的衍射峰位与纤维素I_α的理论计算值相近,证明竹材中的纤维素I_β是绝大多数甚至是唯一品型。相比核磁共振技术而言,利用同步辐射广角X射线散射研究竹材中纤维素晶型是一个较为简单的方法。

掠入射X射线散射方法与应用

描述了掠入射X射线散射的基本方法,包括掠入射X射线衍射、掠入射X射线反射和掠入射X射线漫散射方法。还对实验室进行掠入射X射线散射的实验几何进行了描述,并给出X射线掠入射方法在纳米薄膜材料研究中的应用。

锗硅量子点掠入射小角X射线散射研究

采用同步辐射X射线对MBE制备的锗硅量子点试样进行了掠入射小角X射线散射(GISAXS,grazing incidence small angle X-ray scattering)研究。根据AFM测量得到的量子点尺寸、形状和间距等参数,采用DWBA理论以及合适的分布函数,利用IsGISAXS程序对一维和二维GISAXS测量结果进行了模拟,模拟结果与实验数据符合很好,表明GISAXS是一种探测锗硅量子点尺寸、形状和分布等结构信息有效的方法。

掠入射X射线散射法研究超光滑镜面粗糙度

在Xiaomin Tong等的理论上发展了一个二维理论模型,建立散射光强分布与超光滑表面功率谱密度(PSD)的关系。在上海同步辐射光源小角散射实验站上,用不同粗糙度的210 mm和320 mm长的超光滑反射镜进行掠入射X射线散射法(GIXRS)实验,测量散射分布并进行处理,计算出两块反射镜的表面均方根粗糙度(RMS)。与白光干涉法测量结果的比对结果表明,根据这种理论进行数据处理得到的RMS值,与白光干涉法的测量结果非常符合。

同步X射线散射技术研究γ射线辐照后PTFE的结构变化

利用γ射线辐照聚四氟乙烯(PTFE),用差示扫描量热法结合同步辐射小角X射线散射技术和广角散射技术研究辐照PTFE的结构变化。研究了辐照PTFE的颗粒尺寸、结晶度、界面厚度层参数、致密程度随剂量的变化规律。结果表明:室温条件下,γ射线辐照的PTFE主要发生裂解。随剂量的增加,试样的熔点及结晶焓增加、颗粒尺寸变小,内部结构更致密,结晶度增加。辐照后PTFE的分形形貌差别不大,具有"自相似"性。

基于同步辐射X射线散射技术的钙钛矿半导体结晶原位研究

有机-无机杂化钙钛矿具有带隙连续可调、可低成本溶液加工、电荷传输性能优异等优点,其太阳电池光电转化效率在短短十年间已经超过25%。然而,目前人们对高品质钙钛矿薄膜制备过程中的结晶行为认识不足,高质量晶体可控制备存在巨大挑战,阻碍了钙钛矿光伏的产业化发展。基于同步辐射X射线散射技术,作者团队系统地研究了三维有机-无机杂化钙钛矿MAPbI_(3)和FAPbI_(3)、二维有机-无机杂化钙钛矿Ruddlesden-Popper(RP)型(BA)_(2)(MA)_(3)Pb_(4)I_(13)和层间阳离子交替(ACI)型(GA)(MA)_(3)Pb_(3)I_(10)、以及全无机钙钛矿CsPbI_(2)Br5种体系的成膜结晶动力学过程,揭示了钙钛矿结晶原位生长过程的相变机制和各种相的演变动力学,对相应的观测方法、研究成果进行了总结评述,希望促进钙钛矿结晶动力学机制方面的原创性研究,推动钙钛矿光电技术的发展。

软X射线掠入射望远镜的成像质量评价

为了评价软X射线掠入射望远镜的成像质量,提出了一种利用ZEMAX和MATLAB相结合的像质评价方法。根据这种方法编写的像质评价程序不仅考虑了孔径衍射、几何像差和装调误差等因素对成像质量的影响,而且加入了望远镜面形误差和X射线散射效应的影响。利用勒让德-傅里叶多项式和用户自定义表面,在ZEMAX中建立带有面形误差的筒状反射镜表面模型,实现对真实面形的掠入射反射镜的仿真;根据Harvey-Shack散射理论建立了ZEMAX中的BSDF散射模型,实现对X射线散射的仿真。搭建X射线有限远成像实验装置,对像质评价程序进行了验证。实验结果和仿真结果对比表明实验光斑和仿真光斑的光强分布基本一致,以实验结果为基准,仿真光斑的半高全宽横向和纵向的相对误差分别为14.7%和11.3%。说明像质评价程序的仿真结果基本符合真实情况,对掠入射光学系统的设计和加工具有一定的指导意义。

同步辐射小角X射线散射及其在材料研究中的应用

小角X射线散射(small angle X-ray scattering,SAXS)是研究物质内部一纳米到数百纳米甚至到微米尺度级别微观结构的有力工具。近年来随着我国同步辐射技术的不断发展,同步辐射SAXS技术被越来越多地应用到各种材料的研究领域。然而,由于SAXS图谱是倒空间的信号,并不像显微镜那么直观,也不如X射线衍射(XRD)那么被大家所熟知。简要介绍了SAXS的基本原理(稀疏体系、稠密体系),简短回顾了我国同步辐射小角散射线站的发展和进步。主要介绍了最近十余年基于同步辐射SAXS原位实时检测技术在高分子材料成型加工(结晶、取向性、周期性),原位SAXS和反常SAXS技术在合金相析出(成分、团簇尺寸),以及掠入射X射线散射在介孔薄膜(区域尺寸、位错因子)和有机光伏薄膜等领域中的典型应用,并展望了同步辐射SAXS技术的发展趋势及其在材料领域的应用前景。

软X射线光学表面散射检测

应用自行研制的软X射线反射率计,分别对不同的反射镜样品,在不同的工作波段以及掠射角下研究了软X射线波段掠入射光学表面的散射.实验结果表明:掠射角增加,波长减小,粗糙度增加,软X射线掠入射表面散射程度加重.

利用小角/广角X射线散射联用及一维相关函数分析研究聚(ε-己内酯)片晶的形态

用小角/广角X射线散射(SAXS/WAXS)联用的实验方法考察了等温结晶温度(Tc)和等温时间对聚(ε-己内酯)(PCL)片晶形态的影响.根据WAXS数据计算了PCL的重量结晶度,进而求得其体积结晶度Vc(WAXS).在不同Tc下结晶的PCL样品的Vc(WAXS)均略高于50%.对SAXS谱线做一维相关函数(1DCF)分析,得到了PCL的片晶长周期(LP)和无定形层厚度(La).通过比较WAXS及SAXS的数据分析结果,认为PCL晶体需用"三相模型"予以描述,其过渡层厚度(E)约为LP的15%～18%,对片晶形态具有重要影响.随着Tc升高,PCL晶体的Lc、La及E均逐渐增大,但Lc的变化率最大,这使得结晶度上升.在50℃等温结晶不同时间,发现Lc随延长时间显著增加,而La及E则不断减小.等温10天后,PCL晶体的SAXS谱线上可观察到5级散射,表明片晶相当完善.

溶液法原位大面积制备钙钛矿光电薄膜成膜的同步辐射可视化结晶过程研究

溶液法是新型光电器件制备的重要手段,然而以钙钛矿半导体材料为代表的薄膜样品制备通常需要在手套箱环境下完成,传统的实验表征大多在空气环境下进行,这显然很难反映薄膜结构与器件性能间的真实关联,因此急需对溶液成膜过程的微结构演变开展原位实时研究.为了实现溶液法成膜中的结构与形貌的同步辐射掠入射广角散射实时观测,本文结合上海同步辐射光源线站布局,报道了一种基于手套箱的原位成膜观测装置,可实现标准手套箱环境(c(H_(2)O,O_(2))<1×10^(-6))下远程控制薄膜旋涂、涂布及样品后处理,并实时可视化监测微结构和形貌演变.基于该装置进行的钙钛矿薄膜狭缝涂布大面积成膜结晶过程的原位GIWAXS/GISAXS(gtrazing incidence wide and small angle X-ray scattering)可视化测试揭示了薄膜微结构转变的内在驱动力:钙钛矿薄膜沉积界面层的优化对提升钙钛矿成核速率、诱导结晶择优取向、形成晶粒有序堆叠等具有“共性作用”,同时在成膜过程中的新生中间相显著提升软晶格薄膜质量和稳定性.基于各层均采用卷对卷全溶液狭缝涂布方法制备的大面积全柔性三维钙钛矿薄膜太阳能电池转换效率提升至5.23%(单个器件面积约15 cm^(2)),为迄今报道的这一体系该尺寸的全溶液狭缝涂布柔性钙钛矿器件的最高器件效率之一.因而,基于该同步辐射原位GIWAXS/S/GISAXS装置可以获得控制薄膜生长界面特性和薄膜品质的关键工艺,指导优化制备薄膜的最佳工艺条件.

基于SR-WAXS技术的竹材纤维素晶胞模型研究

竹材中纤维素聚集态结构的不同,将直接影响到竹纤维复合材料性能,对于竹材纤维素晶胞单元的认识主要基于Meyer-Misch模型,由于天然纤维素的同质异构体,在每种植物中存在比例不同,所以竹材中纤维素应有其特有的晶胞模型。以毛竹(Phyllostachys edulis(carriere)J.Houz)为研究对象,通过同步辐射广角X射线散射技术对毛竹纤维素晶胞模型进行研究,利用单斜晶系晶面间距公式与毛竹纤维素衍射峰,精确计算晶胞模型。结果显示,若以b轴为纤维轴的单斜晶系纤维素单元,则晶胞参数为:a=8.35,b=10.38,c=8.02,β=84.99°,该晶胞包含四个葡萄糖基,由两条反向平行分子链构成。研究结果可为开发制作高性能竹纤维复合材料等高附加值应用提供理论依据。

不同结晶形态聚乳酸单轴拉伸过程的WAXS研究

通过二维广角X射线散射对具有相同结晶度但不同结晶形态聚乳酸的单轴拉伸行为进行了研究。结果表明,较小的球晶和较薄的原始晶片有利于应力诱导熔融,可使对应样品达到更大的拉伸应变和更高的结晶取向度,此外,较高拉伸温度有利于初始晶片的破坏和纤维状晶体的形成。

光学散射法表面特征的测量与分析

光学表面评价和检测对光学研究,尤其是短波段光学研究具有重要的意义。介绍了短波段掠入射表面散射线性模型,并根据这个理论,建立了软X射线掠入射表面逆散射模型。利用这个数学模型对由软X射线反射率计测得的数据进行计算,得到通过散射测量所获得的样品表面特征值,所测结果与WYKO测量结果吻合。测量结果表明:掠入射软X射线光学散射法能够较为精确地计算出光滑表面粗糙度和表面自相关函数,可以很直观地反应出光学表面形貌特征。

广角X射线散射实验的散射角度修正

在同步辐射小角与广角联用X射线散射实验中由于原位实验设备的引入,探测器所获得的散射角并非真实的散射角,因此需要对探测值进行修正以获得真实的散射角.校正过程需要解决两个问题:一是要建立一个方程来完整描述实验中可能产生角度偏差的各种因素;另一个问题是寻找探测值和真实散射角的对应关系.本文以一维弧形探测器为原型建立了一种通用构造校正方程的方法,首先建立以样品中心为原点的几何模型方程,然后根据精度要求对方程进行泰勒近似,获得了简化的校正方程.通过模拟不同实验条件下的真实散射角与探测值,证实了校正方程的可行性,同时模拟结果也可以应用于解决寻峰的问题,最后选取La B6,Ce O2,Y2O3三种标准样品在不同实验条件下对校正精度进行了验证.根据探测器偏离样品中心的距离可分为三种模式(模式一<模式二<模式三),模式二、三的校正结果与理论分析相吻合,而模式一由于角度分辨较小以及视差效应等造成校正精度略大于理论预测值.这一方法同样适应于一维线性探测器、二维面形探测器等广角探测器.

高聚物黏结剂对HMX相变行为的影响

为了探究高聚物黏结剂对奥克托今(HMX)相变行为的影响,使用压装成型工艺制备了含聚酯型聚氨酯(HMX⁃Estane)、氟橡胶(HMX⁃F_(2314))、硝化纤维素(HMX⁃F_(2314)⁃NC)的HMX基高聚物黏结炸药以及纯HMX药柱,利用原位变温X射线广角散射(WAXS)技术和差示扫描量热法,研究了热刺激下样品中HMX的相变行为和机制。WAXS结果表明,HMX⁃Estane(95∶5)、HMX药柱、HMX⁃F_(2314)(95∶5)、HMX⁃F_(2314)⁃NC(95∶3∶2)的相变起始温度(T_(i))分别为186℃、188℃、192℃、198℃。相比于HMX药柱,黏结剂中加入少量的NC(2%),T_(i)可提升10℃。真空条件下,4种样品从高温δ相降温至100℃保温,只有HMX⁃Estane发生了δ→β逆相变且在3.5 h内δ相全部转变为β相,而其他样品均未发生相变,仍为δ相。β⁃HMX在HMX⁃Estane界面位置的溶解(升温过程)和析出(降温过程)可能是促进HMX⁃Estane发生β→δ相变,及其逆相变的主要因素。

热定形工艺对高强型聚酯工业丝结构性能的影响

为探究不同热定形温度获得的高强型聚酯工业丝性能差异的内在结构因素,对3种高强型聚酯工业丝的结构性能进行对比。采用小角X射线散射和广角X射线衍射方法对其多尺度微观结构进行研究,结合力学性能及热收缩等结果,明确不同热定形工艺对高强型工业丝结构性能的影响。结果表明:热定形温度主要影响聚酯工业丝非晶区取向和片晶结构;相比于高强中缩(HTMS)和高强(HT)聚酯工业丝,高强低伸型(HTLE)聚酯工业丝的热定形温度低,高倍牵伸产生的伸直非晶区分子链在较低热定形温度下并未及时排入晶格形成结晶,而发生了小幅的回复,导致HTLE聚酯工业丝表现出非晶区取向高、结晶度低、晶粒尺寸小与片层倾斜角较大的结构特点,从而使断裂伸长率最小、初始弹性模量最大、尺寸稳定性差。

烧结工艺对聚四氟乙烯长丝力学性能的影响

采用差示扫描量热仪、小角/广角X射线散射仪、万能材料试验机等,研究了烧结过程中温度、时间及冷却方式对聚四氟乙烯(PTFE)长丝结构与力学性能的影响;进一步探究了长丝成型加工过程中拉伸比的影响。结果表明,烧结温度过低,结晶度较高,而烧结温度过高,材料过度烧结导致结晶度下降;断裂强力随温度升高呈现先上升后下降趋势,断裂伸长率明显降低。烧结时间不同,结晶度变化较小,但断裂强度和断裂伸长率均随时间延长而降低。退火制品结晶度高,拉伸强度大,断裂伸长率低;而淬火制品结晶度较低,力学性能较差。其次,随着拉伸比增加,结晶度降低,取向度提高,部分非晶态链沿拉伸轴定向排列,使得长丝断裂强力明显提高,断裂伸长率明显降低。