9篇Science和Nature为何抛弃XRD，GIWAXS表征有何魅力？

简单来说，同步辐射光源更快、更强！同步辐射光源是将电子束在储存环中加速，使其在磁场中产生偏转而产生高强度的电磁辐射，这种辐射被称为同步辐射，其具有高能量，高亮度，宽波段，高准直等优势，它的空间与时间分辨率非常高，可以实现亚微米级别的空间分辨和亚皮秒级别的时间分辨，由此可以用于跟踪时间尺度极小的物理过程与化学反应。

基于同步辐射光源的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）与X射线衍射（XRD）原理相同，相对于实验室传统的XRD技术有以下几个优势：

1. XRD使用的一维探测器，记录的数据数据仅限于德拜环与赤道平面截面，信息量少，还可能失真。GIWAXS使用二维面探测器，记录数据为平面范围内的全德拜环，所以GIWAXS采集的信息量较大。

2. GIWAXS采用二维面探测器，可同时接收该空间范围内的所有散射、衍射信息，因此可以完整探测高取向样品的所有晶面，并指出其排列方向。根据信号的形状，可以判断晶体的空间取向信息。

3. 由于同步辐射光源高强度高亮度的特性，再加上面探测器扫描速度快，GIWAXS技术可以在极短的时间内获得材料中各种精细结构的信息。相对于传统XRD，同步辐射GIWAXS可大大缩短每张衍射图样的采集时间。

4. 同步辐射GIWAXS技术为一些变化很快、测量窗口很短的需求带来了可能，可以对一个极快的化学反应进行原位测试，跟踪微秒级反应变化中的结构信息。

5. 通过调节GIWAXS入射角，可以获得浅表面-表面-体相的深度结构信息，由此分析薄材料纵向空间范围的结构差异，还可以用于应力分析。

https://doi.org/10.1002/adma.202105290

同步辐射光源早已成为了材料学大佬们的顶刊神器，接下来让我们看看这两年GIWAXS表征助攻发表的顶刊：

Science：高效反式钙钛矿太阳能电池的埋地界面缺陷钝化

作者通过变角度GIWAXS技术，更换不同的X射线入射角度，对剥离下来的钙钛矿薄膜底界面进行探测，获得了在薄膜纵向不同深度的晶体结构信息。

https://doi.org/10.1126/science.adg3755

Science：耐温度变化的高效p-i-n钙钛矿太阳能电池

作者利用了GIWAXS技术超快的时间分辨的特点，对钙钛矿薄膜制备过程（旋涂+退火）中的结晶动力学进行跟踪。如图可以清晰的观察到，在退火阶段，采用偶极子钝化的薄膜缩短了溶剂中间相转变为黑相钙钛矿的时间。

https://doi.org/10.1126/science.add7331

除此之外，作者还通过原位变温实验，观察了钙钛矿薄膜在高温下分解的晶体结构变化过程，并根据结构信息计算出不同温度下薄膜内部的应力变化。

Science：具有定制维度2D/3D异质结的湿热稳定钙钛矿太阳能电池

作者构建了精细的低维钙钛矿来提升太阳能电池器件的抗热抗湿性，通过GIWAXS观察到单层与双层低维钙钛矿的衍射峰。如图所示，由于高n值结构的形成能较低，经热退火处理的多晶薄膜在z方向上仅呈现出单层的衍射峰；而室温后处理的薄膜除了观察到单层低维钙钛矿结构衍射峰外，同时呈现出更强的双层结构衍射信号。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5784

Science：全无机界面稳定钙钛矿太阳电池的加速老化

作者在CsPbI₃钙钛矿表面用氯化铯溶液处理，引入了一层2D保护层Cs₂PbI₂Cl₂用作表面钝化。通过调节X射线的入射角，可以在0.15°发现2D层的特征晶面（002）与二级衍射（004）的信号峰；当增加入射角到0.3°时，2D层的特征衍射相对强度变弱，说明二维层优先在CsPbI₃的表面生成。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5679

Science：用于持久高效太阳能电池的3D/2D钙钛矿双层堆叠的确定性制造

作者同样在钙钛矿薄膜表面铸造一层BA₂MAPb₂I₇二维钙钛矿层，并通过变角度GIWAXS与X射线入射深度模拟获得了二维与三维接触渐变区的结构信息，即表面二维与底层三维结构在不同深度的含量比。

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https://science.org/doi/10.1126/science.abq7652

Nature：基于挥发性烷基胺氯化物调控钙钛矿生长

作者同样通过原位GIWAXS技术，跟踪了钙钛矿薄膜的晶体生长过程，并得出了取向优良的钙钛矿多晶薄膜。经过烷基铵氯化盐的处理，2D衍射图上弥散的衍射环变为代表高取向的布拉格衍射斑点。

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05825-y

Nature：具有高效载流子动力学的钙钛矿超晶格

作者利用GIWAXS研究了普通低维锡基钙钛矿薄膜与基于化学外延生长的超晶格钙钛矿的晶格取向。由二维GIWAXS衍射花样可以清晰地看到普通低维钙钛矿的衍射峰沿面外生长（out-of-plane），对应于低维结构纳米片平行于基底；而基于外延生长的低维钙钛矿则出现了周期性排列的面内生长（in-plane），对应于低维结构纳米片垂直于基底（下图第三种排列结构）。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04961-1

Nature：通过调节表面电位使全钙钛矿叠层电池电压最大化

通过对对照组钙钛矿薄膜与1，3-丙二胺氢碘盐处理后的薄膜进行GIWAXS测试，作者获得了在0.15°入射角下样品表面结构的信息：PDA的存在成功抑制了PbI₂相的形成，同时抑制了表面宽接触电位导致的富Br相钙钛矿形成。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z

Nature：量子点固体的衬底合成

CsPbBr₃量子点晶粒尺寸均一，亚稳态的中间相和可控结晶过程是其主要原因。通过原位GIWAXS跟踪铯铅溴钙钛矿（CsPbBr₃）量子点在旋涂和退火过程中的相变。在滴加反溶剂后，前驱体溴化铅与溶剂二甲基亚砜形成的加合物PbBr₂-2DMSO中间相形成。在退火过程中出现了3个独立的峰，分别归属于立方相CsPbBr₃的（002）、（110）、（001）晶面。