GIWAXS（广角略入射X射线衍射）技术最近六年频频出现在了顶刊杂志上，小编统计了下，一共有4篇Nature和12篇Science，如下图，Science数量远多于Nature。
那么这个技术为什么之前没有出现在顶刊呢？这还是要归因于材料的快速发展，让技术有了充分的用武之地。
本篇文章主要介绍GIWAXS的基本原理及顶刊应用。
GIWAXS测试大家会觉得很高大上，其实它和TEM衍射的原理是一样的，甚至可以这么说GIWAXS=TEM衍射≈XRD，这些表征都是基于布拉格衍射（2dsinθ=nλ）。
1. GIWAXS和TEM衍射都是二维平面图像，信息量大，而XRD一般是一维图像，很多信号会被散射；
2. GIWAXS一般采用高亮度、高准直的同步辐射光源，这是GIWAXS能够实现空气中测试的重要原因，而TEM需要高真空，因为其电子束质量远不如同步辐射，受空气中干扰程度大；
3. TEM衍射的样品要求非常严格，需要附着在载体上，制样要求高，而GIWAXS可以测试粉末、薄膜、块体、液体，几乎全能。
4. GIWAXS一般是改变略入射角测不同样品深度的信号，但GIWAXS也可以像TEM一样做透射模式，如上图所示，把TEM衍射和透射GIWAXS原理基本一样，只是光源和设备不同而已；
5. GIWAXS数据解析的思路和TEM衍射是一样的，几何关系一致，只是需要不同的软件去解析，目前比较成熟的GIWAXS解析软件挺多，比如Fit2D软件，数据处理推荐使用美国阿贡国家实验室Zhang Jiang提供的开源MATLAB脚本，并且他专门发表文章做案列解析，GIXSGUI: a MATLAB toolbox1。
GIWAXS可以加热测试；
GIWAXS可以原位旋涂；
GIWAXS可以分析相结构；
GIWAXS可以分析结晶度；
GIWAXS可以结合光照测试；
GIWAXS可以分析晶体取向；
GIWAXS可以说明择优取向；
GIWAXS可以分析垂直分布；
GIWAXS可以分析晶格适配度；
-
加州大学伯克利分校的杨培东教授作为纳米领域的泰斗级人物，他很早就开始用GIWAXS表征二维钙钛矿薄膜，并且发现GIWAXS得出来的衍射斑点信号和TEM的一致，而且能够测到更多的衍射斑点。2这充分说明了GIWAXS和TEM同根同源。
加州大学伯克利分校Christopher J. Chang在 FTO和石英基底上制备COF薄膜。GIWAXS显示COF薄膜在基底上的结晶度高。3这篇文章GIWAXS配色和上面一篇很像，估计是同一个人处理的。
西北大学Mercouri G. Kanatzidis等人在Nature发了一篇重要低维结构文章，这篇文章引起了大家对低维钙钛矿的广泛关注，目前已经被引用1579次。4他们利用热旋涂的方法，取得了非常高取向性的钙钛矿薄膜，当GIWAXS衍射环变成衍射斑点的时候，说明晶粒是非常有取向性的。
韩国Seok教授用GIWAXS证明了他们制备的薄膜中存在α-FAPbI3、δ-FAPbI3和PbI2的存在，并且通过变角度测试，不同组分在垂直方向的分布不同. 5
洛桑联邦理工学院大学的Michael Gratzel用GIWAXS证明CuSCN具有择优取向，其生长方式是平行于基底生长。6
洛斯阿拉莫斯国家实验室Aditya D. Mohite等人在真空恒温状态下，用GIWAXS结合光照测试钙钛矿薄膜，他们发现钙钛矿薄膜在180min光照下并没有出现新的峰，但是峰的位置随时间会低角度移动，并且对于杂化钙钛矿材料是普遍现象。最后，他们发现晶格膨胀导致局部晶格应变弛缓，降低了钙钛矿接触界面的能垒，从而提高了开路电压和填充因子。7
剑桥大学Richard H. Friend1 和 Samuel D. Stranks等人用GIWAXS测试不同钾掺杂浓度的钙钛矿薄膜，并对其进行了方位角积分，发现有新的相出现，这可能是钾存在于晶界和表面的证据。8
北大周欢萍用GIWAXS证明添加稀土元素Eu之后，取向性没有变化。9说个题外话，这篇文章今年用于理综出题了。
上海交大赵一新等人，利用上海光源的原位加热GIWAXS表征，成功证明了β-CsPbI3在30到230摄氏度之间GIWAXS变化很小，揭示了纯相的β-CsPbI3比α-CsPbI3和γ-CsPbI3具有更佳的本征相稳定性。值得注意的是，之前报道的大部分被错误索引到α-CsPbI3相的XRD谱实际上对应于γ-CsPbI3，这与后者的1.73 eV带隙相一致。10
鲁汶大学Maarten B. J. Roeffaers把GIWAXS用到了极致，整篇文章一半的图和GIWAXS有关。他们用加热的气流给样品加热，并用GIWAXS原位观察样品在加热、降温和退火之后的样品变化。11
韩国Seok教授现在发Science用GIWAXS表征已经成了标配，他用GIWAXS再次说明薄膜中存在α-FAPbI3、δ-FAPbI3和PbI2的存在。12
韩国韩国化学技术研究所Jangwon Seo等人，用GIWAXS表征发现一个明显的垂直方向信号在0.39Å-1，另一个强烈的平行方向信号是在0.67Å-1，这证明后处理过的薄膜，成功在三维钙钛矿表面形成了低维结构。13
加拿大多伦多大学的Saegent教授将GIWAXS用于量子点表征，测试了不同CQD和CsPbBr2I浓度的GIWAXS图，发现峰位置没怎么移动，这充分证明了二者的晶格匹配度高。14
芝加哥大学的Jiwoong Park教授合成了具有晶片尺度均匀性的2D卟啉聚合物薄膜，2D聚合物被用于制造与MoS2混合的超晶格阵列，并且他们用GIWAXS看到了不同MoS2的超晶格结构。15
韩国Seok教授第三次用GIWAXS技术发Science，这次他生长的α-FAPbI3薄膜具有非常好的取向性。16
加拿大多伦多大学的Saegent教授用GIWAXS，证明了硫醇钝化处理不同时间的薄膜是基本一致的，说明和处理时间长短影响不大。17
1. Z. Jiang, GIXSGUI: a MATLAB toolbox for grazing-incidence X-ray scattering data visualization and reduction, and indexing of buried three-dimensional periodic nanostructured films. J. Appl. Crystallogr. 48, 917-926 (2015).
2. L. T. Dou et al., Atomically thin two-dimensional organic-inorganic hybrid perovskites. Science 349, 1518-1521 (2015).
3. S. Lin et al., Covalent organic frameworks comprising cobalt porphyrins for catalytic CO2 reduction in water. Science 349, 1208-1213 (2015).
4. H. H. Tsai et al., High-efficiency two-dimensional Ruddlesden-Popper perovskite solar cells. Nature 536, 312-+ (2016).
5. W. S. Yang et al., Iodide management in formamidinium-lead-halide-based perovskite layers for efficient solar cells. Science 356, 1376-1379 (2017).
6. N. Arora et al., Perovskite solar cells with CuSCN hole extraction layers yield stabilized efficiencies greater than 20. Science 358, 768-771 (2017).
7. H. Tsai et al., Light-induced lattice expansion leads to high-efficiency perovskite solar cells. Science 360, 67-70 (2018).
8. M. Abdi-Jalebi et al., Maximizing and stabilizing luminescence from halide perovskites with potassium passivation. Nature 555, 497-501 (2018).
9. L. Wang et al., A Eu3+-Eu2+ ion redox shuttle imparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells. Science 363, 265-270 (2019).
10. Y. Wang et al., Thermodynamically stabilized beta-CsPbI3-based perovskite solar cells with efficiencies > 18%. Science 365, 591-+ (2019).
11. J. A. Steele et al., Thermal unequilibrium of strained black CsPbI3 thin films. Science 365, 679-+ (2019).
12. H. Min et al., Efficient, stable solar cells by using inherent bandgap of α-phase formamidinium lead iodide. 366, 749-753 (2019).
13. E. H. Jung et al., Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly(3-hexylthiophene). Nature 567, 511-515 (2019).
14. M. Liu et al., Lattice anchoring stabilizes solution-processed semiconduct
15. Y. Zhong et al., Wafer-scale synthesis of monolayer two-dimensional porphyrin polymers for hybrid superlattices. Science 366, 1379-+ (2019).
16. G. Kim et al., Impact of strain relaxation on performance of alpha-formamidinium lead iodide perovskite solar cells. Science 370, 108-112 (2020).
17. Y. Hou et al., Efficient tandem solar cells with solution-processed perovskite on textured crystalline silicon. Science 367, 1135-+ (2020).
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
说明
🔹本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。
🔹欢迎广大读者对本文进行转发宣传。
🔹《科学材料站》会不断提升自身水平，为读者分享更加优质的材料咨询，欢迎关注我们。
投稿请联系contact@scimaterials.cn
