近日，中国科学院高能物理研究所中国散裂中子源（CSNS）小角散射仪在掠入射小角中子散射（GISANS）方法学研究方面取得重要进展。CSNS小角散射仪的柯于斌、杨华、蒋寒秋和李昱皓等人与香港中文大学路新慧教授团队合作，搭建了国内首个飞行时间-掠入射小角中子散射（TOF-GISANS）研究平台。团队先后攻克了中子入射角高精度调整和测量、杂散中子去除、反射峰屏蔽、以及数据采集与波长切割处理等多项技术难题，最终完成了硬件与配套软件的开发，从而使得CSNS小角谱仪具备了对100 nm~1μm薄膜样品中面内和面外纳米结构表征的能力。
合作团队近期利用TOF-GISANS技术在有机光伏（OPV）异质结薄膜中首次发现了一种新的纳米畴结构。相关研究以“Deuteration-enhanced neutron contrasts to probe amorphous domain sizes in organic photovoltaic bulk heterojunction films”为题在线发表在Nature子刊《Nature Communication》。OPV异质结由有机给体（D）和受体（A）混合物组成，给体和受体结构域的大小严重影响OPV器件的性能，但因衬度差别小，采用X射线散射无法对D/A混合区中不同的结构域（结晶和非晶畴）进行检测区分。在该研究中，通过靶向氘化将PM6/Y6有机光伏体异质结中D/A中子散射衬度提高近一个数量级，从而首次揭示了PM6/氘化Y6（d-Y6）OPV薄膜中一种新的非晶纳米结构域（如图1）。研究结果表明d-Y6分子在无定形混合区域中存在短程聚集，该聚集可促进电荷提取并抑制电荷复合，这为有机光伏器件的结构设计和性能调控提供了至关重要的理论指导和实验证据。
该项工作得到了国家自然科学基金委、粤港澳中子散射科学技术联合实验室、香港研究资助局、中国科学院青促会等机构的资助和支持。
图1 GISANS实验几何配置、氘代OPV薄膜的小角X射线/中子散射数据和样品形貌
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