基于掠入射X射线散射技术对有机纳米薄膜成膜机制原位研究

作     者：孙小康 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵镍;杨春明

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：原位 嵌段共聚物薄膜 共混物薄膜 掠入射X射线散射 成膜机制 

摘      要：有机纳米薄膜因其特殊的物理化学特性,可以设计表现出独特的微观结构以及光伏特性,因此在光伏领域具有广阔的应用前景。如何高效制备应用于太阳能电池的有机纳米薄膜成为当前研究重点,探究薄膜制备过程内部微观形貌的演变规律,对改善有机薄膜太阳能电池器件性能及稳定性具有非常重要的意义。本文针对在光伏领域的两种有机纳米薄膜的成膜过程进行了原位研究,一种是嵌段共聚物薄膜热诱导的自组装过程,另一种是给受体材料共混膜的刮涂成膜过程。应用同步辐射掠入射X射线散射技术（Grazing incidence X-ray scattering,GIXS）对有机纳米薄膜制备过程内部微观结构进行实时观察,揭示薄膜内部微观结构形成的规律和机制。本文开展的研究内容与结论如下:（1）嵌段共聚物自组装形成的有序结构通常可以作为结构导向层调节活性层内部的结构分布,本文利用掠入射小角X射线散射技术（Grazing incidence small angle X-ray scattering,GISAXS）原位研究了PS-b-PMMA嵌段共聚物薄膜的热诱导自组装过程,通过分析薄膜内部片晶结构演变规律,发现当温度高于玻璃化转变温度时,薄膜内部片晶首先发生重新取向。在150℃之后片晶周期长度L从开始的32.6 nm快速增加到41.9 nm。在保温阶段,晶粒尺寸ξ迅速增大超过1000 nm,而片晶周期长度L几乎不变。这一结果表明,PS-b-PMMA薄膜中有序结构的形成主要包含相分离过程和晶粒长大过程。同时探究了升温速率对薄膜内部结构的影响,结果表明较高的升降温速率下热诱导自组装过程可以获得更好的有序纳米结构。（2）给受体材料共混成膜是制备太阳能电池活性层材料的关键过程,本文利用GIXS和紫外可见光吸收谱（UV-vis absorption spectrum）原位研究了PM6:Y6共混物薄膜在刮涂制备过程中成膜机制。将UV-vis和GISAXS联用,用于分析成膜过程中薄膜吸光能力和内部相分离的结构关联,掠入射广角X射线散射技术（Grazing incidence wide angle X-ray scattering,GIWAXS）用于观察薄膜内部结晶以及取向排列变化。结果表明PM6:Y6共混物薄膜的成膜过程分为三个阶段:首先是溶解阶段,给受体材料充分溶解在溶剂中,没有形成特定结构;其次是成核生长阶段,随着溶剂逐渐挥发,分子开始成核并且逐渐长大,形成各向异性的内部排列结构;最后溶剂挥发完毕,薄膜内部结构也趋于稳态,最终形成稳定的形貌结构。同时探究了刮涂速率与薄膜内部结构形成的关联规律,发现合适的刮涂速率下薄膜呈现出更有利于激子传输的结构形貌,从而表现出更好的太阳能电池光电转换效率。