TECLIS泡沫分析儀&界面流變儀在食品研究中的重要應用

法國泰克利斯（TECLIS Scientific）儀器公司 ，致力于開發專業的表界面科學儀器表界面科學儀器，提供全面表征泡沫和乳液等分散體系的解決方案，用于研究和了解液體/液體、固體/液體、氣體/液體的表界面特性。

泰克利斯公司研發生產的泡沫分析儀和界面流變儀在食品領域中有著廣泛的應用，可以為食品行業提供專業的解決方案，滿足所有的測量需求。

1.泡沫

? 泡沫結構

? 泡尺寸大小分布分析

? 發泡能力

? 泡沫穩定性和生命周期

? 與發泡性相關的蛋白質行為以及發泡性能的比較

2.表面活性劑

? 表面活性劑的吸附及發泡性的關系

? 研究表面活性劑與蛋白質在界面上的相互作用

? 表面活性劑對乳液物理性質的影響

? 食品級表面活性劑的界面和發泡性能

? 表面活性劑的表征：CMC, 吸附動力學，張力平衡

3.飲料

? 咖啡、牛奶、啤酒......的泡沫特性

? 提高飲料的發泡性

? 乳狀飲料的粘彈性特性

? 氣泡液的特性

? 食品粉體再水化

? 消泡效果

4.蛋白質

? 蛋白質的特性

? 油類類型對蛋白質的吸附性

? 蛋白質的行為與飲料的發泡性有關

? 蛋白質的界面、發泡和乳化特征

? 蛋白質在空氣/水和油/水界面的吸附作用  

5.乳液

? 油類類型對蛋白質的吸附性

? 用表面流變學解釋乳液穩定性

? 乳液液滴的凝聚和穩定性

? 在水/油或水/空氣界面上的吸附性

? 油包水乳劑的穩定性或水包油乳劑的穩定性

6.脂類

? 蛋白質/脂質的相互作用

? 磷脂穩定的乳液

? 研究酶的作用動力學

? 表面活性劑對脂質消化的影響

? 磷脂在油/水界面的吸附作用

7.膠囊 Capsules

? 厚度可控的膠囊和平膜

此外，泰克利斯界面流變儀和泡沫分析儀及其高溫高壓解決方案還廣泛應用于生命科學、日用化學品和石油天然氣等領域行業研究中，為使用者提供專業的解決方案。

TRACKER自動多功能界面流變儀通過對液滴或氣泡的輪廓進行數值分析來確定兩種不相溶流體之間的動態表面/界面張力，表征兩種不相溶液體之間的界面特性。

TRACKER界面流變儀能夠提供全方位的測量：

-上懸滴的氣泡或液滴          -表面張力（液體/液體）

-下懸滴的氣泡或液滴          -界面張力（液體/液體）

-躺滴                                  -接觸角（液體/固體）

-俘泡法的滴或泡                 -動態接觸角

-溫度                                  -界面膨脹流變學

-壓力                                  -粘彈性模量

                                          -剛性系數

                                         -臨界膠束濃度(CMC)

強大的圖像分析軟件：

TRACKER?軟件使用算法分析液滴的輪廓，并將其與基于Young-Laplace方程的模型進行擬合，以確定表面張力、 界面張力或接觸角。

TRACKER?軟件通過在特定的頻率和振幅下控制液滴體積或面積的變化，來研究界面的流變特性。

智能模塊化設計：

-相交換選項

-高頻振蕩的壓電選項

-壓力傳感器測量氣泡中的拉普拉斯壓力選項

-自動臨界膠束濃度CMC測定選項

-高溫高壓腔選項 200°C/200bar

應用廣泛：

原油：乳液穩定性、表面活性劑對EOR 的影響、油/巖石/液相之間的動態接觸角

化妝品：泡沫/乳液穩定性、配方、動態接觸角

藥物：包封性、氣體溶解性、乳液穩定性

食品：食品泡沫特性、冷凍乳液（冰淇淋）的穩定性、蛋白質、糖或酒精對氣泡大小的影響

燃料和瀝青：潤濕性、乳化性能、動態接觸角

潤滑劑：潤滑劑/材料之間的接觸角，表面活性劑對潤濕性的影響

       近日，我司代理的法國Teclis全自動泡沫分析儀在中科院化學所膠體界面與熱力學重點實驗室交付使用。

       王老師課題組長期進行表面活性劑的機理、配方和使用方面的研究。她們使用這臺全自動泡沫分析儀不僅測量液體的發泡性能，泡沫的產量，泡沫的密度、半衰期等結果，還可以對泡沫的尺寸大小，尺寸分布做自動統計，得以全面了解有關泡沫的各種特性。

       在使用培訓時，我司工程師全面介紹了Teclis全自動泡沫分析儀的功能，并詳細的為客戶講解了該儀器的使用方法，使用實際樣品演示實驗過程，介紹操作要領，得到了客戶的認可。

      中科院化學所膠體界面與熱力學實驗室也是北京東方德菲儀器公司的老用戶，我們會一如既往的為用戶提供最專業的技術服務。

醫用水凝膠的流變學表征

      在水凝膠研究領域中，以透明質酸鈉為基體的醫用水凝膠發展迅速，此類水凝膠表面光滑，具有良好的生物特性，可以被應用為外科手術敷料，眼科敷料，凝膠眼藥水等多個方面。

       在研發和質控中，醫用水凝膠的流變學性能是非常重要的因素，并且對其粘度和粘彈性的表征已經有初步測試標準。剪切粘度：在 25± 2℃下，采用流變儀在剪切速率從0.001s-1-1000s-1 下進行蠕動掃描，在 0.01s-1 剪切速率下，眼科用透明質酸鈉凝膠剪切粘度應不小于 200000mPa.s, 關節腔注射用透明質酸鈉凝膠剪切粘度應不低于20000mPa.s。

       彈性：在25± 2℃下，采用流變儀在剪切速率0.01Hz-100Hz下進行頻率掃描，以粘性模量 G" 和彈性模量 G'log 值與頻率 log 值繪制坐標圖。眼科用透明質酸鈉凝膠在 G'= G" 時，剪切頻率應小于 0.5Hz，關節腔內注射用透明質酸鈉凝膠在 G'= G" 時，剪切頻率應小于 1.0Hz。

示例一 粘度測試

示例二 粘彈性測試

       哈克旋轉流變儀可以向客戶提供符合測試標準的完全解決方案。并且在國內擁有多個在此領域中ling先的參考客戶，如福瑞達，博士倫，山東YL器械研究所，其勝生物制劑，河南宇宙人工晶體狀研制有限公司等。

推薦配置：
哈克旋轉流變儀主機： MARS40/60
溫控單元： 帕爾貼
35mm 平行板或者 35mm2°錐平板

顯微CT分析可用于牙科研究中的各種應用，如牙釉質厚度、根管形態、根管預備、顱面部骨骼結構、顯微有限元建模、牙體組織工程、牙硬組織礦物密度及種植體等方面。它可以提供高分辨率圖像以及牙齒、骨骼和植入物的定性和定量分析。      

根管是一種孔隙，這種在牙齒中間的低密度空間對牙髓病的研究起了可探索的方向。顯微CT在牙科填料的研究上，特別適用于三維定量評價根管充填物。

牙釉質厚度在人類進化中具有分類學和系統發育價值。顯微CT有效且無損的技術特性被用于測量各種考古標本的牙釉質厚度。在臨床研究中，牙釉質厚度被認為對于咬合負荷方案的解釋具有重要意義。

實例2：大鼠下頜骨和舀齒

大鼠或小鼠下頜骨和臼齒在牙周病和其他牙科相關領域的許多研究模型中有著重要價值。通過顯微CT對動物下頜骨和牙齒的測量研究，可進一步分析牙周生物型各特征之間的相關性,為口腔美學修復、種植ZL方案的選擇、ZL預后的判斷以及LX的評估提供理論基礎

實驗設備：VENUS? Micro-CT 

            中文名：桌面型高分辨顯微CT

            型號：VNC-100

影像軟件：Avatar 1.3 （平生YL科技）

TRACKER?自動多功能界面流變儀由法國泰克利斯公司生產，用于研究界面流變性, 測量表面/界面張力和接觸角。

憑借其智能的模塊化設計，TRACKER?自動多功能界面流變儀可選擇一個或多個模塊來適應多種不同的應用。 TRACKER?的主要可選模塊如下：

1. TRACKER?重相交換模塊
雙泵將樣品池中的液體與另一種液體交換，同時保持液滴或氣泡的體積恒定。相交換可以自動化或手動控制。所有的實驗變化都可以在換相過程中進行。

2. TRACKER? 液滴相交換模塊
雙注射系統用另一種液體或氣體交換液滴或氣泡中的液體或氣體，同時保持液滴或氣泡的體積不變。所有類型的測量都可以在相位交換期間進行。

3. TRACKER? 臨界膠束濃度CMC模塊

TRACKER?標款儀器中增加了臨界膠束濃度測量系統。第二個進樣系統允許測量多達4種不同濃度的溶液。注射體積和濃度由計算濃度步驟的算法確定，以優化CMC測定的準確性。液滴體積控制允許根據濃度自動調節液滴體積。

4. TRACKER?壓電模塊

TRACKER? 標款儀器中添加了PIEZO壓電式高頻振蕩模塊，以實現高達10 Hz的振蕩頻率。

5. TRACKER?高溫高壓選項 200℃/200bar 
用于高溫和高壓測量的可拆卸壓力傳感器可適應TRACKER?標準。可以使用懸滴或上升滴、固定滴或捕獲氣泡進行所有測量。

6. TRACKER? 壓力傳感器

傳感器測量液體中氣泡上方的靜水壓力或空氣中氣泡（如肥皂泡）的壓力。壓力傳感器是一個很好的用于表征在表面形成膜并且界面不再是“液體”的工具。結合壓電單元，壓力傳感器還用于測量高頻振蕩下的表面張力。

膠黏劑種類非常多，按照特性分類一般有熱熔膠、環氧膠，電子膠、UV 固化膠、聚氨酯膠、硅膠等。膠黏劑的流變學性能一直是影響其配方，工藝及使用性能的一個重要因素。膠黏劑的流變學性能研究主要有以下幾個方面。

? 基本流動性能，流動曲線和粘度曲線

  ? 屈服應力

  ? 觸變性

  ? 固化過程研究，包括熱固化和紫外固化

  ? 熱機械性能，包括確定玻璃化轉變溫度，損耗因子等在上述膠黏劑流變學性能表征中，哈克流變儀配備豐富的測量單元可以向用戶提供完整的解決方案，從宏觀性能到微觀信息。

示例一 基本流動性能

判斷樣品流動能力及粘度隨剪切作用的變化趨勢和速度

示例二 屈服應力

征樣品在某些條件下的彈性行為和流動能力

示例三 觸變性

是膠黏劑的一個很重要的特性，一般的理解是與時間相關的行為，可以考察膠黏劑在使用過程中的流平與垂掛性能。左圖觸變環實驗表明樣品觸變性的大小，右圖三段式模擬樣品靜止 - 破壞 - 靜止整個過程的粘度變化，反應其流平和垂掛性能。

示例四 固化過程監測

流變儀可以通過測試樣品粘彈性模量的變化全程監測膠黏劑樣品的固化過程，包括熱固化和紫外固化，再配個哈克流變儀ZL的流變 - 紅外聯用模塊，更可深入研究固化過程中樣品分子層面的變化，監控反應動力學，反應度。

膠黏劑的熱固化過程

哈克紫外固化單元

膠黏劑紫外固化（不同照射強度）

HAAKE MRAS流變儀配備流變-紅外聯用模塊

膠黏劑在紫外光照射之前，照射以及照射完畢后整個固化過程中流變，紅外數據的變化

示例五 熱機械性能

也是表征膠黏劑使用性能的重要參數，通過測量樣品粘彈性隨溫度的變化，可以進行詳細準確的表征，并可以計算其玻璃化轉變溫度。

熱熔膠的熱機械性能及玻璃化轉變溫度

推薦配置：

哈克流變儀主機：MARS40/60，Viscoterster iQ Air， Viscotester iQ

溫控單元：帕爾貼，電加熱

測量轉子：平行板，錐平板，一次性轉子

特殊附件：紫外固化單元，流變 - 紅外聯用單元

       差示掃描量熱儀(DSC)和拉曼光譜儀均被廣泛應用于結晶度的研究，但監測的原理截然不同。DSC不僅可以精確確定樣品結晶度，而且還可以通過測定相關焓變信息得到結晶動力學參數。憑借自身極其優異地控溫能力——加熱和冷卻速度可以高達750°C/min可控，PerkinElmer?DSC8000或8500型DSC經常用于結晶度研究。ZL的雙爐體設計，賦予爐溫瞬間穩定以及精確控制在某一真實溫度的能力，等溫研究Z好是在這個模式下進行。結晶物的拉曼光譜和非結晶物一般不同，前者的峰寬較窄。拉曼光譜儀還可用于監控非常慢速的變化過程，從而提供額外的樣品信息，并且也可以準確判定混晶發生的位置。PerkinElmer公司研發的RamanStation?400和RamanFlex?lines允許實時調節激光脈沖周期，因此可以輕松調節拉曼光譜采集信號速率和DSC掃描速率的Z佳匹配值。同時測量消除了材料可能受試樣熱歷史影響而帶來的不確定性。

       下文針對半結晶性聚氧化乙烯的DSC-Raman檢測可以充分說明兩種技術的互補性。上述材料已被廣泛運用于YL、生活以及工作的方方面面，例如牙膏。試樣從10°C加熱到75°C，經歷了熔融過程，然后冷卻到10°C，再進行重復掃描。diyi周循環中樣品的熔融峰溫位于70°C，而在第二次升溫掃描中則出現在66.7°C。第二周升溫測得的熔融熱值也降低了（圖1）。這暗示了diyi次的熔融和結晶過程使得材料的無定型區增加。

圖1.聚氧化乙烯（PEO）的DSC掃描。diyi次和第二次循環被標注清楚

        在DSC運行時拉曼光譜每間隔5秒接受一次。diyi次加熱/冷卻循環之后，光譜中顯示大量的無定型組分特征（圖2）。通過差減可以diyi次循環掃描前后的光譜差異。雖然存在噪音，但它與完全熔融時的光譜圖非常相似。因此拉曼光譜可以直接確認來自于DSC數據的推論，那就是diyi次加熱/冷卻循環提高了試樣的無定型含量。從這些數據（圖3）可以得到結晶組分的光譜和非晶組分的光譜。

圖2.PEO的DSC掃描和光譜

圖3.PEO結晶和非晶的拉曼光譜

       常用這兩種技術來研究聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。試樣從熔融溫度快速冷卻至室溫后檢測到存在明顯的無定型結構。熱流曲線顯示一個玻璃化轉變溫度（Tg）大約在70°C，然后出現冷結晶，在270°C發生晶區熔融（圖4）。拉曼光譜的變化很小，但可以緊跟著進行主成分分析（PCA）。分析1727cm-1C=O拉曼骨架，得到兩個主要的組分：PC1是diyi次求導曲線，對應于骨架的移動，PC2是二次求導曲線，表示峰寬的變化。很明顯，對于峰寬變化的溫度曲線與試樣的結晶和熔融的相對應。然而，峰移動的溫度曲線并不與DSC熱流曲線的事件相對應，但反映了隨著溫度的提高向低頻連續的移動。

       等溫結晶可以真正地被DSC或帶有可以理想的快速處理的DSC的拉曼光譜儀監測，而拉曼甚至可以被應用于慢速結晶研究。在研究兩種吹塑成型的聚乙烯薄膜中可以看到兩種技術數據的相關性，其中的一個材料不好。以500°C/min的速度快速從熔融狀態冷卻，測量發現試樣在121°C結晶。這個實驗需要使用HyperDSC?-capable設備，像DSC8500設備一樣可以快速冷卻并且仍然可以精確地、穩定地回到等溫溫度。一個穩定的瞬態之后，DSC數據（圖5）顯示問題材料比合格材料結晶更快，熔融焓值更高。拉曼數據（圖5）顯示Z初試樣加熱和冷卻以及等溫過程。這種情況下來自PCA的分數可以直接與結晶度相關。這里發現問題材料比合格材料結晶更快，另外Z終結晶度也比合格材料高。兩組數據顯示Z終的結晶度，問題材料高于合格材料50%。兩種情況下材料Z終的結晶度遠低于開始時的結晶度。

      圖4PET的DSC和拉曼數據

圖5a.HDPE等溫結晶的DSC曲線圖

圖5b.HDPE熔融和等溫結晶的拉曼光譜

DSC-Raman光譜儀賦予我們精確研究高聚物的能力，可以GX再現樣品在各種控溫條件下的結晶行為，同時與DSC能量變化相關的結構信息也能通過拉曼光譜體現。這種途徑使得兩種方法的相關性精確，有助于對結晶行為更深層次的理解。

實驗名稱：高壓放大器在新型窄線寬波長掃描光纖激光器研究中的應用

實驗目的：根據仿真參數進行DCR-CC濾波器的搭建和實驗驗證。并搭建了基于DCR-CC濾波器和C+L波段EDFA的單縱模窄線寬波長掃描光纖激光器并探究其性能。

實驗設備：濾波器，函數發生器，高壓放大器ATA-2021H等

實驗過程：

1.DCR-CC搭建與表征；

采用腔長分別為50.70 cm和 52.00 cm的參數搭建DCR-CC濾波器，使用如圖所示的系統測量DCR-CC濾波器的濾波性能。

2.C+L波段激光增益范圍的實現；

提出的C+L波段單縱模窄線寬波長掃描光纖激光器結構如圖所示。兩部分通過兩個CL波段波分復用器并聯在一起。一個自制的DCR-CC復合諧振腔濾波器作為大范圍濾波元件，用以于從密集的主腔縱模中篩選SLM，一個FFP-TF作為波長掃描元件，由一個函數發生器和高壓放大器ATA-2021H進行驅動。虛線框內的FFP-TF等器件可由Cir-2和替換FBG代替，用來測量激光器靜態激光輸出性能。

實驗結果：

1.如圖分別顯示了四個波長處在60分鐘內的中期激光運行穩定性，通過使用分辨率為0.02 nm，數據采集間隔為0.001 nm 的OSA重復掃描進行測量。從圖中可以看出，四個激光的波長波動性f (i=1,2,3,4)很小，最大為 0.006 nm，功率波動性f, (i=1,2,3,4)很低，最大值為0.704 dB，其信噪比OSNR均高于66 dB。

2.自零差法測量不同掃描頻率下ESA測得的拍頻譜。

實驗結論：

對于FDML波長掃描激光器,通過提高增益、使用帶寬更窄的高速可調濾波器，來進一步提升激光器性能。設計更加適合FDML機理的復合諧振腔濾波器有望進一步改善激光器的縱模特性。

安泰高壓放大器ATA-2021H主要指標：

以上內容由西安安泰整理發布，安泰高壓放大器最大輸出200Vp-p (±100Vp)高壓，可以驅動高壓型負載，完美匹配各大匹配函數信號源及任意波形信號發生器，廣泛應用于壓電陶瓷驅動、超聲波測試、聲吶系統應用和MEMS測試等，可提供免費樣機試用服務，如果想了解高壓放大器更多應用，歡迎訪問安泰測試網。

PART 01 
引言  

有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）是基于多層有機薄膜結構的電致發光的器件，用作平面顯示器時具有輕薄、柔性、響應快、高對比度和低能耗等優點，有望成為新一代主流顯示技術。然而，高效率和長壽命依然是阻礙OLED發展的重要因素，因為有機材料易降解和器件界面結構不穩定從而導致OLED器件失效。在此背景下，迫切需要了解器件的退化機制，從而在合理設計和改進材料組合以及器件結構的基礎上，找到提高器件壽命的有效策略。

圖1. 基于OLED柔性顯示器件

 PART 02 
TOF-SIMS表面分析方法  

研究有機/無機混合OLED器件的界面效應是提高其性能和運行穩定性的關鍵步驟。在眾多分析方法中，飛行時間二次離子質譜儀（Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer，TOF-SIMS）是表征有機層及其內部缺陷的有效分析工具。TOF-SIMS是由一次脈沖離子束轟擊樣品表面所產生的二次離子，經飛行時間質量分析器分析二次離子到達探測器的時間，從而得知樣品表面成份的分析技術，具有以下檢測優勢：

（1）兼具高檢測靈敏度（ppmm-ppb）、高質量分辨率(M/DM>16000)和高空間分辨率(<50nm)；

（2）表面靈敏，可獲取樣品表面1-2個原子/分子層成分信息 (≤2nm)；

（3）可分析H在內的所有元素，并且可以分析同位素；

（4）能夠檢測分子離子，從而獲取有機材料的分子組成信息；

（5）適用材料范圍廣：導體、半導體及絕緣材料。

目前，TOF-SIMS作為一種重要的表面分析技術，可以用于樣品的表面質譜譜圖分析，深度分析，2D以及3D成像分析，所以被廣泛應用于半導體器件、納米器件、生物醫藥、量子材料以及能源電池材料等領域。

PART 03 
應用簡介  

基于Alq3（8-hydroxyquinoline, aluminum salt，8-羥基喹啉和鋁，分子結構見圖2）的OLED器件，因其寬視角、高亮度和低功耗的特性，成為下一代平板顯示器最有潛力的備選之一。這類器件具有“三明治”結構，在兩個電極之間夾有多個有機層。對于OLED器件的研究不僅專注于探索有機材料，還要進行失效分析來確定故障（如顯示黑點）產生的原因。在這里，我們展示了TOF-SIMS 對Alq3有機層進行了全面表征。

圖2. Alq3的分子結構式

圖3和圖4均為市售Alq3材料在正離子模式下的TOF-SIMS譜。TOF-SIMS結果表明，利用Au+和Ga+離子源均可檢測到Alq3碎片的質量特征峰，但Au+離子源對這些碎片的靈敏度更高。比如，對比相同離子電流下的Au+和Ga+離子束對質量數為315的Alq2分子碎片的靈敏度，發現前者靈敏度提高了23倍。此外，只有Au+離子源才能檢測到質量數超過1000的質量片段。這些質譜體現出使用Au+源分析Alq3這類分子量較大的材料的優勢。

圖3. 正離子模式下Alq3的TOF-SIMS譜。分析條件: 一次離子束Au+，22 keV；樣品電流：0.07 pA；分析面積：300 μm2；數據采集時間10 min

4. 正離子模式下Alq3的TOF-SIMS譜。分析條件: 一次離子束Ga+，15 keV；樣品電流：0.3 pA；分析面積：300 μm2；數據采集時間10 min

此外，Alq3薄膜必須在高真空條件下沉積才能保持其完整性。為研究大氣對Alq3薄膜的影響，分別對暴露在空氣前后的樣品進行了TOF-SMIS表征，結果如圖5所示。TOF-SMIS證明了暴露大氣后Alq3薄膜發生了分解，并且隨著暴露時間的增長，AlqO2質量片段的強度增加，表明水分和氧氣會顯著改變Alq3的組成。

圖5. 負離子模式下Alq3在大氣中暴露前后在的TOF-SIMS譜。分析條件: 一次離子束Ga+，15 kev；分析面積：300 μm2

總之，三重離子束聚焦質量分析器（Triple Ion Focusing Time-of-Flight，TRIFT）結合Au+離子源能顯著提高儀器的靈敏度和降低本底，增強TOF-SMIS檢測Alq3等高質量數（大分子）材料碎片的能力。

一、引言

光伏發電新能源技術對于實現碳中和目標具有重要意義。近年來，基于有機-無機雜化鈣鈦礦的光電太陽能電池器件取得了飛速的發展，目前報道的最 高光電轉化效率已接近26%。鹵化物鈣鈦礦材料具有無限的組分調整空間，因此表現出優異的可調控的光電性質。然而，由于多組分的引入，鈣鈦礦材料生長過程中會出現多相競爭問題，導致薄膜初始組分分布不均一，這嚴重降低了器件效率和壽命。

圖1. 鈣鈦礦晶體結構

二、TOF-SIMS應用成果

由于目前用于高性能太陽能電池的混合鹵化物過氧化物中的陽離子和陰離子的混合物經常發生元素和相分離，這限制了器件的壽命。對此，北京理工大學材料學院陳棋教授等人研究了二元（陽離子）系統鈣鈦礦薄膜(FA1-xCsxPbI3，FA：甲酰胺)，揭示了鈣鈦礦薄膜材料初始均一性對薄膜及器件穩定性的影響。研究發現，薄膜在納米尺度的不均一位點會在外界刺激下快速發展，導致更為嚴重的組分分布差異化（如圖2所示），最 終形成熱力學穩定的物相分離，并貫穿整個鈣鈦礦薄膜，造成材料退化和器件失活。該研究成果以題為“Initializing Film Homogeneity to Retard Phase Segregation for Stable Perovskite Solar Cells”發表在Science期刊。[1]

圖2. 二元 FAC 鈣鈦礦的降解機制。（A-H）鈣鈦礦薄膜的組分初始分布和在外界刺激下的演變行為。（I-N）熱力學驅動下，鈣鈦礦薄膜的物相分離現象的TOF-SIMS表征

TOF-SIMS作為重要的表面分析方法，具有高檢測靈敏度（ppm-ppb）、高質量分辨率(M/DM>16000)和高空間分辨率(<50 nm)能力。在本研究中利用TOF-SIMS對發生老化后（晶體相變）的鈣鈦礦薄膜進行表征，從2D元素分布圖中觀察到薄膜中的陽離子Cs與FA同時發生了分離（如圖2所示），并形成尺寸為幾到幾十微米的相，將二者的元素分布圖像疊加后（見圖2 K），觀察到分離后的Cs/FA偏析區域在空間上形成互補，證明了每個區域的組成與其晶體結構相關聯。此外，TOF-SIMS 3D影像（圖2L至2N）表明，垂直方向分布相對均勻，陽離子在不同深度上的聚集方式與表面類似。TOF-SIMS結合XRD和PL結果證明了由于陽離子的局部聚集，從而導致了相分離。

此外，從降解初期的FACs鈣鈦礦薄膜的TOF-SIMS圖像中明顯能觀察到無色區域（見圖3A）Cs的信號更強，表明了區域1（與圖2A和E中標注位置一一對應）中的Cs+陽離子有遷移到區域2和3，進一步表明了該膜的降解是由Cs偏析和隨后的相變所引起的。

圖3. 二元陽離子FACs鈣鈦礦膜在降解初期的TOF-SIMS圖

該研究采用Schelling的偏析模型，并結合TOF-SIMS及其他實驗觀察數據結果表明：

（1）鈣鈦礦薄膜初始均一性對薄膜的老化行為有顯著影響：薄膜在納米尺度的不均一位點會在外界刺激下快速發展，導致更為嚴重的組分分布差異化，最 終形成熱力學穩定的物相分離，并貫穿整個鈣鈦礦薄膜，造成材料退化和器件失活。

（2）薄膜均一性的提升將顯著減緩其老化速率：通過在鈣鈦礦前驅體溶液中引入弱配位的添加劑硒酚，有效調控了溶液膠體環境，提升了薄膜均一性。實驗結果表明，均一性提升的薄膜在熱、光老化條件下，表現了較好的穩定性，在實驗周期內未出現顯著的物相分離。同時，經過進一步的器件優化，所制備的太陽能電池器件展現了良好的光電性能，在1 cm2器件上，獲得了23.7%的認證效率。在不同溫度條件下，器件在LED光源持續照射下，也表現了良好的工作穩定性。

三、TOF-SIMS表面分析方法

飛行時間二次離子質譜儀（Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer，TOF-SIMS）是由一次脈沖離子束轟擊樣品表面所產生的二次離子，經飛行時間質量分析器分析二次離子到達探測器的時間，從而得知樣品表面成份的分析技術，具有以下檢測優勢：

（1）兼具高檢測靈敏度（ppm-ppb）、高質量分辨率(M/DM>16000)和高空間分辨率(<50nm)；

（2）表面靈敏，可獲取樣品表面1-2個原子/分子層成分信息 (≤2nm)；

（3）可分析H在內的所有元素，并且可以分析同位素；

（4）能夠檢測分子離子，從而獲取有機材料的分子組成信息；

（5）適用材料范圍廣：導體、半導體及絕緣材料。

圖4. TOF-SIMS可以提供的數據類型

目前，TOF-SIMS作為一種重要的表面分析技術，可以用于樣品的表面質譜譜圖分析，深度分析，2D以及3D成像分析，所以被廣泛應用于半導體器件、納米器件、生物醫藥、量子材料以及能源電池材料等領域。

參考文獻

[1] Bai et al. Initializing film homogeneity to retard phase segregation for stable perovskite solar cells, Science (2022). https://doi.org/10.1126/science.abn3148

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關鍵詞：標準粒子；米氏散射

光的散射（scattering of light）是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現象。偏離原方向的光稱為散射光。散射光頻率不發生改變的有瑞利散射、米氏散射和大粒子散射；頻率發生改變的有拉曼散射、布里淵散射和康普頓散射等。而標準粒子在光散射研究領域一般研究的是粒子的瑞利散射、米氏散射和大粒子散射，這三種散射劃分是根據入射光λ與散射粒子的直徑d之間的比例大小來確定的：

①當散射粒子的直徑d與入射光波長λ之比（d/λ）很小，即數量級顯著小于0.1 時，則屬于瑞利散射，散射光強與波長的關系符合瑞利散射定律，即散射光強與入射光的波長四次方成反比，與粒徑的六次方成正比。

②當散射粒子粒徑與光波長可以比擬（d/λ的數量級為0.1～10）時，隨著粒子直徑的增大，散射光強與波長的依賴關系逐漸減弱，而且散射光強隨波長的變化出現起伏，這種起伏的幅度也隨著比值d/λ的增大而逐漸減少，這種散射稱為米氏散射。

③當粒子足夠大時（d/λ>10），散射光強基本上與波長沒有關系，這種粒子的散射稱為大粒子散射，也可稱之為衍射散射（菲涅爾衍射與夫瑯禾費衍射）。

瑞利散射可以說是米氏散射理論模型在小粒子端的近似形式，而衍射散射也可以說是米氏散射理論模型在大粒子端的近似形式，接下來我們將詳細了解標準粒子應用于米氏散射理論對其光散射特性研究中，入射光波長、標粒直徑以及入射光偏振角對散射光強的影響。

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入射光波長對散射光強分布的影響

圖1.1 是相對折射率m=1.589/1.333，標準粒子直徑d=2μm，入射光偏振角φ=45°時，由Mie散射理論及其他相關公式編程計算得到的散射光強與散射角之間的變化關系曲線。對于直徑為2μm的聚苯乙烯微球在水中的散射情況，入射光偏振角為45°時，隨著入射波長λ的增大，散射光強由主要集中在前向小角度內（波長λ為0.2um時散射光強主要集中在10°散射角內）逐漸變為集中在前向稍大角度內（波長λ為0.8um時散射光強主要集中在30°散射角內），若繼續增大波長，散射光強集中的角度也將繼續增大。從圖1.1可以看出，波長較短時散射光強主要集中在前向小角度內，并且波長越短散射光強集中的角度越小。

圖1.1：當m=1.589/1.333，d=2μm，φ=45°時，對應于不同的波長，散射光強與散射角間的關系曲線。

聚苯乙烯微球直徑對散射光強分布的影響

圖2.1是用可見波段中的0.65μm波長的入射光，在偏振角為45°時，聚苯乙烯微球在水中的散射光強與散射角的變化關系曲線。由圖可以看出，微粒直徑越大散射光強越集中分布在前向小角度內，粒徑大于2μm的粒子的散射光強主要集中在前向散射角約20°內，因此在此種條件下收集前向小角度的散射光強即可獲得粒子的較好信息。

圖2.2是入射光波長為6μm，偏振角45°時，聚苯乙烯微球在空氣中的散射光強與散射角的變化關系曲線。由圖可知，所用波長較大時，較大粒子的散射光強不再集中在前向小角度內而是集中的角度逐漸變大，例如粒徑大于8μm的粒子的散射光強主要集中在前向散射角約40°內。

圖2.1：當m=1.589/1.333， λ=0.65μm， φ=45°時，對應于不同的微粒直徑，散射光強與散射角間的關系曲線。 

圖2.2：當m=1.589， λ=6μm， φ=45°時，對應于不同的粒徑，散射光強與散射角間的變化曲線

入射光偏振角對散射光強分布的影響

圖3.1是入射光波長為0.65μm，直徑為0.2μm的聚苯乙烯微球在空氣中的散射光強與散射角的變化關系曲線。由圖可以看出，此種情況下入射光的偏振角不同散射光強與散射角間的關系曲線有很大變化，散射光強分布比較分散，說明此時散射光強的角分布與偏振光的偏振角有關。

圖3.1 當m=1.589， λ=0.65μm， φ=0.2μm時，對應于不同的偏振角，散射光強與散射角間的變化曲線。

結論

以上為應用米氏散射理論針對聚苯乙烯微球標準粒子的光散射性質進行的分析，得出以下結論：

（1）波長較短時散射光強主要集中分布在前向小角度內，并且波長越短散射光強集中分布的角度越小。收集前向小角度的散射光可大致反映粒子散射信息。

（2）進行聚苯乙烯微球標粒散射方面的研究時，應該選擇可見光波段中波長較短的作為光源，這樣既可以得到較好的粒子散射信息，又可以避免光源對人體造成傷害。

（3）粒子直徑較大時散射光強主要集中分布在前向小角度內，并且粒子直徑越大散射光強越集中分布在小角度內；若所用波長較大時，較大粒子的散射光強不再集中分布在前向小角度內而是集中分布的角度逐漸變大。

參考資料

1.李建立.基于光散射的微粒檢測.煙臺大學理學院碩士論文，2009：22-25.