引言

生產明確結構和高單分散性納米顆粒的能力使得開發各種新型功能性材料成為可能。這種材料在能量轉化、能源存儲、催化和分離等領域有潛在的應用。1

這些顆粒可以合成致密球體的形式，但Z近空心、核殼型顆粒也引起了極大的研究興趣。這種顆粒可以通過自上而下或自下而上的方式產生。無論采用哪一種方法，在結構或尺寸上偏離均勻性（多分散性）都不利于所期望的性能。因此，獲得快速而準確的表征方法來測量這些材料的尺寸是非常重要的。

小角X-射線散射（SAXS）是表征這中顆粒體系形狀和尺寸的有效方法2。雖然測量較小顆粒的尺寸（<200 nm）相對容易，但是在實驗上測量較大納米結構就比較困難，特別是在實驗室SAXS設備的條件下。實驗室儀器的Z 新進展已經推動了可以用SAXS研究的結構尺寸的上限到顯著更大的尺寸。

這里我們展示的是用Anton Paar的SAXSpoint 5.0設備測量尺寸大于200 nm的中空 SiO2 球。有兩個不同，明確的長度尺寸（整體尺寸和殼厚度）使得可以使用這種材料作為不同散射方法，如SAXS的參考材料。               

實驗細節和結果

     SiO?空心球粉末樣品由Martin Dulle (Forschungszentrum Jülich,Germany) 提供。這些顆粒是經過三步合成的。合成細節可以參考相關的文獻。

       使用Anton Paar的SAXSpoint5.0進行SAXS測試。系統配備了Primux 100 micro 微焦斑銅靶X-射線源（λ=0.154nm）和Dectris的EIGER2 R 1M 探測器。測量是在無光束遮擋器配置下進行的。

儀器采用高分辨模式，樣品到探測器的距離SDD僅有1630mm。使用收到的粉末樣品并控制測試溫度為25°C。收集0.01 nm-1<q<1.84 nm-1（q=4π/λ*sin2θ）范圍內的數據并進行評估。樣品的2D散射圖q-曲線如圖1所示。

圖 1: 中空二氧化硅球的2D 散射圖樣

測量的2D散射圖樣（樣品和背景）徑向積分得到1D散射曲線。由此產生的曲線在扣除背景（Kapton窗口）前使用樣品透射數據來校對。粉末SiO2背景扣除后的散射曲線如圖2所示。

圖 2: 扣除背景后的 SAXS 曲線

將扣除背景的SAXS 曲線進行進一步的數據評估。為了描述接收到的散射函數，使用一個更復雜的形狀因子模型。見原始文獻所述1：

R 為核的半徑， DR 為殼的厚度

圖3所示的是擬合和測量結果。根據擬合函數,計算得到的顆粒半徑為116 nm(dparticle=232 nm)和殼厚度為15.4 nm。這個結果與文獻中的結果完 美契合。1

圖3: SiO2的散射數據 (黑) 和采用球狀核殼模型擬合得到的結果(紅)。

結論

所有光束組件（X-射線源，X-射線多層膜聚焦鏡和準直系統）的智能交互，與緊湊的SAXSpoint 5.0系統的高分辨探測器EIGER2 R HPC相結合，在分辨率和X-射線通量方面具有非常高的性能。

SAXSpoint 5.0精密的光束設計特點使得從光學器件到探測器的整個光束路徑具有較小的占地面積和高的光通量。兩者的結合可允許Z 高分辨率高達0.007 nm-1下測量。

參考文獻

1、Ruckdeschel, P.; Dulle, M.; Honold, T.; F?rster, S.; Karg, M.;Retsch, M., Monodisperse hollow silica spheres: An in-depth scattering analysis. Nano Re- search 2016, 9 (5), 1366-1376.

2、Schnablegger, H.; Singh, Y., The SAXS Guide - Getting acquainted with the principles. 4th ed.; Anton Paar GmbH: Graz, Austria, 2017.