stringtranslate.com

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия

Рисунок 1: Переходы, которые способствуют появлению краев XAS
Рисунок 2: Три области данных XAS для K-края

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) — широко используемый метод определения локальной геометрической и/или электронной структуры вещества. [1] Эксперимент обычно проводится на установках синхротронного излучения , которые обеспечивают интенсивные и настраиваемые рентгеновские пучки. Образцы могут находиться в газовой фазе, растворах или твердых телах. [2]

Фон

Данные XAS получаются путем настройки энергии фотона [3] с использованием кристаллического монохроматора в диапазоне, в котором могут быть возбуждены основные электроны (0,1-100 кэВ). Края, в частности, названы в соответствии с тем, какой основной электрон возбужден: главные квантовые числа n = 1, 2 и 3 соответствуют K-, L- и M-краям соответственно. [4] Например, возбуждение 1s-электрона происходит на K-крае , тогда как возбуждение 2s- или 2p-электрона происходит на L-крае (рисунок 1).

На спектре, полученном с помощью данных XAS, можно выделить три основные области, которые затем рассматриваются как отдельные спектроскопические методы (рисунок 2):

  1. Порог поглощения , определяемый переходом в низшие незанятые состояния:
    1. состояния на уровне Ферми в металлах, дающие «восходящий фронт» с формой дуги касательной ;
    2. связанные остовные экситоны в изоляторах с лоренцевой формой линии (они возникают в предкраевой области при энергиях ниже, чем переходы на самый нижний незанятый уровень);
  2. Структура поглощения рентгеновских лучей вблизи края ( XANES ), введенная в 1980 году и позднее в 1983 году и также называемая NEXAFS (тонкая структура поглощения рентгеновских лучей вблизи края), в которой доминируют переходы ядра в квазисвязанные состояния (резонансы многократного рассеяния) для фотоэлектронов с кинетической энергией в диапазоне от 10 до 150 эВ выше химического потенциала, называемые «резонансами формы» в молекулярных спектрах, поскольку они обусловлены конечными состояниями с коротким временем жизни, вырожденными с континуумом с формой линии Фано. В этом диапазоне важны многоэлектронные возбуждения и многочастичные конечные состояния в сильно коррелированных системах;
  3. В диапазоне высокой кинетической энергии фотоэлектрона сечение рассеяния с соседними атомами слабое, а спектры поглощения доминируют в EXAFS (расширенная тонкая структура рентгеновского поглощения), где рассеяние выброшенного фотоэлектрона соседних атомов может быть аппроксимировано однократными событиями рассеяния. В 1985 году было показано, что теория многократного рассеяния может быть использована для интерпретации как XANES , так и EXAFS ; поэтому экспериментальный анализ, фокусирующийся на обеих областях, теперь называется XAFS .

XAS — это тип абсорбционной спектроскопии из начального состояния ядра с четко определенной симметрией; поэтому квантово-механические правила отбора выбирают симметрию конечных состояний в континууме, которые обычно представляют собой смесь нескольких компонентов. Наиболее интенсивные особенности обусловлены разрешенными переходами электрического диполя (т. е. Δℓ = ± 1) в незанятые конечные состояния. Например, наиболее интенсивные особенности K-края обусловлены переходами ядра из конечных состояний типа 1s → p, в то время как наиболее интенсивные особенности L 3 -края обусловлены конечными состояниями типа 2p → d.

Методологию XAS можно в целом разделить на четыре экспериментальные категории, которые могут давать взаимодополняющие результаты: металлический K-край , металлический L-край , лигандный K-край и EXAFS.

Наиболее очевидным способом картирования гетерогенных образцов за пределами рентгеновского абсорбционного контраста является элементный анализ с помощью рентгеновской флуоресценции, родственный методам EDX в электронной микроскопии. [5]

Приложения

XAS — это метод, используемый в различных научных областях, включая молекулярную и конденсированную физику , [6] [7] [8] материаловедение и инженерию , химию , науки о Земле и биологию . В частности, его уникальная чувствительность к локальной структуре, по сравнению с рентгеновской дифракцией , была использована для изучения:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Введение в тонкую структуру рентгеновского поглощения (XAFS)", Рентгеновская абсорбционная спектроскопия для химических наук и материаловедения , Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons, Ltd, стр. 1–8, 24.11.2017, doi : 10.1002/9781118676165.ch1, ISBN 978-1-118-67616-5, получено 28.09.2020
  2. ^ Яно Дж, Ячандра ВК (2009-08-04). "Рентгеновская абсорбционная спектроскопия". Photosynthesis Research . 102 (2–3): 241–54. Bibcode : 2009PhoRe.102..241Y. doi : 10.1007/s11120-009-9473-8. PMC 2777224. PMID  19653117 . 
  3. ^ Popmintchev, Dimitar; Galloway, Benjamin R.; Chen, Ming-Chang; Dollar, Franklin; Mancuso, Christopher A.; Hankla, Amelia; Miaja-Avila, Luis; O'Neil, Galen; Shaw, Justin M.; Fan, Guangyu; Ališauskas, Skirmantas (2018-03-01). "Тонкоструктурная спектроскопия рентгеновского поглощения вблизи и на расширенном крае с использованием сверхбыстрых когерентных гармонических суперконтинуумов высокого порядка". Physical Review Letters . 120 (9): 093002. Bibcode : 2018PhRvL.120i3002P. doi : 10.1103/physrevlett.120.093002 . hdl : 20.500.12708/17936 . ISSN  0031-9007. PMID  29547333.
  4. ^ Келли SD, Хестерберг D, Равель B (2015). «Анализ почв и минералов с использованием рентгеновской абсорбционной спектроскопии». Методы анализа почв Часть 5 — Минералогические методы . Серия книг SSSA. John Wiley & Sons, Ltd. стр. 387–463. doi :10.2136/sssabookser5.5.c14. ISBN 978-0-89118-857-5. Получено 24.09.2020 .
  5. ^ Эванс, Джон (23 ноября 2017 г.). Рентгеновская абсорбционная спектроскопия для химии и материаловедения (первое издание). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 978-1-118-67617-2. OCLC  989811256.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  6. ^ Tangcharoen, T., Klysubun, W., Kongmark, C., & Pecharapa, W. (2014). Синхротронная рентгеновская абсорбционная спектроскопия и исследования магнитных характеристик металлических ферритов (металл = Ni, Mn, Cu), синтезированных методом золь-гель автогорения. Physica Status Solidi A, 211(8), 1903-1911.https://doi.org/10.1002/pssa.201330477
  7. ^ Тангчароен, Танит, Вантана Клысубун и Чанапа Конгмарк. «Исследования спектроскопии синхротронного рентгеновского поглощения и распределения катионов наночастиц NiAl2O4, CuAl2O4 и ZnAl2O4, синтезированных методом золь-гель автосжигания». Журнал молекулярной структуры 1182 (2019): 219-229.https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2019.01.049
  8. ^ Рават, Панкадж Сингх, Р. С. Шривастава, Гаган Диксит и К. Асокан. «Структурные, функциональные и магнитные упорядоченные изменения в оксиде графена и графите при облучении ионами золота с энергией 100 МэВ». Вакуум 182 (2020): 109700.https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109700
  9. ^ Ljungberg, Mathias (декабрь 2017 г.). "Вибрационные эффекты в поглощении рентгеновских лучей и резонансном неупругом рассеянии рентгеновских лучей с использованием полуклассической схемы". Physical Review B . 96 (21): 214302. arXiv : 1709.06786 . Bibcode :2017PhRvB..96u4302L. doi :10.1103/PhysRevB.96.214302. S2CID  119210376 . Получено 21 апреля 2023 г.

Внешние ссылки