中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)同步輻射實(shí)驗(yàn)室XAFS

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1、第 六 章 : X射 線 吸 收 精 細(xì) 結(jié) 構(gòu) ( XAFS) 1.XAFS, EXAFS和 XANES 歷 史 : 上 世 紀(jì) 二 十 年 代 , 發(fā) 現(xiàn) 凝 聚 態(tài) 物 質(zhì) 對(duì) X射 線的 吸 收 系 數(shù) , 在 吸 收 邊 附 近 存 在 量 級(jí) 為 0.01的 震 蕩 ,這 一 震 蕩 稱 為 X射 線 吸 收 精 細(xì) 結(jié) 構(gòu) ( XAFS)七 十 年 代 , Stern, Sayers, Lytle從 理 論 、 實(shí) 驗(yàn) 二 方面 成 功 地 解 釋 了 產(chǎn) 生 振 動(dòng) 的 機(jī) 制 , 推 導(dǎo) 了 EXAFS的 基本 公 式 , 提 出 了 處 理 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 的 方 法 和

2、計(jì) 算 機(jī) 程 序 ,并 將 它 們 用 于 凝 聚 態(tài) 物 質(zhì) 的 結(jié) 構(gòu) 分 析 。隨 著 同 步 輻 射 的 發(fā) 展 , XAFS已 成 為 研 究 凝 聚 態(tài) 物 質(zhì) ,特 別 是 長 程 無 序 ,短 程 有 序 的 非 晶 態(tài) 、 液 態(tài) 、 熔 態(tài) 的 原子 、 電 子 結(jié) 構(gòu) 的 有 力 工 具 。 XAFS可 分 為 兩 部 分 :1)EXAFS( 擴(kuò) 展 X射 線 吸 收 精 細(xì) 結(jié) 構(gòu) )吸 收 邊 高 能 側(cè) ( 30-50) eV至 1000eV的 吸 收 系 數(shù) 的 震 蕩 , 稱 為 EXAFS。 它 含 有 吸 收 原 子 的 近 鄰 原 子結(jié) 構(gòu) 信 息 (

3、近 鄰 原 子 種 類 、 配 位 數(shù) 、 配 位 距 離 等 ) 。2)XANES( X射 線 吸 收 近 邊 結(jié) 構(gòu) )吸 收 邊 至 高 能 側(cè) ( 30-50) eV的 吸 收 系 數(shù) 的 震 蕩 ,稱 為 XANES。 它 含 有 吸 收 原 子 近 鄰 原 子 結(jié) 構(gòu) 和 電 子結(jié) 構(gòu) 信 息 。 ( )E( )E 2. EXAFS產(chǎn) 生 機(jī) 制 , 基 本 公 式 2 中 心 給 出 原 子 吸 收 X射 線 光 子 的 幾 率 ,終 態(tài) ,初 態(tài) , 在 X射 線 光 電 吸 收 中 一 般 為原 子 內(nèi) 殼 層 的 1s, 2s, 2p態(tài) , 與 入 射 光 子 能量 無 關(guān)

4、 。 22 2 ( )4 fs fehP M Em w fsM f P s sf 孤 立 原 子 , 單 原 子 氣 體 , 光 電 子 處 于 出 射 態(tài) ,遠(yuǎn) 離 吸 收 原 子 傳 播 出 去 , 即 終 態(tài) 為 自 由 電子 態(tài) , 它 不 隨 入 射 光 子 的 能 量 發(fā) 生 震 蕩 。雙 原 子 氣 體 , 凝 聚 態(tài) 物 質(zhì) : 吸 收 原 子 有 近 鄰 原子 , 出 射 光 電 子 將 受 近 鄰 原 子 的 背 散 射 , 入 射光 子 能 量 將 使 光 電 子 波 長 變 短 , 出 射 與 散 射 光電 子 波 的 疊 加 結(jié) 果 將 發(fā) 生 變 化 , 相 長 干

5、 涉 使 吸收 增 加 , 相 消 干 涉 使 吸 收 下 降 , 從 而 使 吸 收 曲線 出 現(xiàn) 震 蕩 , 即 產(chǎn) 生 EXAFS。 f 圖 22 從 吸 收 原 子 (黑 色 )激 發(fā) 出 的 光 電 子 波 函 數(shù) 的 徑 向 分 布 。 定 義 EXAFS函 數(shù) ( 4-1) k為 光 電 子 波 矢 , ( 4-2) 式 中 為 的 平 滑 變 化 部 分 , 在 物 理 上 相 當(dāng)于 孤 立 原 子 的 吸 收 系 數(shù) , 為 扣 除 背 底 后 吸 收 邊 高 能側(cè) 的 吸 收 系 數(shù) , 為 電 子 在 原 子 內(nèi) 的 束 縛 能 。 用 量 子力 學(xué) 理 論 可 以 推

6、導(dǎo) 出 EXAFS的 基 本 公 式 : ( 4-3)0 0( ) ( ) ( )/ ( )k k k k 1/2012 ( )xk m E E 0( )k ( )k ( )k0E 22 2 /2( ) (2 ) sin2 2 ( )4 j j lk Rj j j jj jNmk f k e e kR kk R ( 4-3) 表 明 , 將 與 下 列 因 素 有 關(guān) :( 一 ) 與 吸 收 原 子 周 圍 的 第 j層 近 鄰 層 中 同 種 原 子 數(shù) 目 、 距離 及 電 子 被 散 射 振 幅 有 關(guān) , ( 如 不 同 種 原 子處 于 同 一 近 鄰 原 子 層 中 , 可 將

7、這 一 近 鄰 原 子 層 看 作 幾 個(gè) 不 同的 近 鄰 原 子 層 ) 。( 二 ) 與 散 射 光 電 子 的 位 相 改 變 有 關(guān) 。 位 相 改 變 包 含 兩 部 分 ,光 程 差 引 起 的 位 相 差 , 及 出 射 處 勢 場 和 背 散 處 勢 場 引 起 的 相移 , 。( 三 ) 第 j層 原 子 的 漫 散 分 布 程 度 有 關(guān) , 它 包 含 熱 振 動(dòng) 和 原 子無 序 分 布 的 影 響 , 若 原 子 分 布 為 高 斯 型 設(shè) 為 的 均 方 根 偏離 , 則 可 表 為 Debye-Waller溫 度 型 的 項(xiàng) 。( 四 ) 與 光 電 子 的 非

8、 彈 性 散 射 有 關(guān) , , 為 光 電 子 的 平均 自 由 程 。 ( )k jNjR (2 )jf k (2 )j jjN f kRsin2 2 ( )j jkR k j jR2 jke 2 /j lRe l 3.XAFS實(shí) 驗(yàn) 測 量 方 法1)透 射 法在 同 步 輻 射 實(shí) 驗(yàn) 室 , , 都 用 離 子 室 ( ion chamber) , 測 量 ( 4-4) 樣 品 的 厚 度 通 常 取 。I 0I0D 1D 0( )( ) ln ( )xx xI Ed E I E 1 2.5d 圖 23 透 射 法 的 原 理 圖D0為 前 X射 線 探 測 器D1為 后 X射 線

9、探 測 器 2)熒 光 法 用 離 子 室 測 量 , 熒 光 用 固 體 探 測 器 ( 高純 Si, Ge探 測 器 ) 測 量 。 熒 光 法 適 用 于 薄 膜樣 品 和 濃 度 小 于 5%的 厚 樣 品 。 這 時(shí) , 待 測 元素 A的 吸 收 系 數(shù) 與 成 正 比 。0I 0D 圖 24 熒 光 法 原 理 圖 4. EXAFS數(shù) 據(jù) 處 理EXAFS數(shù) 據(jù) 處 理 步 驟 如 下 :1)實(shí) 驗(yàn) 測 得 數(shù) 據(jù) : ( 透 射 法 ) , ( 熒 光 法 )背 底 扣 除 與 歸 一 化a)由 吸 收 邊 低 能 側(cè) 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 擬 合 扣 除 其 它 殼 層 的吸 收

10、;b)用 三 次 樣 條 函 數(shù) 法 擬 合 ;c) , , 得 出 歸 一 化的 , , 。 0( )( ) ln ( )xx xI Ed E I E ( ) fH IE C I 3 40 0( )d c D 0( )d ExE k 0 0( ) ( ) ( )/k k k ( )E ( )k ( )nk k 7.0 7.2 7.4 7.6EX1keV t(Ex) 7.0 7.2 7.4 7.6EX1keV t(Ex)(Ex) t k (Ex) t 100 200 300 400E1eVC03+D03 (C13+D13)t0 (Ex) t (E) 圖26 (Ex)的歸一化過程(a)實(shí)驗(yàn)測得t

11、(Ex);(b) k (Ex) t和0 (Ex) t曲線;(c)歸一化的(Ex)(a) (b) (c) 圖27 扣除平滑背景得到的(k),并已將光子能量換算為光子波矢k,函數(shù)(k)乘以k2得到k2(k)0 5 10 15 2051015 20 k (A-1)k2 (k) 3)Fourier變 換將 進(jìn) 行 Fourier變 換 , 得 出 徑 向 分 布 函數(shù)4)用 窗 函 數(shù) 濾 出 第 一 配 位 層 , 做 反 Fourier變 換 , 得出 第 一 殼 層 的 5)由 標(biāo) 樣 或 由 理 論 計(jì) 算 得 出 , , 將 , , 作擬 合 參 數(shù) , 對(duì) 曲 線 進(jìn) 行 擬 合 , 得

12、出 吸 收 原 子 的近 鄰 原 子 信 息 , , 。同 步 輻 射 實(shí) 驗(yàn) 站 XAFS站 通 常 都 有 相 應(yīng) 的 數(shù) 據(jù) 處 理 程序 ( ) ( 1,2, 3)nk k n or 3 ( )k k (2 )jf k ( )j k jR jN j3 ( )k k jR jN j Ge70006005000400100300200 2 4 6 8 10R ()FT值圖28. Fourier變換的結(jié)果,虛線為濾出第一配位殼層的窗函數(shù) 0 10 2020100-10-20 k (-1)k2 (k)圖29 Fourier變換乘以窗函數(shù) 5.EXAFS的 特 點(diǎn)1)樣 品 廣 泛EXAFS取 決 于 短 程 有 序 作 用 , 不 依 賴 長 程 有 序 , 因而 可 測 得 樣 品 廣 泛 , 可 用 于 非 晶 、 液 態(tài) 、 熔 態(tài) 、 催化 劑 活 性 中 心 , 金 屬 蛋 白 , 晶 體 中 的 雜 質(zhì) 原 子 的 結(jié)構(gòu) 研 究 ;2)X射 線 吸 收 邊 具 有 元 素 特 征 , 對(duì) 樣 品 中 不 同 元 素 的原 子 , 可 分 別 進(jìn) 行 研 究 ;3)利 用 熒 光 法 可 測 量 濃 度 低 至 的 元 素 的 樣 品 ;4)樣 品 制 備 比 較 簡 單 。

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