Рентгеновские стоячие волны

Метод рентгеновской стоячей волны (XSW) можно использовать для изучения структуры поверхностей и границ раздела с высоким пространственным разрешением и химической селективностью. Впервые разработанный Б. В. Баттерманом в 1960-х годах, ^[1] Доступность синхротронного света стимулировала применение этого интерферометрического метода для решения широкого круга проблем науки о поверхности. ^[2]^[3]

Основные принципы

Поле стоячей рентгеновской волны (XSW) создается в результате интерференции рентгеновского луча, падающего на образец, и отраженного луча. Отражение может быть создано при условии Брэгга для кристаллической решетки или инженерной многослойной сверхрешетки ; в этих случаях период XSW равен периодичности отражающих плоскостей. Отражательная способность рентгеновских лучей от поверхности зеркала при малых углах падения также может быть использована для генерации длиннопериодических XSW. ^[4]

Пространственная модуляция поля XSW, описываемая динамической теорией дифракции рентгеновских лучей , претерпевает заметное изменение при сканировании образца посредством условия Брэгга. Из-за относительного изменения фазы между приходящим и отраженным лучами узловые плоскости поля КСВ смещаются на половину периода ПСВ. ^[5] В зависимости от положения атомов внутри этого волнового поля измеренное специфическое для элемента поглощение рентгеновских лучей меняется характерным образом. Следовательно, измерение поглощения (с помощью рентгеновской флуоресценции или выхода фотоэлектронов ) может выявить положение атомов относительно отражающих плоскостей. Поглощающие атомы можно рассматривать как «обнаруживающие» фазу XSW; таким образом, этот метод преодолевает фазовую проблему рентгеновской кристаллографии.

Для количественного анализа нормированный выход флуоресценции или фотоэлектронов $Y_{p}$ описывается ^[2]^[3]

$Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ ,

где $R$ это отражательная способность и $\nu$ – относительная фаза интерферирующих лучей. Характерная форма $Y_{p}$ можно использовать для получения точной структурной информации об атомах поверхности, поскольку два параметра $f_{H}$ (когерентная дробь) и $P_{H}$ (когерентное положение) напрямую связаны с Фурье-представлением функции распределения атомов. Следовательно, при достаточно большом количестве измеряемых компонентов Фурье данные XSW можно использовать для установления распределения различных атомов в элементарной ячейке (изображение XSW). ^[6]

Характеристика выхода XSW (красные линии) через $\mathbf {H} =hkl$ Условие Брэгга для поглощающего атома в положении $\mathbf {H} \cdot \mathbf {r}$ . Брэгговское отражение, рассчитанное с помощью динамической теории дифракции, показано зеленым цветом.

Экспериментальные соображения

Измерения XSW поверхностей монокристаллов проводятся на дифрактометре . Кристалл раскачивают в условиях дифракции Брэгга, одновременно измеряя отражательную способность и выход XSW. Выход XSW обычно определяют по рентгеновской флуоресценции (XRF). Обнаружение XRF позволяет проводить измерения на месте границ раздела между поверхностью и газовой или жидкой средой, поскольку жесткие рентгеновские лучи могут проникать в эти среды. Хотя РФА дает выход XSW для конкретного элемента, он не чувствителен к химическому состоянию поглощающего атома. Чувствительность к химическому состоянию достигается с помощью фотоэлектронного обнаружения, для которого требуются приборы сверхвысокого вакуума .

Измерения положений атомов на поверхности монокристалла или вблизи нее требуют подложек очень высокого кристаллического качества. Собственная ширина брэгговского отражения, рассчитанная по динамической теории дифракции, чрезвычайно мала (порядка 0,001° в обычных условиях рентгеновской дифракции). Дефекты кристалла, такие как мозаичность, могут существенно расширить измеренную отражательную способность, что скрывает модуляции выхода XSW, необходимые для определения местоположения поглощающего атома. Для подложек с большим количеством дефектов, таких как монокристаллы металлов, используется геометрия нормального падения или обратного отражения. В этой геометрии внутренняя ширина брэгговского отражения максимальна. Вместо раскачивания кристалла в пространстве энергия падающего луча настраивается с помощью условия Брэгга. Поскольку эта геометрия требует мягкого падающего рентгеновского излучения, в этой геометрии обычно используется XPS-обнаружение выхода XSW.

Выбранные приложения

Области применения, требующие условий сверхвысокого вакуума :

Физисорбционные и хемосорбционные исследования ^[2]^[3]
Диффузия примесей в кристаллах. ^[7]
Сверхрешетки и квазикристаллические характеристики

Области применения, не требующие условий сверхвысокого вакуума:

Фильмы Ленгмюра-Блоджетт
Самособранные монослои
Модельные гетерогенные катализаторы ^[8]
Скрытые интерфейсы

См. также

Список методов анализа поверхности

Ссылки

^ Б.В. Баттерман и Х. Коул (1964). «Динамическая дифракция рентгеновских лучей на совершенных кристаллах». Обзоры современной физики . 36 (3): 681. doi : 10.1103/RevModPhys.36.681 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Дж. Зегенхаген (1993). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Отчеты о поверхностной науке . 18 (7/8): 202–271. дои : 10.1016/0167-5729(93)90025-К .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Д. П. Вудрафф (2005). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Отчеты о прогрессе в физике . 68 (4): 743. дои : 10.1088/0034-4885/68/4/R01 . S2CID 122085105 .
^ М.Ю. Бедзик ; ГМ Боммарито; Дж. С. Шильдкраут (1989). «Стоячие рентгеновские волны на отражающей зеркальной поверхности». Письма о физических отзывах . 62 (12): 1376–1379. дои : 10.1103/PhysRevLett.62.1376 . ПМИД 10039658 .
^ Дж. Альс-Нильсен и Д. МакМорроу (2001). Элементы современной рентгеновской физики . Джон Вили и сыновья, ООО ISBN 978-0471498582 .
^ Л. Ченг, П. Фентер, М. Дж. Бедзик и Н. Дж. Стурчио (2003). «Решение распределения атомов в кристалле с помощью разложения Фурье с использованием стоячих рентгеновских волн». Письма о физических отзывах . 90 (25): 255503. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.255503 . ПМИД 12857143 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ П. Хёнике; и др. (2010). «Характеристика профиля глубины имплантатов со сверхмелким соединением». Аналитическая и биоаналитическая химия . 396 (8): 2825–32. дои : 10.1007/s00216-009-3266-y . ПМИД 19941133 . S2CID 6443446 .
^ З. Фэн, К.-Ю. Ким, Дж. В. Элам, К. Ма, З. Чжан, М. Дж. Бедзик (2009). «Прямое наблюдение в атомном масштабе динамики катионов, индуцированной окислительно-восстановительным процессом, в монослойном катализаторе, нанесенном на оксид: WO _x /α-Fe ₂ O ₃ (0001)». Журнал Американского химического общества . 131 (51): 18200–18201. дои : 10.1021/ja906816y . ПМИД 20028144 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Дальнейшее чтение

Зегенхаген, Йорг; Казимиров, Александр (2013). Метод стоячей рентгеновской волны . Всемирная научная . дои : 10.1142/6666 . ISBN 978-981-2779-00-7 .

[batterman_1964-1] Б.В. Баттерман и Х. Коул (1964). «Динамическая дифракция рентгеновских лучей на совершенных кристаллах». Обзоры современной физики . 36 (3): 681. doi : 10.1103/RevModPhys.36.681 .

[zegenhagen_1993-2] Jump up to: ^а ^б ^с Дж. Зегенхаген (1993). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Отчеты о поверхностной науке . 18 (7/8): 202–271. дои : 10.1016/0167-5729(93)90025-К .

[woodruff_2005-3] Jump up to: ^а ^б ^с Д. П. Вудрафф (2005). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Отчеты о прогрессе в физике . 68 (4): 743. дои : 10.1088/0034-4885/68/4/R01 . S2CID 122085105 .

[4] М.Ю. Бедзик ; ГМ Боммарито; Дж. С. Шильдкраут (1989). «Стоячие рентгеновские волны на отражающей зеркальной поверхности». Письма о физических отзывах . 62 (12): 1376–1379. дои : 10.1103/PhysRevLett.62.1376 . ПМИД 10039658 .

[als-nielsen-5] Дж. Альс-Нильсен и Д. МакМорроу (2001). Элементы современной рентгеновской физики . Джон Вили и сыновья, ООО ISBN 978-0471498582 .

[6] Л. Ченг, П. Фентер, М. Дж. Бедзик и Н. Дж. Стурчио (2003). «Решение распределения атомов в кристалле с помощью разложения Фурье с использованием стоячих рентгеновских волн». Письма о физических отзывах . 90 (25): 255503. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.255503 . ПМИД 12857143 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[7] П. Хёнике; и др. (2010). «Характеристика профиля глубины имплантатов со сверхмелким соединением». Аналитическая и биоаналитическая химия . 396 (8): 2825–32. дои : 10.1007/s00216-009-3266-y . ПМИД 19941133 . S2CID 6443446 .

[8] З. Фэн, К.-Ю. Ким, Дж. В. Элам, К. Ма, З. Чжан, М. Дж. Бедзик (2009). «Прямое наблюдение в атомном масштабе динамики катионов, индуцированной окислительно-восстановительным процессом, в монослойном катализаторе, нанесенном на оксид: WO _x /α-Fe ₂ O ₃ (0001)». Журнал Американского химического общества . 131 (51): 18200–18201. дои : 10.1021/ja906816y . ПМИД 20028144 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]