Рентгеновская абсорбционная спектроскопия
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2021 г. ) |
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 перестраиваемые рентгеновские пучки. Образцы могут находиться в газовой фазе, растворах или твердых веществах. [2]
Фон
[ редактировать ]Данные XAS получаются путем настройки энергии фотонов , [3] с использованием кристаллического монохроматора до диапазона, в котором электроны ядра могут возбуждаться (0,1–100 кэВ). Ребра частично названы по тому, какой остовный электрон возбуждается: главные квантовые числа n = 1, 2 и 3 соответствуют K-, L- и M-краям соответственно. [4] Например, возбуждение 1s-электрона происходит на K-крае , а возбуждение 2s- или 2p-электрона происходит на L-крае (рис. 1).
В спектре, полученном с помощью данных XAS, обнаружены три основные области, которые затем рассматриваются как отдельные спектроскопические методы (рис. 2):
- Порог поглощения , определяемый переходом в нижние незанятые состояния:
- состояния на уровне Ферми в металлах, дающие «нарастающий фронт» дуготангенциальной формы ;
- связанные остовные экситоны в изоляторах с лоренцевой формой линии (они возникают в предкраевой области при энергиях меньших, чем переходы на нижний незанятый уровень);
- Ближнекраевая структура рентгеновского поглощения ( XANES ), представленная в 1980 году, а затем в 1983 году и также называемая NEXAFS (тонкая структура ближнекраевого рентгеновского поглощения), в которой преобладают переходы ядра в квазисвязанные состояния (резонансы множественного рассеяния). ) для фотоэлектронов с кинетической энергией в диапазоне от 10 до 150 эВ выше химического потенциала, называемых «резонансами формы» в молекулярных спектрах, поскольку они обусловлены конечными состояниями с коротким временем жизни, вырожденными с континуумом с формой линии Фано. В этом диапазоне актуальны многоэлектронные возбуждения и конечные состояния многих тел в сильно коррелированных системах;
- В области высоких кинетических энергий фотоэлектрона сечение рассеяния соседними атомами слабое, а в спектрах поглощения преобладает EXAFS (тонкая структура расширенного рентгеновского поглощения), где рассеяние выброшенного фотоэлектрона соседних атомов может быть аппроксимированы событиями однократного рассеяния. В 1985 году было показано, что теорию многократного рассеяния можно использовать для интерпретации как XANES , так и EXAFS ; поэтому экспериментальный анализ, сосредоточенный на обеих областях, теперь называется XAFS .
XAS — это тип абсорбционной спектроскопии из исходного состояния ядра с четко определенной симметрией; следовательно, квантовомеханические правила отбора выбирают симметрию конечных состояний континуума, которые обычно представляют собой смесь нескольких компонентов. Наиболее интенсивные особенности обусловлены разрешенными электрическими диполями переходами (т.е. ℓ = ± 1) в незанятые конечные состояния. Например, наиболее интенсивные особенности K-края обусловлены переходами ядра из 1s → p-подобных конечных состояний, тогда как наиболее интенсивные особенности L 3 -края обусловлены 2p → d-подобными конечными состояниями.
Методологию XAS можно в общих чертах разделить на четыре экспериментальные категории, которые могут давать дополняющие друг друга результаты: металлический K-край , металлический L-край , лигандный K-край и EXAFS.
Наиболее очевидным способом картирования гетерогенных образцов за пределами контраста рентгеновского поглощения является элементный анализ с помощью рентгеновской флуоресценции, аналогичный методам EDX в электронной микроскопии. [5]
Приложения
[ редактировать ]XAS — это метод, используемый в различных научных областях, включая молекулярную физику и физику конденсированного состояния . [6] [7] [8] материаловедение и инженерия , химия , наука о Земле и биология . В частности, его уникальная чувствительность к локальной структуре по сравнению с дифракцией рентгеновских лучей была использована для изучения:
- Аморфные твердые тела и жидкие системы
- Твердые решения
- для легирования и ионной имплантации Материалы для электроники
- Локальные искажения кристаллических решеток
- Металлоорганические соединения
- Металлопротеины
- Металлические кластеры
- Катализ
- Вибрационная динамика [9]
- Ионы в растворах
- Вид элементов
- Жидкая вода и водные растворы
- Используется для выявления переломов костей.
- Используется для определения концентрации любой жидкости в любом резервуаре.
См. также
[ редактировать ]- Ближнекраевая структура поглощения рентгеновских лучей (XANES)
- Рентгеновская эмиссионная спектроскопия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Введение в тонкую структуру рентгеновского поглощения (XAFS)» , Рентгеновская абсорбционная спектроскопия для химических наук и наук о материалах , Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons, Ltd, стр. 1–8, 24 ноября 2017 г., doi : 10.1002/9781118676165.ch1 , ISBN 978-1-118-67616-5 , получено 28 сентября 2020 г.
- ^ Яно Дж., Ячандра В.К. (4 августа 2009 г.). «Рентгеноабсорбционная спектроскопия» . Исследования фотосинтеза . 102 (2–3): 241–54. Бибкод : 2009PhoRe.102..241Y . дои : 10.1007/s11120-009-9473-8 . ПМЦ 2777224 . ПМИД 19653117 .
- ^ Попминчев, Димитр; Галлоуэй, Бенджамин Р.; Чен, Мин-Чанг; Доллар, Франклин; Манкузо, Кристофер А.; Ханкла, Амелия; Миаха-Авила, Луис; О'Нил, Гален; Шоу, Джастин М.; Фань, Гуанъюй; Алишаускас, Скирмантас (01.03.2018). «Рентгеновская спектроскопия тонкой структуры поглощения ближнего и расширенного края с использованием сверхбыстрых когерентных гармонических суперконтинуумов высокого порядка» . Письма о физических отзывах . 120 (9): 093002. Бибкод : 2018PhRvL.120i3002P . doi : 10.1103/physrevlett.120.093002 . hdl : 20.500.12708/17936 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 29547333 .
- ^ Келли С.Д., Хестерберг Д., Равель Б. (2015). «Анализ почв и минералов методом рентгеновской абсорбционной спектроскопии» . Методы анализа почвы. Часть 5. Минералогические методы . Серия книг SSSA. John Wiley & Sons, Ltd., стр. 387–463. дои : 10.2136/sssabookser5.5.c14 . ISBN 978-0-89118-857-5 . Проверено 24 сентября 2020 г.
- ^ Эванс, Джон (23 ноября 2017 г.). Рентгеновская абсорбционная спектроскопия для химии и материаловедения (Первое изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 978-1-118-67617-2 . OCLC 989811256 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Тангчароен Т., Клисубун В., Конгмарк К. и Печарапа В. (2014). Синхротронная рентгеновская абсорбционная спектроскопия и исследование магнитных характеристик металлических ферритов (металл = Ni, Mn, Cu), синтезированных методом золь-гель автосжигания. Физический статус Solidi A, 211 (8), 1903–1911. https://doi.org/10.1002/pssa.201330477
- ^ Тангчароен, Танит, Вантана Клисубун и Чанапа Конгмарк. «Синхротронная рентгеновская абсорбционная спектроскопия и исследование катионного распределения 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
- ^ Рават, Панкадж Сингх, Р. К. Шривастава, Гаган Дикшит и К. Асокан. «Структурные, функциональные и магнитные модификации упорядочения в оксиде графена и графите под действием облучения ионами золота с энергией 100 МэВ». Вакуум 182 (2020): 109700. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109700.
- ^ Юнгберг, Матиас (декабрь 2017 г.). «Колебательные эффекты при поглощении рентгеновских лучей и резонансном неупругом рассеянии рентгеновских лучей по полуклассической схеме» . Физический обзор B . 96 (21): 214302. arXiv : 1709.06786 . Бибкод : 2017PhRvB..96u4302L . дои : 10.1103/PhysRevB.96.214302 . S2CID 119210376 . Проверено 21 апреля 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Чжан М (15 августа 2020 г.). «КСАНЕС – Теория» . Проект LibreTexts .
- Ньювилл М. (25 июля 2008 г.). «Основы XAFS» (PDF) . Чикаго, Иллинойс: Чикагский университет.