Кіріспе
Рентгендік сәулелерді сіңіру спектроскопиясында байқалатын ерекше құрылым – Рентгендік сәулелерді сіңірудің ұсақ құрылымы (XAFS). XAFS – Рентгендік сәулелерді сіңіру спектроскопиясының (XAS) нәтижесінде көрінетін ерекше құрылым. XAFS-ті талдау арқылы жергілікті құрылым және бос электрондық күйлер туралы мәліметтер алуға болады.
X ray absorption fine structure (XAFS) is a specific structure observed in X ray absorption spectroscopy (XAS). By analyzing the XAFS, information can be acquired on the local structure and on the unoccupied local electronic states.
Атомдық спектрлер
Атомдық рентген сәулелерін сіңіру спектрі (АХС) сіңіретін атомның ішкі қабық деңгейі спектрдің дискретті бөлігіндегі "шекаралық соңғы күйлер" немесе "Ридберг күйлері" деп аталатын, иондау потенциалынан (IP) төмен, ал иондау потенциалынан жоғары спектрдің "континуумдағы күйлері" деп аталатын бөліктеріне жіктеледі, бұл вакуумдағы фотоэлектронның қозуының нәтижесінде болады. IP-ден жоғары сіңіру қимасы рентген сәулелерінің энергиясымен біртіндеп төмендейді. 1930-шы жылдардағы алғашқы тәжірибелік және теориялық жұмыстардан кейін, 1960-шы жылдары Ұлттық Стандарттар бюросында синхротрон сәулесін пайдалану арқылы кең асимметриялық сіңіру шыңдарының атомдық иондау потенциалынан жоғары Фано резонанстарында болатыны анықталды, онда соңғы күйлер көп денелі квази-байланысты күйлер (яғни екі рет қозылған атом) континууммен дегенерацияланған.
Шекаралық аймақ
Шеттік аймақ әдетте сіңіру шегінің шамасы бірнеше ЭВ-қа дейін созылады. Шеттік аймақтағы спектрлік ерекшеліктер i) жақсы металдарда Ферми деңгейінен жоғары соңғы де локализацияланған күйлерге қозулар; ii) изоляторларда иондану потенциалынан төмен ядролық экзитонтар; iii) молекулаларда бастапқы күйдегі химиялық потенциалдан жоғары бірінші бос молекулалық деңгейлерге электрондық өтулер, олар ядролық тесікпен Кулондық өзара әрекеттесу арқылы ядролық сіңіру спектрінің дискретті бөлігіне ығысады. Көпэлектронды қозулар және көпденелі соңғы күйлер арасындағы конфигурациялық өзара әрекеттесу күшті корреляцияланған металдар мен изоляторларда шеттік аймаққа басымдық етеді. Көп жылдар бойы шеттік аймақ "Коссель құрылымы" деп аталды, бірақ қазір ол "сіңіру шегінің аймағы" деп аталады, өйткені Коссель құрылымы тек бос молекулалық соңғы күйлерді көрсетеді, бұл сипаттама тек бірнеше нақты жағдайларда ғана дұрыс: молекулалар және күшті бұзылған жүйелер.
Рентген сәулелерін сіңірудің шетке жақын құрылымы
XANES энергия аймағы ядролық деңгейдегі рентген сәулелерін сіңіру шегінің айналасында 50-100 эВ энергия диапазонында, шеткі және EXAFS аймақтары арасында орналасқан. 1980 жылға дейін XANES аймағы дұрыс емес түрде әртүрлі соңғы күйлерге жатқызылды: а) бос күйлердің жалпы тығыздығы, немесе б) бос молекулалық орбитальдар (коссельдік құрылым), немесе в) бос атомдық орбитальдар, немесе г) төмен энергиялы EXAFS тербелістері. 1970-ші жылдары Фраскати және Стэнфорд синхротрондық көздерінде синхротрондық сәулеленуді пайдалану арқылы, осы энергия аймағындағы ерекшеліктердің өзгермелі мөлшердегі нанокластерде фотоэлектронның көптеген шашырау резонанстарына байланысты екені тәжірибелік түрде дәлелденді. Антонио Бьянкони 1980 жылы XANES аббревиатурасын ойлап тапты, ол фотоэлектронның жұмсақ және қатты рентген сәулелері диапазонындағы көптеген шашырау резонанстары басым болатын спектрлік аймақты білдіреді. XANES энергия диапазонында фотоэлектронның соңғы күйіндегі кинетикалық энергиясы бірнеше эВ-тан 50-100 эВ-қа дейін өзгереді. Бұл жағдайда фотоэлектрон молекулалар мен конденсатталған заттардағы көршілес атомдар арқылы күшті шашырау амплитудасына ие, оның толқын ұзындығы атомдар аралық қашықтықтан ұзын, орташа еркін жүріс жолы бір нанометрден кем болуы мүмкін, ал қозу күйінің өмір сүру ұзақтығы фемтосекундтар шамасында болады. XANES спектрлік ерекшеліктері 1970-ші жылдардың басында ұсынылған толық көптеген шашырау теориясымен сипатталады. Сондықтан, XANES интерпретациясының кілттік қадамы – соңғы күйлерге шектелген көршілес атомдардың атомдық кластерінің мөлшерін анықтау болып табылады, ол әртүрлі жүйелерде 0,2 нм-ден 2 нм-ге дейін ауыспалы болуы мүмкін. Бұл энергия аймағы кейінірек (1982 жылы) шетке жақын рентген сәулелерін сіңірудің ұсақ құрылымы (NEXAFS) деп те аталды, ол XANES-ке синоним болып табылады. 20 жылдан астам уақыт бойы XANES интерпретациясы талқылау нысаны болды, бірақ соңғы кезде соңғы күйлердің «көптеген шашырау резонанстары» екендігі және көп денелі соңғы күйлердің маңызды рөл атқаратыны туралы келісімге қол жеткізілді.
and in the hard X ray range. In the XANES energy range the kinetic energy of the photoelectron in the final state is between few eV and 50 100 eV. In this regime the photoelectron has a strong scattering amplitude by neighboring atoms in molecules and condensed matter, its wavelength is larger than interatomic distances, its mean free path could be smaller than one nanometer and finally the lifetime of the excited state is in the order of femtoseconds. The XANES spectral features are described by full multiple scattering theory proposed in the early seventies. Therefore, the key step for XANES interpretation is the determination of the size of the atomic cluster of neighbor atoms, where the final states are confined, which could range from 0.2 nm to 2 nm in different systems. This energy region has been called later (in 1982) also near edge X ray absorption fine structure (NEXAFS), which is synonymous with XANES. During more than 20 years the XANES interpretation has been object of discussion but recently there is agreement that the final states are "multiple scattering resonances" and many body final states play an important role.
Орташа аймақ
XANES және EXAFS аймақтары арасында, төмен n-дене таралу функцияларының маңызды рөл атқаратын аралық аймақ бар.
Рентген сәулелерін жұтудың кеңейтілген ұсақ құрылымы
Көлбеудің шеттерінен жүздеген электрон вольтқа дейін созылатын тербеліс құрылымы осы құрылымды жоғары энергиялы диапазонға (яғни, фотоэлектронның 100 ЭВ-тен жоғары кинетикалық энергия диапазонында, әлсіз шашырау режимінде) молекулалар мен конденсирленген заттардағы көршілес атомдардың қозған фотоэлектронды бір рет шашыратуымен байланыстырған ғалым Ральф Кронигтің есімімен "Кронинг құрылымы" деп аталды. 1971 жылы Сэйерс, Стерн және Лайтл бұл режимді EXAFS деп атады, ал ол қарқынды синхротрон сәулелену көздерін пайдаланғаннан кейін ғана дамыды.
Рентгендік сәулелерді сіңіру спектроскопиясының қолданылуы
Рентгендік сәулелерді сіңіру жиегі спектроскопиясы – ядролық деңгейден бос орбитальға немесе энергия аймағына өтуге сәйкес келеді және негізінен электрондық бос күйлерді көрсетеді. EXAFS, қоршаған атомдармен фотоэлектронның бір рет шашырауының нәтижесінде туындайтын интерференциядан пайда болады және жергілікті құрылым туралы ақпарат береді. Жергілікті құрылымның геометриясы туралы ақпарат XANES спектрлеріндегі көп рет шашырау шыңдарын талдау арқылы алынады. XAFS аббревиатурасы кейіннен XANES және EXAFS спектрлерінің жиынтығын білдіру үшін қолданыла бастады.