Кіріспе
Материалдың рентген сәулелерін сіңіруін энергияның функциясы ретінде өлшеу. Кеңейтілген рентген сәулелерін сіңірудің құрылымдық талдауы (EXAFS) және шетке жақын рентген сәулелерін сіңіру құрылымы (XANES) – рентген сәулелерін сіңіру спектроскопиясының (XAS) бір бөлігі. Басқа сіңіру спектроскопиялары сияқты, XAS әдістері де Биер заңына бағынады. Материалдың рентген сәулелерін сіңіру коэффициентін энергияның функциясы ретінде алу үшін, тар энергиялық диапазондағы рентген сәулелерін үлгіге бағыттайды, сонымен бірге түсетін және өтетін рентген сәулелерінің қарқындылығын тіркеп, түсетін рентген сәулелерінің энергиясын арттырады. Рентген сәулелерінің энергиясы үлгідегі атомның электронының байланыс энергиясына сәйкес келгенде, үлгіде сіңірілген рентген сәулелерінің саны күрт артады, нәтижесінде өтетін рентген сәулелерінің қарқындылығы төмендейді. Бұл сіңіру шегіне алып келеді. Әр элементтің өзіне тән сіңіру шектері болады, олар оның электрондарының әртүрлі байланыс энергияларына сәйкес келеді, бұл XAS-қа элементтік таңдаулылықты береді. XAS спектрлері көбінесе синхротрондарда жиналады, себебі синхротронның жоғары қарқындылығы сіңіретін элементтің концентрациясын миллионнан бірнеше бөлікке дейін төмендетуге мүмкіндік береді. Көздің қуаты жеткіліксіз болса, сіңіруді анықтау мүмкін емес. Рентген сәулелерінің жоғары өткізгіштігіне байланысты, XAS үлгілері газ, қатты зат немесе сұйықтық күйде болуы мүмкін.
Extended X ray absorption fine structure (EXAFS), along with X ray absorption near edge structure (XANES), is a subset of X ray absorption spectroscopy (XAS). Like other absorption spectroscopies, XAS techniques follow Beer's law. The X ray absorption coefficient of a material as a function of energy is obtained by directing X rays of a narrow energy range at a sample, while recording the incident and transmitted x ray intensity, as the incident x ray energy is incremented. When the incident x ray energy matches the binding energy of an electron of an atom within the sample, the number of x rays absorbed by the sample increases dramatically, causing a drop in the transmitted x ray intensity. This results in an absorption edge. Every element has a set of unique absorption edges corresponding to different binding energies of its electrons, giving XAS element selectivity. XAS spectra are most often collected at synchrotrons because the high intensity of synchrotron X ray sources allows the concentration of the absorbing element to reach as low as a few parts per million. Absorption would be undetectable if the source were too weak. Because X rays are highly penetrating, XAS samples can be gases, solids or liquids.
Өмірбаян
EXAFS спектрлері берілген материалдың энергияға қарсы сіңіру коэффициентінің графигі ретінде көрсетіледі, әдетте 500 – 1000 эВ диапазонында, сынамадағы элементтің сіңіру жиегінен бұрын басталады. Рентген сәулелерін сіңіру коэффициенті әдетте бірлік саты биіктігіне нормаландырылады. Бұл сіңіру жиегінің алдындағы және соңынан кейінгі аймаққа бір сызықты регрессиялау арқылы, барлық деректер жиынтығынан алдыңғы жиекті алып тастау және сіңіру сатысының биіктігіне бөлу арқылы жасалады, ол алдыңғы және соңғы жиектердің арасындағы айырмашылықпен анықталады E0 (сіңіру жиегінде). Нормаланған сіңіру спектрлері көбінесе XANES спектрлері деп аталады. Бұл спектрлерді сынамадағы элементтің орташа тотығу күйін анықтау үшін пайдалануға болады. XANES спектрлері сондай-ақ сынамадағы сіңіретін атомның координациялық ортасына сезімтал. Белгісіз сынамалардың XANES спектрлерін белгілі "стандарттардың" спектрлерімен сәйкестендіру үшін «саусақ іздері» әдістері қолданылды. Бірнеше түрлі стандартты спектрлерді сызықтық комбинациялау арқылы белгісіз сынамадағы белгілі стандартты спектрлердің әрқайсысының мөлшерін бағалауға болады. Рентген сәулелерін сіңіру спектрлері 200 – 35 000 эВ диапазонында жасалады. Басты физикалық процесс – сіңірілген фотон сіңіретін атомнан ядролық фотоэлектронды шығарып, ядролық тесік қалдыру. Ядролық тесігі бар атом енді қозуға ие. Шығарылған фотоэлектронның энергиясы сіңірілген фотонның энергиясына тең болады, бастапқы ядролық күйдің байланысу энергиясы кешіріледі. Шығарылған фотоэлектрон айналадағы қозусыз атомдардағы электрондармен өзара әрекеттеседі. Егер шығарылған фотоэлектрон толқын тәрізді қасиетке ие деп есептелсе және оны қоршаған атомдар нүктелік шашырағыштар ретінде сипатталса, кері шашыраған электрондық толқындардың алға жылжымайтын толқындармен араласуын көзге елестетуге болады. Нәтижесінде пайда болған интерференциялық үлгі өлшенген сіңіру коэффициентінің модуляциясы ретінде көрінеді, осылайша EXAFS спектрлеріндегі тербеліске әкеледі. EXAFS спектрлерін түсіндіру үшін көптеген жылдар бойы қарапайым жазық толқынның бір рет шашырау теориясы қолданылды, бірақ қазіргі заманғы әдістер (FEFF, GNXAS сияқты) қисық толқын түзетулері мен көп рет шашырау эффектілерін елемеуге болмайтынын көрсетті. Фотоэлектронның кинетикалық энергиясының төменгі диапазонындағы (5 – 200 эВ) фотоэлектронның шашырау амплитудасы айтарлықтай үлкен болады, сондықтан XANES (немесе NEXAFS) спектрлерінде көп рет шашырау оқиғалары басым болады. Фотоэлектронның толқын ұзындығы орталық атомдағы кері шашыраған толқынның энергиясы мен фазасына байланысты. Толқын ұзындығы келіп түскен фотонның энергиясына байланысты өзгереді. Кері шашыраған толқынның фазасы мен амплитудасы кері шашыраған атомның түріне және кері шашыраған атомның орталық атомнан қашықтығына байланысты. Шашыраудың атомдық түрлеріне тәуелділігі осы EXAFS деректерін талдау арқылы бастапқы сіңіретін (орталықтан қозуға ие) атомның химиялық координациялық ортасы туралы ақпарат алуға мүмкіндік береді.
Эксперименттік ескертулер
EXAFS-ке реттелмелі рентген сәулесінің көзі қажет болғандықтан, деректер көбінесе синхротрондарда, әсіресе осы мақсатқа арнайы баптаулы сәуле желілерінде жиналады. Нақты бір қатты денеді зерттеуге белгілі бір синхротронның тиімділігі, тиісті элементтердің сіңіру жиектеріндегі рентген сәулесі ағынының қарқындылығына байланысты.
Мысалдар
EXAFS, XANES сияқты, элементтік ерекшелігі бар жоғары сезімтал техника. Сондықтан, EXAFS өте аз мөлшерде немесе концентрацияда кездесетін, маңызды түрлердің химиялық күйін анықтау үшін өте пайдалы құрал. EXAFS экологиялық химияда жиі қолданылады, онда ғалымдар ластаушы заттардың экожүйеде қалай таралатынын түсінуге тырысады. EXAFS үдеткіш массалық спектрометриямен бірге сот-медициналық сараптамада, әсіресе ядролық қару таратуды болдырмау саласында қолданылуы мүмкін.
Тарих
EXAFS тарихы туралы өте толық, салмақты және ақпараттық мақала (алғашқыда Коссель құрылымдары деп аталған) Р. Штумм фон Бордвер жазған. XAFS (EXAFS және XANES) тарихының көбірек заманауи және нақты баяндамасын, EXAFS-тің қазіргі нұсқасын жасаған топтың жетекшісі Эдвард А. Стерн марапаттау лекциясында берген.
Қағаздар
Ф. В. Лайтл, "EXAFS туысы: кеңейтілген рентген сәулелерін сіңірудің ұсақ құрылымдық талдауының даму тарихы", А. Кодре, И. Арчон, Микроэлектроника, құрылғылар және материалдар бойынша 36-шы халықаралық конференция материалдары, MIDEM, Постойна, Словения, 28 қазан – 30 қазан, 2000 жыл, 191-196 беттер.
A. Kodre, I. Arčon, Proceedings of 36th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials, MIDEM, Postojna, Slovenia, October 28–20, (2000), p. 191 196