Кіріспе
Рентген сәулелерін сіңіру спектрометриясының түрі синхротрондық сәулелену қондырғысын қажет етеді Рентген сәулелерін сіңірудің шетке жақын құрылымы (XANES), сонымен қатар шетке жақын Рентген сәулелерін сіңірудің ұсақ құрылымы (NEXAFS) деп аталады, бұл сіңіру спектроскопиясының түрі, ол фотоэлектронның толқын ұзындығы сіңіретін атом мен оның алғашқы көрші атомдары арасындағы атомдық арақашықтықтан үлкен болатын атомдық ядро деңгейінен 50100 eV энергия аймағында электронды өтпелерге арналған фотосиңіру қимасына байланысты конденсацияланған заттың Рентген сәулелерін сіңіру спектрлеріндегі (XAS) ерекшеліктерді көрсетеді.
X ray absorption near edge structure (XANES), also known as near edge X ray absorption fine structure (NEXAFS), is a type of absorption spectroscopy that indicates the features in the X ray absorption spectra (XAS) of condensed matter due to the photoabsorption cross section for electronic transitions from an atomic core level to final states in the energy region of 50–100 eV above the selected atomic core level ionization energy, where the wavelength of the photoelectron is larger than the interatomic distance between the absorbing atom and its first neighbour atoms.
Терминология
XANES және NEXAFS екеуі де бір әдіс үшін қолайлы терминдер болып табылады. XANES атауын 1980 жылы Антонио Бьянкони иондау энергиясынан жоғары бірнеше шашырау резонанстарына байланысты конденсацияланған заттағы рентген сәулелерін сіңіру спектрлеріндегі күшті сіңіру шыңдарын көрсету үшін ойлап тапты. NEXAFS атауын 1983 жылы Джо Стор енгізді және XANES-ке синоним болып табылады, бірақ жалпы жер бетіндегі және молекулалық ғылымға қолданылған кезде қолданылады.
Теория
XANES-тің негізгі құбылысы - таңдалған атомдық ядролық деңгейдегі ядролық тесіктің сипатталған көптеген денелік қоздырғыштардың пайда болуымен бірге конденсацияланған материяның рентген фотонын сіңіруі (бірінші суретті қараңыз). Бір бөлшектік теорияның шамасында жүйе таңдалған атом түрлерінің ядролық деңгейлеріндегі бір электронға және N 1 пассивті электронға бөлінеді. Бұл шамада соңғы күйді атом ядросының деңгейіндегі ядролық тесік және қозылған фотоэлектрон сипаттаған. Соңғы күйдің өмір сүру уақыты өте қысқа, өйткені ядролық тесіктің өмір сүру уақыты қысқа және 20 50 eV шамасындағы кинетикалық энергиясы бар қозылған фотоэлектронның қысқа орташа еркін жолы. Жарық нүктесі Аугер процесінде немесе басқа қабықтан электронды алып, флуоресцентті фотондарды шығару арқылы толтырылады. NEXAFS және дәстүрлі фотоэмиссиялық эксперименттердің айырмашылығы фотоэмиссияда бастапқы фотоэлектронның өзі өлшенеді, ал NEXAFS-те флуоресценттік фотоны немесе Аугер электронын немесе эластикалық шашыраңқы фотоэлектронды өлшеу мүмкін. Бұл айырмашылық қарапайым болып көрінеді, бірақ шын мәнінде маңызды: фотоэмиссияда детекторда ұсталған сәулеленуші электронның соңғы күйі кеңейтілген, еркін электрон күйі болуы керек. Ал NEXAFS-те фотоэлектронның соңғы күйі экситон сияқты байланған күйі болуы мүмкін, өйткені фотоэлектронның өзін анықтаудың қажеті жоқ. Флуоресцентті фотондарды, Аугер электрондарын және тікелей сәулеленген электрондарды өлшеудің нәтижесі фотоэлектрондардың барлық мүмкін болатын соңғы күйлерін қосу болып табылады, яғни NEXAFS өлшеуіші бастапқы ядролық деңгейдің барлық соңғы күйлерінің жалпы бірлескен тығыздығы болып табылады. Бұл айырмашылық өте маңызды, өйткені спектроскопияда соңғы күйлер бастапқы күйлерге қарағанда көптеген дене әсерлеріне бейімделеді, яғни NEXAFS спектрлері фотоэмиссиялық спектрлерге қарағанда оңай есептеледі. Соңғы күйлер бойынша жиынтық есептеудің арқасында NEXAFS спектрлерін түсіндіруде әртүрлі жиынтық ережелер пайдалы. Рентген сәулелері фотондарының энергиясы ядролық деңгейді экситон сияқты қатты денедегі тар соңғы күймен байланыстырған кезде спектрде оңай анықталатын сипаттамалық шыңдар пайда болады. Бұл тар сипаттағы спектрлік шыңдар NEXAFS техникасына оның аналитикалық қуатының көп бөлігін береді, бұл екінші суретте көрсетілген B 1s π * экситонында көрсетілген. Синхротрондық сәулеленудің табиғи поляризациясы бар, оны NEXAFS зерттеулерінде тиімді пайдалануға болады. Әдетте зерттелетін молекулалық адсорбаттардың сигма және пи байланыстары бар, олар бетке белгілі бір бағытқа ие болуы мүмкін. Рентген сәулелерін сіңіру бұрыштық тәуелділігі диполды таңдау ережелеріне байланысты резонанстық байланыстардың бағытын қадағалайды.
Эксперименттік ескертулер
Жұмсақ рентген сәулелерін сіңіру спектрлері әдетте флуоресценттік өнімділік арқылы өлшенеді, онда сәулеленуші фотондар бақыланады немесе жалпы электрондық өнімділік, онда үлгі амперметр арқылы жерге қосылады және нейтрализациялық ток бақыланады. NEXAFS өлшеулері жұмсақ рентген сәулелерінің қарқынды реттелмелі көзін қажет ететіндіктен, олар синхротрондарда жүргізіледі. Жұмсақ рентген сәулелері ауамен сіңірілетіндіктен, синхротрон сәулесі шақтадан эвакуацияланған сәуле желісімен зерттелмек үлгі орнатылған соңғы станцияға дейін өтеді. NEXAFS зерттеулеріне арналған арнайы сәуле желілері көбінесе үлгілерді қыздыру немесе оларды реактивті газдың дозасына ұшырату сияқты қосымша мүмкіндіктерге ие.
Энергияның шекті диапазоны
Металдардың сіңіру жиегі аймағында фотоэлектрон Ферми деңгейінен жоғары бірінші бос деңгейге қозғайды. Сондықтан, оның таза бір кристалдағы орташа еркін жолы нөлдік температурада шексіздей үлкен және ол өте үлкен болып қала береді, соңғы күйдің энергиясын Ферми деңгейінен шамамен 5 ЭВ-қа дейін арттырады. Бір электронды қоздырудағы мемлекеттер мен матрица элементтерінің бос тығыздығының рөлінен тыс, көптеген дене әсерлері металлдардың сіңіру шегінде "инфрақызыл сингулярлық" ретінде пайда болады. Азоляторлардың сіңіру жиегі аймағында фотоэлектрон химиялық потенциалдан жоғары бірінші бос деңгейге қозғайды, бірақ экрандалмаған өзекті тесігі өзекті экситон деп аталатын локальді байланған күйді құрайды.
EXAFS энергиясының диапазоны
Рентген сәулелерін сіңіру спектрлерінің жоғары энергиялы диапазондағы 150 ЭВ-тан иондау потенциалынан тыс кеңістіктегі ұсақ құрылымы атомдық жұптардың таралуын (яғни атомдар аралық қашықтықтарды) шамамен 10-15 с уақыт шкаласымен анықтау үшін қуатты құрал болып табылады. Шын мәнінде, жоғары кинетикалық энергиялы диапазондағы (150-2000 ЭВ) қозылған фотоэлектронның соңғы күйі тек қана фотоэлектронның төмен амплитудалы шашырауына байланысты бір рет кері шашырауымен анықталады.
In fact the final state of the excited photoelectron in the high kinetic energy range (150 2000 eV ) is determined only by single backscattering events due to the low amplitude photoelectron scattering.
NEXAFS энергиясының диапазоны
NEXAFS аймағында, сіңіру шегінен шамамен 5 ЭВ-тан басталатын, төмен кинетикалық энергия диапазоны (5 150 ЭВ) көрші атомдардың фотоэлектронды кері шашырату амплитудасы өте үлкен, сондықтан бірнеше шашырату оқиғалары NEXAFS спектрлерінде басым болады. NEXAFS және EXAFS арасындағы әртүрлі энергия диапазонын фотоэлектрон толқын ұзындығы мен фотоабсорбер кері шашыраушы жұптың атомдық арақашықтығын салыстыру арқылы өте қарапайым түрде түсіндіруге болады. Фотоэлектронның кинетикалық энергиясы толқын ұзындығымен келесі қатынаспен байланысты: бұл жоғары энергия үшін толқын ұзындығы атом аралық қашықтықтан қысқа және сондықтан EXAFS аймағы бір шашырау режиміне сәйкес келеді; ал төменгі E үшін атом аралық қашықтықтан үлкен және XANES аймағы бірнеше шашырау режимімен байланысты.
which means that for high energy the wavelength is shorter than interatomic distances and hence the EXAFS region corresponds to a single scattering regime; while for lower E, is larger than interatomic distances and the XANES region is associated with a multiple scattering regime.
Соңғы жағдай
NEXAFS спектрлерінің сіңіру шыңдары атомдық сіңіру орнында қозылған және көрші атомдар шашыратып жіберген фотоэлектронның бірнеше шашырату резонанстарымен анықталады. Соңғы күйлердің жергілікті сипаты қысқа фотоэлектронның орташа еркін жолымен анықталады, бұл энергия диапазонында фотоэлектронның электрондар тесігі қозғыштары (экцитон) және плазмон деп аталатын валентті электрондардың ұжымдық электронды тербелістері арқылы эластикалық шашырауынан қатты азаяды (50 ЭВ шамасында шамамен 0,3 нм-ға дейін).
Қолданбалар
NEXAFS-тің үлкен күші оның элементтік ерекшелігінен туындайды. Әр түрлі элементтердің әртүрлі ядролық деңгейі бар болғандықтан, NEXAFS сигналды үлкен фондық сигнал болған кезде жер бетіндегі моноқабаттан немесе тіпті бір ғана көмілген қабаттан алуға мүмкіндік береді. Жерленген қабаттар инженерлік қолданбаларда өте маңызды, мысалы, магниттік жазу құралдары жер бетіндегі майлау майының астында немесе интегралды схемадағы электродтың астында допанттар. NEXAFS элементтердің химиялық күйін анықтауға мүмкіндік беретіндіктен, оны қоршаған орта химиясы мен геохимиясында кеңінен қолданады. NEXAFS-тің көмілген атомдарды зерттеу қабілеті фотоэмиссиялық және Аугер спектроскопиясына қарағанда, атомдарды тек бір немесе екі қабатты ғана зерттейтін, оның ішінде эластикалық шашыраңқы электронды барлық соңғы күйлердегі интеграциясына байланысты. NEXAFS аймағынан көптеген химиялық ақпаратты алуға болады: формальды валенттілік (эксперименттік түрде анықтау өте қиын); үйлесімділік ортасы (мысалы, октаэдрлік, тетраэдрлік үйлесімділік) және оның нәзік геометриялық бұрмаланулары. Ферми деңгейінен жоғарыда бос байланған күйлерге өтуді көруге болады. Осылайша NEXAFS спектрлерін материалдың бос жолақты құрылымын зерттеу үшін пайдалануға болады. Шетіне жақын құрылым ортаға және валенттілікке тән, сондықтан оның ең көп таралған қолдануларының бірі саусақ ізін алуда: егер сізде үлгіде сайттар / қосылыстар қоспасы болса, өлшенген спектрлерді белгілі түрлердің NEXAFS спектрлерінің сызықтық комбинацияларымен сәйкес келтіріп, әрбір сайттың / қосылыстың пропорциясын анықтай аласыз. Мұндай пайдаланудың бір мысалы - Рокки Флэтс жеріндегі топырақтағы плутонийдің тотығу күйін анықтау.
Тарих
XANES деген аббревиатура алғаш рет 1980 жылы А. Бьянкони Стэнфорд синхротронды сәулелену зертханасында (SSRL) өлшенген бірнеше шашырау резонанстары спектрлерін түсіндіру кезінде қолданылған. 1982 жылы А. Бьянкони, П. Дурхам және Дж. Б. Пендри. 1983 жылы бетінде сіңген молекулаларды зерттейтін NEXAFS-тің алғашқы мақаласы жарық көрді. EXAFS және XANES арасындағы аралық аймақты сипаттайтын алғашқы XAFS құжаты 1987 жылы пайда болды.