Введение

Тип рентгеновской поглотительной спектрометрии, требующий синхротронного излучения. Рентгеновская поглотительная структура близ края (XANES), также известная как тонкая структура поглотительной рентгеновской поглотительности близ края (NEXAFS), является типом поглотительной спектроскопии, которая указывает на особенности в спектрах поглощения рентгеновских лучей (XAS) конденсированной материи вследствие поперечного сечения фотопоглощения для электронных переходов от уровня атомного ядра до конечных состояний в энергетической области 50100 ЭВ выше выбранной энергии ионизации атомного ядра, где длина волны фотоэлектрона больше, чем межатомное расстояние между поглощающим атомом и его первыми соседними атомами.

Терминология

И XANES, и NEXAFS являются приемлемыми терминами для одной и той же техники. Название XANES было придумано в 1980 году Антонио Бьянкони для обозначения сильных пиков поглощения в спектрах поглощения рентгеновских лучей в конденсированном веществе из-за множественных резонансов рассеяния выше энергии ионизации. Название NEXAFS было введено в 1983 году Джо Стором и является синонимом XANES, но обычно используется при применении к поверхностной и молекулярной науке.

Теория

Фундаментальным явлением, лежащим в основе XANES, является поглощение фотона рентгеновского излучения конденсированной материей с образованием многих возбужденных состояний тела, характеризующихся отверстием в ядре на выбранном уровне атомного ядра (см. первую рисунок). В приближении теории одиночных частиц система разделена на один электрон в ядрах выбранных атомных видов системы и N 1 пассивных электронов. В этом приближении окончательное состояние описывается отверстием в ядре на уровне атомного ядра и возбужденным фотоэлектроном. Конечное состояние имеет очень короткий срок жизни из-за короткого срока жизни отверстия в ядре и короткого среднего свободного пути возбужденного фотоэлектрона с кинетической энергией в диапазоне около 20 50 эВ. Ядерное отверстие заполняется либо с помощью процесса Аугера, либо путем захвата электрона из другой оболочки, за которым следует излучение флуоресцентного фотона. Разница между NEXAFS и традиционными фотоэмиссионными экспериментами заключается в том, что при фотоэмиссии измеряется сам исходный фотоэлектрон, в то время как в NEXAFS также может быть измерен флуоресцентный фотон или электрон Аугера или неэластично рассеянный фотоэлектрон. Различие звучит тривиально, но на самом деле оно важно: при фотоэмиссии окончательное состояние излучаемого электрона, захваченного в детекторе, должно быть расширенным, свободным состоянием электрона. Напротив, в NEXAFS конечное состояние фотоэлектрона может быть связанным состоянием, таким как экситон, поскольку сам фотоэлектрон не нуждается в обнаружении. Эффект измерения флуоресцентных фотонов, электронов Аугера и непосредственно излучаемых электронов заключается в суммировании всех возможных конечных состояний фотоэлектронов, что означает, что NEXAFS измеряет общую совместную плотность состояний начального уровня ядра со всеми конечными состояниями, в соответствии с правилами сохранения. Это различие имеет решающее значение, потому что в спектроскопии конечные состояния более восприимчивы к многим воздействиям тела, чем начальные состояния, а это означает, что спектры NEXAFS легче поддаются вычислению, чем спектры фотоэмиссии. Из-за суммирования над конечными состояниями различные правила суммирования полезны при интерпретации спектров NEXAFS. Когда энергия рентгеновского фотона резонансно соединяет уровень ядра с узким конечным состоянием в твердом веществе, таком как экситон, в спектре появляются легко идентифицируемые характерные пики. Эти узкие характерные спектральные пики придают технике NEXAFS большую аналитическую мощность, как показано экситоном B 1s π* на второй фигуре. Синхротронное излучение имеет естественную поляризацию, которая может быть использована с большим преимуществом в исследованиях NEXAFS. Обычно изучаемые молекулярные адсорбаты имеют сигма- и пи-связи, которые могут иметь определенную ориентацию на поверхности. Угловая зависимость поглощения рентгеновских лучей отслеживает ориентацию резонансных связей в соответствии с правилами дипольного отбора.

Экспериментальные соображения

Спектры поглощения мягких рентгеновских лучей обычно измеряются либо через флуоресцентный выход, при котором отслеживаются излучаемые фотоны, либо через общий выход электронов, при котором образец соединен с землей через амперметр и отслеживается нейтрализационный ток. Поскольку измерения NEXAFS требуют интенсивного настраиваемого источника мягких рентгеновских лучей, они выполняются на синхротронах. Поскольку мягкие рентгеновские лучи поглощаются воздухом, излучение синхротрона перемещается от кольца по линии эвакуированного луча до конечной станции, где установлен образец для изучения. Специализированные пучки луча, предназначенные для исследований NEXAFS, часто имеют дополнительные возможности, такие как нагрев образца или его воздействие на дозу реактивного газа.

Диапазон энергии краев

В области краев поглощения металлов фотоэлектрон возбуждается до первого свободного уровня выше уровня Ферми. Поэтому его средний свободный путь в чистом одиночном кристалле при нулевой температуре так же велик, как бесконечный, и он остается очень большим, увеличивая энергию конечного состояния примерно до 5 ЭВ выше уровня Ферми. Помимо роли незанятой плотности состояний и матричных элементов в одноэлектронных возбуждениях, многие эффекты тела появляются как "инфракрасная сингулярность" на пороге поглощения в металлах. В области края поглощения изоляторов фотоэлектрон возбуждается до первого незанятого уровня выше химического потенциала, но незащищенное отверстие в ядре образует локализованное связанное состояние, называемое ядренным экситоном.

Диапазон энергии EXAFS

Прекрасное строение в спектрах поглощения рентгеновских лучей в диапазоне высокой энергии, простирающемся от примерно 150 ЭВ за пределы потенциала ионизации, является мощным инструментом для определения распределения атомных пар (т.е. межатомных расстояний) с временной шкалой около 10−15 с. На самом деле окончательное состояние возбужденного фотоэлектрона в диапазоне высокой кинетической энергии (150-2000 ЭВ) определяется только одиночными событиями обратного рассеяния из-за рассеяния фотоэлектронов низкой амплитуды.

диапазон энергии NEXAFS

В области NEXAFS, начиная примерно с 5 ЭВ за порогом поглощения, из-за низкого диапазона кинетической энергии (5 150 ЭВ) амплитуда обратного рассеяния фотоэлектронов соседними атомами очень велика, так что множественные случаи рассеяния становятся доминирующими в спектрах NEXAFS. Различие в диапазоне энергий между NEXAFS и EXAFS также может быть объяснено очень просто сравнением длины волны фотоэлектрона и межатомного расстояния пары фотопоглощающих обратных рассеяний. Кинетическая энергия фотоэлектрона связана с длиной волны следующим соотношением: это означает, что для высокой энергии длина волны короче, чем межатомные расстояния, и, следовательно, область EXAFS соответствует одному режиму рассеяния; в то время как для нижней E, больше, чем межатомные расстояния, и область XANES связана с многократным режимом рассеяния.

Окончательные состояния

Пики поглощения спектра NEXAFS определяются множественными рассеивающимися резонансами фотоэлектрона, возбужденного в месте атомного поглощения и рассеянного соседними атомами. Локальный характер конечных состояний определяется коротким средним свободным путем фотоэлектрона, который сильно уменьшается (до примерно 0,3 нм при 50 ЭВ) в этом энергетическом диапазоне из-за неэластичного рассеяния фотоэлектрона возбуждениями электронных отверстий (экцитонами) и коллективными электронными колебаниями валентных электронов, называемых плазмонами.

Приложения

Великая сила NEXAFS проистекает из его элементарной специфики. Поскольку различные элементы имеют разные энергии уровня ядра, NEXAFS позволяет извлекать сигнал из поверхностного монослоя или даже из одного погруженного слоя в присутствии огромного фонового сигнала. Погребленные слои очень важны в инженерных приложениях, таких как магнитные носители записи, погребённые под поверхностным смазочным материалом или допантами под электродом в интегральной схеме. Поскольку NEXAFS может также определять химическое состояние элементов, которые присутствуют в больших количествах в очень малых количествах, он получил широкое применение в химической и геохимической области окружающей среды. Способность NEXAFS изучать закопанные атомы обусловлена его интеграцией во всех конечных состояниях, включая неэластично рассеянные электроны, в отличие от фотоэмиссионной и Аугерской спектроскопии, которые изучают атомы только с одним или двумя слоями поверхности. Из области NEXAFS можно извлечь много химической информации: формальная валентность (очень трудно экспериментально определить неразрушительным способом); координационная среда (например, октаэдрическая, тетраэдрическая координация) и тонкие геометрические искажения. Переходы к связанным вакантным состояниям можно увидеть чуть выше уровня Ферми. Таким образом, спектры NEXAFS могут использоваться в качестве зонда свободной полосы структуры материала. Структура близкого края характерна для среды и состояния валентности, поэтому одно из наиболее распространенных ее применений - в отпечатках пальцев: если у вас есть смесь участков / соединений в образце, вы можете подстроить измеренные спектры с линейными комбинациями спектров NEXAFS известных видов и определить долю каждого участка / соединения в образце. Одним из примеров такого использования является определение окислительного состояния плутония в почве на Скалистых равнинах.

История

Акроним XANES впервые был использован в 1980 году во время интерпретации спектра множественного рассеяния резонансов, измеренных в Стэнфордской лаборатории синхротронного излучения (SSRL) А. Бьянкони. В 1982 году была опубликована первая статья об использовании XANES для определения локальных структурных геометрических искажений с использованием теории множественного рассеяния А. Бьянкони, П. Дурхэмом и Дж. Б. Пендри. В 1983 году появилась первая статья NEXAFS, изучающая молекулы, адсорбированные на поверхностях. Первый документ XAFS, описывающий промежуточный регион между EXAFS и XANES, появился в 1987 году.