中国科学技术大学同步辐射实验室XAFS.ppt

第六章 X射线吸收精细结构 XAFS 1 XAFS EXAFS和XANES 历史 上世纪二十年代 发现凝聚态物质对X射线的吸收系数 在吸收边附近存在量级为0 01的震荡 这一震荡称为X射线吸收精细结构 XAFS 七十年代 Stern Sayers Lytle从理论 实验二方面成功地解释了产生振动的机制 推导了EXAFS的基本公式 提出了处理实验数据的方法和计算机程序 并将它们用于凝聚态物质的结构分析 随着同步辐射的发展 XAFS已成为研究凝聚态物质 特别是长程无序 短程有序的非晶态 液态 熔态的原子 电子结构的有力工具 XAFS可分为两部分 1 EXAFS 扩展X射线吸收精细结构 吸收边高能侧 30 50 eV至1000eV的吸收系数的震荡 称为EXAFS 它含有吸收原子的近邻原子结构信息 近邻原子种类 配位数 配位距离等 2 XANES X射线吸收近边结构 吸收边至高能侧 30 50 eV的吸收系数的震荡 称为XANES 它含有吸收原子近邻原子结构和电子结构信息 2 EXAFS产生机制 基本公式 2 中心给出原子吸收X射线光子的几率 终态 初态 在X射线光电吸收中一般为原子内壳层的1s 2s 2p态 与入射光子能量无关 孤立原子 单原子气体 光电子处于出射态 远离吸收原子传播出去 即终态为自由电子态 它不随入射光子的能量发生震荡 双原子气体 凝聚态物质 吸收原子有近邻原子 出射光电子将受近邻原子的背散射 入射光子能量将使光电子波长变短 出射与散射光电子波的叠加结果将发生变化 相长干涉使吸收增加 相消干涉使吸收下降 从而使吸收曲线出现震荡 即产生EXAFS 图22从吸收原子 黑色 激发出的光电子波函数的径向分布 定义EXAFS函数 4 1 k为光电子波矢 4 2 式中为的平滑变化部分 在物理上相当于孤立原子的吸收系数 为扣除背底后吸收边高能侧的吸收系数 为电子在原子内的束缚能 用量子力学理论可以推导出EXAFS的基本公式 4 3 4 3 表明 将与下列因素有关 一 与吸收原子周围的第j层近邻层中同种原子数目 距离及电子被散射振幅有关 如不同种原子处于同一近邻原子层中 可将这一近邻原子层看作几个不同的近邻原子层 二 与散射光电子的位相改变有关 位相改变包含两部分 光程差引起的位相差 及出射处势场和背散处势场引起的相移 三 第j层原子的漫散分布程度有关 它包含热振动和原子无序分布的影响 若原子分布为高斯型设为的均方根偏离 则可表为Debye Waller温度型的项 四 与光电子的非弹性散射有关 为光电子的平均自由程 3 XAFS实验测量方法 1 透射法在同步辐射实验室 都用离子室 ionchamber 测量 4 4 样品的厚度通常取 图23透射法的原理图D0为前X射线探测器D1为后X射线探测器 2 荧光法用离子室测量 荧光用固体探测器 高纯Si Ge探测器 测量 荧光法适用于薄膜样品和浓度小于5 的厚样品 这时 待测元素A的吸收系数与成正比 图24荧光法原理图 4 EXAFS数据处理 EXAFS数据处理步骤如下 1 实验测得数据 透射法 荧光法 背底扣除与归一化a 由吸收边低能侧实验数据拟合扣除其它壳层的吸收 b 用三次样条函数法拟合 c 得出归一化的 图27扣除平滑背景得到的 k 并已将光子能量换算为光子波矢k 函数 k 乘以k2得到k2 k 3 Fourier变换将进行Fourier变换 得出径向分布函数4 用窗函数滤出第一配位层 做反Fourier变换 得出第一壳层的5 由标样或由理论计算得出 将 作拟合参数 对曲线进行拟合 得出吸收原子的近邻原子信息 同步辐射实验站XAFS站通常都有相应的数据处理程序 5 EXAFS的特点 1 样品广泛EXAFS取决于短程有序作用 不依赖长程有序 因而可测得样品广泛 可用于非晶 液态 熔态 催化剂活性中心 金属蛋白 晶体中的杂质原子的结构研究 2 X射线吸收边具有元素特征 对样品中不同元素的原子 可分别进行研究 3 利用荧光法可测量浓度低至的元素的样品 4 样品制备比较简单