Røntgenabsorpsjon fin struktur - X-ray absorption fine structure

Tre regioner med XAS-data

Røntgenabsorpsjon fin struktur (XAFS) er en spesifikk struktur observert i røntgenabsorpsjonsspektroskopi (XAS). Ved å analysere XAFS, kan informasjon skaffes om den lokale strukturen og om ledige lokale elektroniske stater.


Atomspektre

Det atomare røntgenabsorpsjonsspektrumet (XAS) til et kjernenivå i et absorberende atom skilles i tilstander i den diskrete delen av spekteret som kalles " grenseverdier " eller " Rydberg-tilstander " under ioniseringspotensialet (IP) og " angir i den kontinuerlige delen av spekteret over ioniseringspotensialet på grunn av eksitasjoner av fotoelektronen i vakuumet. Over IP dempes absorpsjonstverrsnittet gradvis med røntgenenergien. Etter tidlige eksperimentelle og teoretiske arbeider på trettiårene, på sekstitallet ved bruk av synkrotronstråling ved National Bureau of Standards, ble det fastslått at de brede asymmetriske absorpsjonstoppene skyldes Fano-resonanser over atomioniseringspotensialet, hvor de endelige tilstandene er mange kroppskvoter bundet tilstand (dvs. et dobbelt eksitert atom) degenererer med kontinuumet.

Spektre av molekyler og kondensert materie

XAS-spektrene av kondensert materiale er vanligvis delt inn i tre energiområder:

Kantregion

Kantregionen strekker seg vanligvis i et område på få eV rundt absorpsjonskanten. De spektrale trekkene i kantregionen i) i gode metaller er eksitasjoner til endelige delokaliserte tilstander over Fermi-nivået; ii) i isolatorer er kjernemessige eksitoner under ioniseringspotensialet; iii) i molekyler er elektroniske overganger til de første ledige molekylære nivåene over det kjemiske potensialet i de opprinnelige tilstandene som forskyves til den diskrete delen av kjerneabsorpsjonsspekteret ved Coulomb-interaksjonen med kjernehullet. Multi-elektron eksitasjoner og konfigurasjonsinteraksjon mellom mange kropps endelige tilstander dominerer kantområdet i sterkt korrelerte metaller og isolatorer. I mange år ble kantregionen referert til som "Kossel-strukturen", men nå er det kjent som "absorpsjonskantregionen" siden Kossel-strukturen kun refererer til ledige molekylære slutttilstander, som er en korrekt beskrivelse bare for få spesielle tilfeller: molekyler og sterkt uordnede systemer.

Røntgenabsorpsjon nær kantstruktur

Den XANES energiområde strekker seg mellom kantområdet og den EXAFS-regionen over en 50 til 100 eV energiområdet rundt kjernen nivå røntgen absorpsjon terskel. Før 1980 ble XANES-regionen feilaktig tildelt forskjellige slutttilstander: a) ledig total tetthet av tilstander, eller b) ledige molekylære orbitaler (kosselstruktur) eller c) ledige atomorbitaler eller d) lavenergi-EXAFS-svingninger. I syttiårene, ved hjelp av synkrotron stråling i Frascatis og Stanford synkrotronkilder, ble det eksperimentelt vist at funksjonene i dette energiområde skyldes multippel-spredning resonanser av fotoelektron i en nanocluster av variabel størrelse. Antonio Bianconi i 1980 oppfant forkortelsen XANES for å indikere det spektrale området dominert av multippel-spredning resonanser av fotoelektron i den myke røntgenområdet, og i den harde røntgenområdet. I XANES-energiområdet er den kinetiske energien til fotoelektronen i den endelige tilstanden mellom få eV og 50-100 eV. I dette regimet har fotoelektronen en sterk spredningsamplitude av nærliggende atomer i molekyler og kondensert materiale, dens bølgelengde er større enn interatomære avstander, den gjennomsnittlige frie banen kan være mindre enn ett nanometer og til slutt er levetiden til den eksiterte tilstanden i størrelsesorden femtosekunder. XANES-spektralfunksjonene er beskrevet av full spredningsteori foreslått tidlig på syttitallet. Derfor er nøkkeltrinnet for XANES-tolkning bestemmelsen av størrelsen på atomklyngen til nabo-atomer, der de endelige tilstandene er begrenset, som kan variere fra 0,2 nm til 2 nm i forskjellige systemer. Denne energiområdet er senere (i 1982) også kalt røntgenabsorpsjonsfin struktur ( NEXAFS ), som er synonymt med XANES. I løpet av mer enn 20 år har XANES-tolkningen vært gjenstand for diskusjon, men nylig er det enighet om at de endelige tilstandene er "multiple spredningsresonanser", og mange endelige tilstander i kroppen spiller en viktig rolle.

Mellomregion

Det er en mellomregion mellom XANES- og EXAFS-regionene der funksjoner for lav n-kroppsfordeling spiller en nøkkelrolle.

Utvidet røntgenabsorpsjon fin struktur

Den oscillerende strukturen som strekker seg over hundrevis av elektronvolter forbi kantene, ble kalt "Kronig-strukturen" etter forskeren, Ralph Kronig , som tildelte denne strukturen i det høye energiområdet (dvs. for et kinetisk energiområde - større enn 100 eV - av fotoelektronen i det svake spredningsregimet) til den enkelt spredning av det eksiterte fotoelektronet av nærliggende atomer i molekyler og kondensert materie. Dette regimet ble kalt EXAFS i 1971 av Sayers, Stern og Lytle. og den utviklet seg bare etter bruk av intense synkrotronstrålingskilder.

Anvendelser av røntgenabsorpsjonsspektroskopi

Røntgenabsorpsjonskantspektroskopi tilsvarer overgangen fra et kjerne-nivå til en ledig bane eller et bånd og gjenspeiler hovedsakelig de elektroniske ledige tilstandene. EXAFS, som skyldes interferens i enkeltspredningsprosessen til fotoelektronen spredt av omkringliggende atomer, gir informasjon om den lokale strukturen. Informasjon om geometrien til den lokale strukturen er gitt ved analyse av de flere spredningstoppene i XANES-spektrene. XAFS-akronymet er senere introdusert for å indikere summen av XANES- og EXAFS-spektrene.

Se også

Referanser

Eksterne linker