XAFS实验方法

XAFS实验方法中国科学院高能物理研究所

同步辐射实验室

谢亚宁

XAFS实验方法

§1 背景知识

1.光的波粒二相性

2.X射线吸收，荧光发射机制

3.X射线吸收

4.XAFS简介

5.两种基本实验方法

§2 透射XAFS实验

1.束线及透射实验系统

2.透射实验设置要点

3.透射实验样品制备

4.实验参数设置

5.信噪比及探测灵敏度

§3 荧光XAFS实验

1.荧光XAFS原理及优势

2.LYTLE探测器的原理及使用

3.半导体阵列探测器的原理特点及设置

4.荧光XAFS样品要求

§4 其他基于XAFS的实验方法

§1背景知识

光的波粒二象性λ

νc

h h E ⋅==光（电磁波）同时具有波动性和粒子性。X 射线是电磁波，因而即表现波动性又表现粒子性。其波长比可见光波短很多，显示出很强的粒子性。用粒子性描述，分析与X 射线与物质的相互作用机制很给力。

光的波动性和粒子性联系的基本方程：

E －光子能量；υ－光的频率；λ －光的波长；h －普朗克常数；c －光速

)

(4.12)(︒=A KeV E λ

◆X 射线通过光电效应被物质吸收

◆吸收发生条件：入射光子能量hv 大

于原子某个特定内壳层束缚能E 0

◆吸收过程：入射光子则被吸收（湮

灭）其能量E 全部转移给该内壳层的一个电子，该电子被弹出该壳层，称为

光电子。

◆光电子具有动能E 动＝hv －E 0

◆原子内壳层形成电子空缺，原子处于激发态

X 射线吸收机制

（微观）

◆原子的激发态通常在吸收后数个飞秒内消失，这一过程称为退激发。退激发不影响X 射线吸收过程。退激发有两种机制：X 射线荧光发射及俄歇效应；

◆X 射线荧光发射：即能量较高的内壳层电子填补了较深层次的内壳层的空位，同时发射出特定能量的X 射线，称为X 射线荧光。荧光的能量是由原子种类以及电子跃迁的能级决定的。举例而言，

◆荧光产额If 正比与吸收几率

◆俄歇效应：其中内壳层某个电子从较高的能级落到低能级后，同一能级的另一个电子被射入连续区；

◆在大于2keV 的硬X 射线能区，X 射线荧光发生的几率大于俄歇效应，但在较低能区，俄歇过程会占主导地位。

◆无论是荧光或是俄歇电子发射，其强度都与该物质吸收的几率成正比，因而这两种过程都可以用于测量吸收系数μ，其中

荧光方法更为常见。

X 射线荧光发射及俄歇效应

（微观）

◆一束能量为E 的单能X 光束I 0入射到厚度为t 的样品(单质)，经过样品的吸收，出射光束的强度I ；◆入射、出射光束的强度遵从关系：

◆µ－吸收系数，表征X 射线被样品吸收的几率；◆µ不是常量而是变量，与样品密度，原子序数（Z ），原子质量（A ），X 射线能量相关（E ）◆µ对组成样品的元素（Z ）非常敏感，◆当元素确定，µ（E ）～E ，与能量之间的关系为一条单调下降的曲线，可用Victoreen 公式描述：◆当能量等于原子内壳层K,L 能级的束缚能时，µ值

不连续，发生突跳，叫吸收边

43)(λλμD C E +=X 射线吸收（宏观）

◆在吸收边附近及其高能扩展段存在着一些分立的峰或波动起伏，称为X 射线吸收谱（XAS ）其分布从吸收边前至吸收边后高能一侧约1000eV 。依据形成机制及处理方法的不同，通常将其分为两个明显不同的部分：

◆

EXAFS ：

范围：吸收边后50eV －1000eV ，

形态：连续缓慢的弱振荡。；

信息：小范围内原子簇结构的信息，包括近邻原

子的配位数、原子间距、配位数，种类，热扰动等吸收原子周围的近邻几何结构◆XANES ：

范围：吸收边前－吸收边后50eV ，

形态：特点是连续的强振荡。

信息：包含更丰富的近邻结构信息，例如近邻原子的键角，探测元素原子的电子态，价态等信息

XAFS 简介

()()()()E E E E 00μμμχ∆-=

◆吸收原子的内壳层电子在吸收了一个能量E 足够大的X 射线光子后，克服其束缚能E 0而跃迁到自由态，成为一个具有动能的光电子。

◆光电子在向外传播的过程中会被近邻配位原子所散射，一部分被背散射回到吸收原子，他们仅被散射了一次；以量子力学的观点，光电子可以作为一个波来处理，这个出射波被吸收原子周围的配位原子散射，背散射波与出射波有相同的波长，但相位不同，因而在吸收原子处发生干涉；◆吸收几率（吸收系数）正比于吸收原子的终态的态密度，

◆电子波在吸收原子处的干涉调制了吸收原子的终态态密度，即调制了吸收系数。

◆由于这种调制是与入射X 光子的能量相关的，对单调的吸收谱进行了调制，从而形成了EXAFS 。

◆XAFS 解析式（有序体系）：

2

||||)(〉H 〈∝f i E μ〉

∆〉+=〉f f f |||0〉

∆H 〈∝f i E ||)(χ∑∑Φ==j j

j j j k k A k k )(sin )()()(χχ

两种基本XAFS

实验方法

I f I

I0透射方法

单能X射线在激发元素吸

收边附件扫描，同时采集

I0, I or If，即获得了谱

荧光方法

()E

E-

-

μ