10 X射线吸收精细结构(XAFS
X射线吸收精细结构
X射线吸收精细结构(XAFS) 基本原理及在催化/能源/纳米/半导体等热门领域应用X射线吸收精细结构(XAFS) 方法是随着同步辐射发展起来的独特技术，是研究材料局域原子结构和电子结构的一种重、要方法。
相比于X射线衍射，XAFS仅仅对于吸收原子周围局域结构敏感，样品可以是固体、液体甚至是气体。
概述了XAFS的基本原理及几种常用的实验方法，结合上海光源的XAFS光束线站成果，介绍了近年来不同XAFS方法在催化、能源、纳米和半导体等材料科学热门研究领域的最新进展，展示了目前XAFS方法在材料科学研究中所发挥的重要作用。
最后根据国内同步辐射光源和相关XAFS研究方法的进一步发展，展望了XAFS技术在材料科学研究中的应用前景。
X射线吸收谱基础点滴X射线穿过厚度为d的样品后，其强度I0会因为样品的吸收而衰减为I，由此可以定义样品的X射线吸收系数:μ(E)=ln(I/I0)/d 公式（1）X射线吸收谱就是测量X射线吸收系数随X射线能量的变化曲线。
吸收边之后，会出现一系列的摆动或者振荡，这种小结构一般为吸收截面的百分之几，即X射线吸收精细结构( X-Ｒay Absorption Fine Structure，XAFS) 。
XAFS谱仅仅对目标原子的近邻结构敏感而不依赖长程有序结构，合理地分析XAFS 谱，能够获得关于材料的局域几何结构( 如原子的种类、数目以及所处的位置等) 以及电子结构信息，在物理、化学、生物、材料、环境等众多科学领域有着重要意义。
XAFS方法对样品的形态要求不高，可测样品包括晶体、粉末、薄膜以及液体等，同时又不破坏样品，可以进行原位测试，具有其它分析技术无法替代的优势。
XAFS谱主要包括两部分: X射线吸收近边结构(XANES) 和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS) ，如图1 所示。
图1 Mo 单质的K边X射线吸收谱EXAFS的能量范围大概在吸收边后50 eV到1000 eV，来源于X 射线激发出来的内层光电子在周围原子与吸收原子之间的单电子单次散射效应的结果。
XAFS应用介绍
A
国内外同类线站性能比较
同步装置 束线
能量范围 keV
分辨率 ΔE/E
Spectral flux (photons/s/0.1%bw)
1014
AS
XAFS
（澳大利亚）1013
BSRF
4-40
1W1
SSRF MPW
5×10-5~ 2×10-4
SPing-8 （日本）
Diamond （英国）
BSRF （北京） SSRF （上海）
32元高纯Ge探测器及XIA电子学系统 4元Si漂移探测器及采集系统 Lytle 荧光电离室 Oxford 电离室 五维样品台 掠入射平台 低温样品室 (4K) 和高温炉
➢Minimum Detection Limit ~1ppm
A
comparison with APS standard XAFS spectra
X射线吸收精细结构谱XAFS （实验方法和应用）
Web of Science Search: “EXAFS” or “XAFS” (but not “XAS” – too many false hits) – 1971-1975: 8 Publications – Last year: 743 Publications – Last 10 years: 7,199 Publications
Conventional XAFS and QXAFS spectra (5 Sec) of Cu foil at K edge measured at BL14W1 beamline in comparison with standard XAFS spectra (the data is from Chicago University XAFS library, which was measured in APS 13ID)
10_X射线吸收精细结构(XAFS
10_X射线吸收精细结构(XAFSX射线吸收精细结构（XAFS）是一种非常有用的技术，用于研究固体，液体和气体中原子结构的信息。
通过测量材料对X射线的吸收特性，可以确定原子之间的间距，化学键的类型和长度，晶格畸变等信息。
X射线吸收精细结构技术广泛应用于物理、化学、材料科学、生物科学等领域，为研究人员提供了独特的分析工具。
X射线吸收精细结构技术的原理是基于X射线的吸收过程。
当X射线穿过材料时，原子核和电子会吸收X射线，发生光子吸收作用。
X射线吸收系数是材料对X射线吸收的度量，它随X射线的能量和材料的化学成分而变化。
XAFS技术利用X射线光源产生特定能量的X射线进行实验，通过测量材料对X射线的吸收光谱，可以得到原子间距、化学键等信息。
X射线吸收精细结构技术包括X射线光谱仪、数据处理软件和理论模拟方法。
X射线光谱仪通常包括束流线、单色器、样品台和探测器等部分，能够产生高能量、高亮度的X射线光束，用于实验测量。
数据处理软件能够对实验数据进行处理和分析，提取有用的结构信息。
理论模拟方法包括多种理论计算技术，如有限差分法、多重散射法等，用于解释实验现象和验证实验结果。
X射线吸收精细结构技术可以用于研究各种材料的结构信息。
在固体材料中，可以确定晶体结构的各种参数，如晶胞参数、位移畸变、晶格缺陷等。
在液体和气体中，可以研究分子间的相互作用、键长、键角等信息。
XAFS技术还可以用于研究催化剂、生物分子等复杂体系的结构，为理解其功能机制提供重要线索。
X射线吸收精细结构技术具有很多优势。
首先，它具有很高的分辨率和灵敏度，可以测量原子间距的微小变化。
其次，XAFS技术可以用于不同形态的样品，如固体、液体和气体等，具有较好的适用性。
此外，X射线吸收精细结构技术还可以进行原位和原子尺度的研究，揭示材料的动力学过程。
总的来说，X射线吸收精细结构技术是一种非常强大的研究工具，广泛应用于材料科学、化学、生物科学等领域。
通过测量材料对X射线的吸收特性，可以提供原子层次的结构信息，揭示材料的性质和功能。
X射线吸收精细结构谱
Name：WANG Jingfeng
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
XAFS：基于同步辐射光源，当X射线经过样品 时所激发的光电子被周围配位原子所散射，致使 X射线吸收强度随能量发生振荡，研究这些振荡 信号可以得到所研究体系的电子和几何局域结构。
• X射线吸收近边结构
具有未填满d壳层的四面体 和八面体的过渡金属络合 物的：
• 八面体结构的吸收谱边 前锋很弱，主峰强度高；
• 四面体配位的XANES谱 有很强的边前锋，主峰 强度不高。
八四面体配位的XANES谱中: :
主峰对归应结于1s电子向t31tu2*轨轨道道的的跃跃迁迁，; 这个峰强度相对于八面体配位的降低 两是个由边于前3t 锋2轨是道1上s电空子穴向态eg密*和度t的2g分减子少轨。道的跃迁引起的。在对称性很好的八 面在体四配面位体中结，构该中跃，迁由属于于2t2偶轨极道禁是阻由跃金迁属。的3d和4p轨道杂化而形成的。因此 但按是照，跃由迁于规八则面，体1s电对子称到性2的t2降轨低道或的者跃振迁动是激对发称使性八允面许体的对，称故性四受面到体扰结动构，的 使XA这N种ES跃谱迁在成低为能可处能存。在对很称强性的的边降前低结也构使。得t1u*轨道分裂，导致主峰的分裂。
（PtCo) ＞2.51(Co-Co)，说明the formation of Pt-Co bonds; • Pt-Pt键长in catalysts 小于that in Pt bulk，说明Pt atoms 在Co atoms 的上方。
Angew Chem Int Edit, 2016, 55, 7968-7973.
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
同步辐射xafs吸收谱
同步辐射XAFS吸收谱同步辐射X射线吸收谱（XAFS）是一种强大的结构表征技术，它广泛应用于材料科学、化学、物理等领域。
XAFS技术利用同步辐射光源产生的高亮度、高强度的X射线，通过测量吸收谱的变化来研究材料的局域结构和电子结构。
以下是关于同步辐射XAFS吸收谱的简要介绍：1. 同步辐射光源：同步辐射XAFS实验通常利用大型的同步辐射光源，如储存环。
这种设施产生高度同步化的X射线束，具有高亮度和强度，能够提供足够的光子流量进行XAFS实验。
2. 原理和技术：XAFS的基本原理：XAFS测量基于材料对入射X射线的吸收，其吸收边缘的细微结构包含了有关材料局域结构和电子结构的信息。
XAFS技术：XAFS谱通常包括X射线吸收近边（XANES）和X射线吸收远边（EXAFS）。
XANES提供关于电子结构的信息，而EXAFS提供有关局域原子结构的信息。
3. 实验步骤：样品准备：样品通常以粉末或薄片的形式准备。
样品的制备对于获取准确的XAFS谱至关重要。
实验条件设定：要根据具体的实验目的选择合适的同步辐射光源和探测器，以及适当的能量范围。
数据采集：在不同的能量范围内采集XAFS数据，包括XANES和EXAFS。
数据的质量和数量对于后续分析非常重要。
数据分析：利用适当的分析软件对XAFS数据进行处理，包括傅立叶变换等方法，以提取结构信息。
4. 应用领域：材料科学：XAFS广泛应用于研究材料的晶体结构、电荷转移和电子状态。
催化剂研究：用于研究催化剂表面结构和活性位点。
生物医学：在生物医学研究中，XAFS可用于研究生物大分子的结构。
5. XAFS的优势：高灵敏度：同步辐射光源提供高亮度的X射线束，使得XAFS实验对于稀有或微量样品非常敏感。
高分辨率：XAFS可提供高分辨率的结构信息，揭示材料的微观结构和电子结构。
无损测量：XAFS是一种无损测量技术，不会破坏样品。
同步辐射XAFS吸收谱技术在材料科学、化学和生物医学等领域的研究中发挥着重要作用。
xafs表征
xafs表征
X-ray absorption fine structure（XAFS）是由X射线和其他射线的能量的吸收和散射的精细结构的描述。
XAFS分析从X射线吸收或光谱的实验数据获取起源，用于检测多种物质的元素组成，结构，局部结构，电荷转移和其他相关参数，包括元素和核磁共振（NMR）实验。
XAFS是原子和分子的能量衰减特征，它们在大量的科学领域中被用来提供关于原子，分子结构，局部电子分布和其他分子动力学时间尺度上的影响的有用信息。
XAFS可以用来获取一系列的基于物理的或电子的结构信息，包括:
1. 化学结构：XAFS技术可以用来确定物质的原子组成，以及原子之间的空间结构；
2. 吸收谱：不受光谱形状限制的X射线吸收普利兹之后，XAFS 可以用来绘制精细结构，从而解释X射线吸收普利兹中元素加入晶体中所引起的改变；
3. 内聚力：XAFS可以用来测量材料表面上原子之间的排列和连接，从而推算获得原子之间的化学结合的形式以及表面的能量状态；
4. 多原子键桥：XAFS可以用来测量多原子键上的电子吸收，并显示以及键桥类型以及电子的迁移情况；
5. 离子的地址信息：XAFS可以用来获得蛋白质中离子的地址信息，从而确定结构，离子的组分，以及不同晶体中结构上离子的位置和排列；
6. 蛋白质结构：XAFS可以用来获取距离分析，从而有助于理解蛋白质结构的本质特征，以及蛋白质激活的构象。
总的来说，XAFS技术可以提供关于原子，分子结构，局部电子分布，吸收谱，内聚力，离子地址信息以及蛋白质结构方面的有用信息。
因此在多种科学领域中都得到了广泛的应用，如化学，物理，材料，分子生物学和生物医学。
x射线吸收精细结构谱
x射线吸收精细结构谱X射线吸收精细结构谱是一种常见的分析技术，可以用于研究物质的化学组成和结构。
本文将介绍X射线吸收精细结构谱的基本原理、实验方法、应用领域以及一些前沿研究。
一、基本原理X射线吸收精细结构谱是通过测量物质对入射X射线的吸收和散射行为来研究其内部结构的一种方法。
在这个过程中，入射X射线与物质中的原子发生相互作用，其中主要包括光电效应、康普顿散射和荧光弛豫。
1.光电效应：当入射X射线的能量和材料中的原子能级之差一致时，X射线被材料中的电子吸收，并将电子从内层原子轨道上电离。
这一过程产生的吸收辐射谱能够提供关于物质中各个元素的信息。
2.康普顿散射：入射X射线与材料中的电子发生反向散射，这种散射过程会导致入射X射线的能量减少。
通过测量散射X射线的能量损失，可以了解物质中电子的运动和原子排列的信息。
3.荧光弛豫：当入射X射线的能量超过材料中一些原子内层电子的束缚能时，这些电子将被激发到高能级。
随后，这些高能级电子会发生弛豫过程，向下跃迁，发射出荧光X射线。
荧光X射线谱可以提供关于材料的元素的化学状态和原子环境的信息。
二、实验方法X射线吸收精细结构谱主要利用X射线吸收和散射过程产生的谱线来研究物质的结构。
常用的实验方法包括X射线吸收光谱、荧光光谱和X射线衍射。
1.X射线吸收光谱：通过测量入射X射线的吸收率随能量的变化来获得吸收光谱。
常用的仪器是X射线吸收光谱仪，包括单晶谱仪和多晶谱仪。
通过分析谱线的形状和峰位，可以了解物质中各个元素的存在形态、原子环境和配位数等信息。
2.荧光光谱：通过测量荧光X射线的能量和强度来获得荧光光谱。
常用的仪器是荧光光谱仪，包括光电倍增管和谱线计数器等。
荧光光谱可以提供关于材料中元素的存在形态、化学状态和原子环境等信息。
3.X射线衍射：通过测量物质中X射线的散射模式和散射强度来获得衍射图谱。
常用的仪器是X射线衍射仪，包括平行束X射线衍射仪和傅立叶变换X射线衍射仪等。
X射线吸收精细结构谱
J. Synchrotron Rad. 2008. 15, 129–133
XAFS在催化领域内的应用
• 此外，还可以用于催化剂吸附行为的研究 如：CO、甲酸盐等反应分子在Cu(100)面、羟基在Pt
表面的吸附取向和键长等信息。
XAFS在催化领域内的应用
• 实例3，MoS2与CNT之间的C-S键
Fig5a: with a small shift to higher energy
Fig5b:285.4 eV (C1), 291.6 eV (C3) and 288.2 eV (C2)
sulfur exists in an unsaturated form with apical S2– or bridging disulfide S22– coordination
XAFS在催化领域内的应用
XANES：可以确定价态、表征d-带特性、测定配 位电荷、提供包括轨道杂化、配位数和对称性等结 构信息；
EXAFS：主要包含着详细的局域原子结构信息， 其能够给出吸收原子近邻配位原子的种类、键长、 配位数和无序度因子等结构信息。
在催化领域内，主要被用于表征催化剂的几何和 电子结构。
XAFS在催化领域内的应用
• 实例1，Pt-Co成键
Fig.S2a 11569ev 代表 Pt-O bond， 经H2处理后，峰强与Pt foil 相接近， 说明 the catalysts are fully reduced.
Fig.S2b The EXAFS fitting results: • 2.77埃（Pt-Pt)＞ 2.63~2.56
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
第六章X射线吸收精细结构(XAFS)
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(E邻) 原子种类、配位数、配位距离等）。
700
600
Ge
500
400
FT值
300 200
100
0 0
2
4
6
R (Ǻ)
8
10
图28. Fourier变换的结果，
虚线为滤出第一配位壳层的窗函数
20
10
k2(k)
0
-10
-20
0
10
20
k (Ǻ-1)
图29 Fourier变换乘以窗函数
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。
c)
，
的
，，
，得出归一化 。d 0 (E)
Ex k (k) [(k) 0 (k)] / 0 (E) (k) k n (k)
t(Ex) t(Ex)
(Ex) t
(E)
k (Ex) t
C03+D03
0 (Ex) t
(C13+D13)t
7.0
7.2 7.4 7.6 7.0
台式同步辐射吸收谱(xafs)
尊敬的读者，今天我要和大家一起探讨的主题是台式同步辐射吸收谱（XAFS）。
XAFS技术被广泛应用于材料科学、化学、生物学和环境科学领域，它可以提供有关材料的原子结构、化学状态和电子结构等方面的重要信息。
在本文中，我们将深入探讨XAFS技术的原理和应用，以及它在不同领域中的重要意义。
1. XAFS的原理XAFS是X射线吸收精细结构的缩写，它是一种利用同步辐射光源进行X射线吸收光谱研究的先进技术。
XAFS技术通过测量样品吸收X射线的能量，来研究材料的原子结构和化学环境。
当X射线照射到样品上时，X射线的能量将被部分吸收，而吸收光谱中的精细结构将提供丰富的信息，包括吸收原子的种类、配位数、相对位置和电荷状态等。
2. XAFS的应用XAFS技术在材料科学、化学和生物学等领域中有着广泛的应用。
在材料科学领域，XAFS可以用来研究催化剂、合金、纳米材料等的原子结构和表面化学状态，为材料设计和性能优化提供重要参考。
在化学领域，XAFS可用来研究分子结构、配位化学和电子结构，从微观层面揭示化学反应的机制和动力学过程。
在生物学领域，XAFS技术可以揭示生物分子中金属离子的配位结构和功能，为药物设计和疾病治疗提供重要依据。
3. XAFS的意义和展望XAFS技术作为一种非常强大的分析手段，已经成为材料科学和化学领域研究的重要工具。
随着同步辐射光源和X射线吸收谱仪等设备的不断改进，XAFS技术在分辨率、灵敏度和时间分辨能力上都有了显著提高。
未来，XAFS技术将继续发挥重要作用，为材料设计、催化剂优化、生物医药等领域的研究和应用带来更多的突破性进展。
个人观点作为一种非常强大的表征技术，XAFS在解决材料和化学领域的重要科学问题方面具有不可替代的作用。
它可以帮助科学家们深入了解原子层面的结构和化学状态，为材料设计和性能优化提供有效手段。
我相信随着科学仪器和技术的不断进步，XAFS技术的应用领域将会更加广泛，给人类社会带来更多的科学和技术进步。
x射线吸收精细结构光谱
X射线吸收精细结构光谱X射线吸收精细结构（XAFS）光谱是一种强大的工具，用于研究材料中吸收X射线的原子周围的局域结构。
本文将对XAFS的基本原理、实验技术以及在材料科学和化学研究中的应用进行解析，以便更好地理解XAFS的原理和实验过程。
关键词：X射线吸收精细结构，XAFS，光谱解析，局域结构，材料科学一、引言：X射线吸收精细结构（XAFS）是一种通过测量材料对X射线的吸收特性来研究原子周围局域结构的技术。
XAFS光谱提供了关于材料中吸收X射线的原子的信息，包括它们的化学环境、半径和配位数等。
本文将对XAFS的原理、实验技术以及在材料科学和化学研究中的应用进行详细解析。
二、XAFS的基本原理：1.吸收边的结构：1.1X射线吸收：当X射线通过材料时，原子吸收X射线的能量与原子的能级结构有关。
1.2吸收边的特征：在XAFS光谱中，吸收边的位置和形状提供了关于材料中原子的信息。
2.XAFS的频谱：2.1振动结构：XAFS中的振动结构反映了吸收边的原子周围的振动信息，包括配位数和键长等。
2.2远离吸收边的振动：在吸收边之后的区域，XAFS提供了关于材料结构的更详细的信息，称为远离吸收边的振动结构。
三、XAFS的实验技术：1.吸收谱的采集：1.1吸收边扫描：通过扫描X射线能量来测量吸收边，获得吸收谱。
1.2快速扫描：利用高亮度X射线光源和快速探测器，实现快速而准确的吸收边扫描。
2.Fourier变换：2.1数据分析：使用Fourier变换技术将吸收谱转换为倒空间中原子周围结构的信号。
2.2倒空间映射：通过Fourier变换，可以获得原子间距、配位数和原子类型等信息。
四、XAFS在材料科学和化学中的应用：1.催化剂研究：1.1金属催化剂：XAFS可用于研究金属催化剂中活性位点的结构和电子状态。
1.2反应机理：通过监测反应过程中XAFS的变化，揭示催化反应的机理。
2.生物和环境科学：2.1生物大分子：XAFS可用于研究生物大分子中金属离子的结合状态。
X射线吸收精细结构
X射线吸收精细结构X射线吸收精细结构是指X射线相对于物质的吸收行为所呈现出的细微结构现象。
在X射线吸收过程中，X射线与物质相互作用，能量逐渐减小，其吸收行为受到不同原子之间的相互作用以及电子在原子内外能级之间的跃迁等因素的影响。
在X射线吸收精细结构的研究中，我们常常利用X射线吸收光谱来获得有关物质吸收行为的信息。
X射线吸收光谱是通过测量材料吸收X射线强度与入射X射线能量之间的关系来获得的。
通过对吸收光谱的分析，我们能够了解材料的化学组成、晶体结构以及电子态密度等信息。
X射线吸收精细结构的研究对于许多领域具有重要的应用价值。
首先，它在化学领域中可以用来研究化学物质的电子结构、配位环境以及化学反应动力学等方面的问题。
比如，通过分析金属催化剂中的吸收精细结构，可以了解催化剂表面上吸附物质的结构以及反应动力学，从而指导催化剂的设计和优化。
此外，X射线吸收精细结构还可以用来研究材料的电子输运行为、电荷传递过程以及氧化还原反应等。
比如，通过对半导体材料的吸收精细结构的分析，可以研究材料中电子的能级分布，从而为半导体材料的设计和应用提供依据。
X射线吸收精细结构的研究还在生命科学领域中具有重要的应用价值。
X射线吸收精细结构技术广泛应用于生物大分子的结构研究，比如蛋白质、DNA和RNA等。
通过对生物大分子的吸收光谱的测量和分析，可以获得有关生物大分子的离子化态、结构域和结合配位等信息，从而为药物设计和疾病治疗提供依据。
总之，X射线吸收精细结构的研究在许多领域中都具有重要的应用价值。
通过对吸收光谱的测量和分析，我们能够了解材料的电子结构、配位环境以及化学反应动力学等重要信息，从而为材料设计、化学反应和生物科学研究等方面提供依据。
这种研究不仅对于纯科学研究有着重要的推动作用，也在工业生产和环境保护等实际应用方面具有重要意义。
10X射线吸收精细结构(XAFS
10X射线吸收精细结构(XAFSX射线吸收精细结构（X-ray Absorption Fine Structure，XAFS）是一种用于研究材料的X射线光谱分析技术。
它是通过测量X射线材料的吸收辐射谱来研究材料的局域结构和电子状态的方法。
XAFS技术在无机材料、有机材料、生物材料等领域都具有广泛的应用。
XAFS技术的原理是基于X射线与原子相互作用的特性。
当X射线经过材料时，它的能量会受到材料内的原子吸收，并且产生特定的吸收辐射谱。
XAFS技术通过分析吸收辐射谱中的细节结构，可以获得材料中原子的局域结构和电子状态信息。
XAFS技术的实验方法一般包括两个步骤：能量扫描和角度扫描。
在能量扫描中，X射线的能量会逐渐改变，而在每个能量点上，测量材料的吸收谱。
角度扫描则是通过改变X射线和样品之间的入射角度，来获得材料的吸收谱。
通过这两种扫描方法，可以获得材料的XAFS谱。
XAFS谱提供了关于材料局域结构和电子状态的丰富信息。
首先，XAFS谱可以提供原子的边缘位置信息。
每个元素都有各自的吸收边缘，通过测量材料的吸收峰位置，可以确定材料中的元素种类和相对含量。
其次，XAFS谱中的振荡结构可以反映材料的局域结构。
振荡结构的幅度和周期大小可以提供原子的相邻原子距离和协同效应的信息。
最后，XAFS 谱中的吸收峰形和强度可以提供材料中原子的电子状态信息。
通过分析这些信息，可以了解到材料的化学价态、电子云分布等重要参数。
总之，X射线吸收精细结构（XAFS）技术是一种用于研究材料的X射线光谱分析方法，通过分析吸收辐射谱中的细节结构，可以获得材料的局域结构和电子状态信息。
XAFS技术在材料科学、生物材料和环境科学等领域都具有广泛的应用前景。
同步辐射=XAFS？
同步辐射=XAFS?
同步辐射≠XAFS! ！同步辐射（SR）和X射线吸收精细结构（XAFS）是两个相关但不同的概念。
不少用户在做测试时，误认为同步辐射就是XAFS。
这里作简要介绍。
同步辐射：同步辐射是电磁辐射，通常是指接近光速的运动电子或正电子在磁场中弯转时放出的光。
最初在同步加速器上观察到，因此得名。
它覆盖从远红外到X光范围内的连续光谱，具有高强度、高准直、高极化和可精准控制的优异性能。
XAFS：XAFS是一种基于同步辐射的X射线吸收技术，通过检测透射或散射的X射线来获取样品的吸收光谱。
它可以提供原子的氧化态、化学配位以及其紧邻原子的配位数、种类、距离等信息。
图1 基于同步辐射的表征手段
可以简单理解为同步辐射是为XAFS提供光源。
基于同步辐射的XAFS测试一直都是珍贵紧俏的资源，原因之一是作为大科学装置的同步辐射光源，造价昂贵。
可以使用同步辐射光源的还有小角散射线站（SAXS）、广角略入射X射线衍射（GIWAXS）、配对分布函数（PDF）、同步辐射的XRD、高压XRD、原位拉伸压缩、X射线荧光光谱（XRF）、X射线光电子能谱（XPS）等。
下表总结了各种表征的测试内容。
XAFS基础讲义
荧光发射机制（微观）及宏观现象
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
k
2mE E0 2
EXAFS即可由χ(E)转换为χ(k)，即振荡作为光 电子波矢的函数。
XAFS原理
EXAFS的理论是在单电子加上单散射的基础上形 成的。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E0而跃迁到 自由态，成为一个具有动能 的光电子。
E h E0
§2 XAFS实验
XAFS实验要素及方法
XAFS实验目的就是采集样品中感兴趣元素从其吸收边 （K，L）附近到边后一定能量范围内的吸收谱，即
E E
1. 2. 3.
XAFS实验的关键设备: 能量可调的高强度的单色X射线光源(同步辐射+单色器)； 高质量的X射线强度探测系统－采谱 控制系统－控制单色器， 采谱探测系统协调进行
X射线吸收精细结构谱 （XAFS基础）
X射线吸收精细结构谱（XAFS）基础
§1 XAFS理论基础 1. X射线吸收与荧光 2. XAFS原理 §2 XAFS实验 1. 实验要素及方法综述 2. BL14B-XAFS光束线 3. 透射XAFS实验系统及实验要点 4. LYTLE荧光电离室原理及实验要点 5. 固体阵列探测器原理及使用要点 6. 透射及荧光两种实验方法总结 7. 基于XAFS的相关实验方法 §3 XAFS谱的数据处理 1. 提取EXAFS信号 Χ(k) 2. 拟合求取结构参数 3. XANES的解释 4. XAFS数据处理软件
10 X射线吸收精细结构(XAFS
10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱 X射线吸收精细结构 射线吸收精细结构(XAFS)谱
10.1 XAFS 原理: 技术的特点 近三十年来，XAFS谱技术被广泛应用于研究各种物质的原子 近邻结构，其独到之处弥补了其他实验方法的不足．归纳起 来，XAFS谱方法具有如下特点： (1)XAFS的局域性。由于XAFS对应着原子的近邻结构，它不 要求被研究的物质具有晶格周期性，因而它除了用于研究晶 态物质的原子近邻结构外，对非长程有序的物质，例如；非 晶、气态、熔态及熔态物质的原子近邻结构研究同样有效， 较之常规x射线衍射的应用范围要广阔得多。
图2 三种不同GeO2中Ge－K边吸收谱： 1－六方相α石英型GeO2，2－四方相 的金红石型GeO2 ，3－玻璃态非晶型 GeO2
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10.1 XAFS 原理: XAFS的发展概况 这就清楚地告诉我们，XAFS 谱的特征反映了物质中原子 的近邻排列结构，从实验上 否定了LRO理论的观点，肯 定了SRO理论观点的正确性。 到了7O年代，XAFS从理论到 实验取得了一系列突破性的 进展，Stern，Sayers，Lytle 等人出色的工作使XAFS的研 究重新恢复了活力。
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10.1 XAFS 原理: 技术的特点 (2)XAFS的元素选择性．由于不同元素吸收边的位置不同， 因此通过调节入射X射 线的能量，可以分别测量不同元素的 X K或L吸收边，从而可以选择性地研究多元样品中不同元素的 近邻环境．另外，由于不同元素背散射振幅的差别，原则上 可以用来区分背散射原子的种类。
图2 三种不同GeO2中Ge－K边吸收谱： 1－六方相α石英型GeO2，2－四方相 的金红石型GeO2 ，3－玻璃态非晶型 GeO2
x射线吸收光谱傅里叶变换拟合怎么看配位数
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XAFS基础讲义
(K )
j
N j S F j ( K )e
2 0
2 R j / ( K ) 2 j
e
2 K 2 2 j
KR
Sin[2 KR j j ( K )]
EXAFS 理论表达式
物理结论：
1）应用EXAFS表达式，在已知散射幅值f(k)和相移δ(k)的情况 下，通过数据分析手段，可以获得以吸收原子为核心的配位原 子的配位数N，配位距离R，和均方偏移σ2，这一点正是 EXAFS分析方法的核心依据； 2）由于λ(k)和R-2项的存在，我们可以将EXAFS视为一种“局 域化的探测方法”； 3）EXAFS的振荡是由不同频率组成，每种频率对应于一个与 吸收原子间距不同的配位层。由于傅立叶变换具有频域、空域 转换的功能，因此傅立叶变换是EXAFS分析的重要手段。
E lnI 0 / I
数据采集的两个基本问题：
测量误差与采样总光子计数： XAFS要求测量误差小于10-3。不准确的μ(E)可能会对XAFS造成不良影响，甚至彻底破坏 精细结构。由于现代电子技术的发展，放大器的测量精度可达10－11 A，而XAFS信号 一般在10－6 A至10－9 A之间，因而电子学系统的噪声可以忽略不计。同步辐射XAFS信 号噪声重要来源之一是统计涨落引起的噪声。设某次采样光强为I，采样时间为t，则该 次采样总光子计数为 N＝I· t，该次测量相对误差为： 1 1 N I t 当确定了测量相对误差要求后，即可得到每次采样总光子计数的值。（对XAFS测量， 一个数据点的采样总光子计数应高于106 ）。 对相同的采样时间，光强越强相对误差越小；而对相同的光强，采样时间越长相对误 差越小。 信号背底比S/B： S/B小则导致XAFS实验数据的信噪比变差。透射XAFS谱是由待测元素的XAFS信号及样品 中其他元素贡献的吸收背底信号叠加构成。样品中待测元素含量越高，XAFS信号就越 强。对于待测元素高含量的样品，XAFS信号幅度远大于吸收背底信号的影响，则采集 的XAFS的实验原始谱就有高信噪比，谱的质量就好。
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图 XAFS原理示意图 XAFS原理示意图 (a)光电子岀射波与散射波位相相同 (a)光电子岀射波与散射波位相相同 (b)光电子岀射波与散射波位相相反 (b)光电子岀射波与散射波位相相反
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10.1 XAFS 原理: XAFS的发展概况 图4中给出了Kr的单原子蒸汽以 及Kr吸附于石墨表面时Kr的K边 吸收谱。从图4a中可以看到，由 于Kr的蒸汽不具有近邻原子配位， 其吸收谱为单调平滑的单原子吸 收曲线，并不出现振荡结构．而 在图4b中，当Kr吸附于石墨上而 有近邻原子配位时，其吸收谱出 现了XAFS振荡现象．至此，对 XAFS现象的物理机制有了较清楚 图：Kr不同状态下的K 的认识。这也进一步说明了XAFS 图：Kr不同状态下的K边吸收谱 Kr单原子蒸汽的K 现象是与近邻原子配位状态密切 （a） Kr单原子蒸汽的K边吸收谱 相关的。 （b）Kr吸附于石墨表面时的KrK边吸收谱 Kr吸附于石墨表面时的KrK边吸收谱
图2 三种不同GeO2中Ge－K边吸收谱： 1－六方相α石英型GeO2，2－四方相 的金红石型GeO2 ，3－玻璃态非晶型 GeO2
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10.1 XAFS 原理: XAFS 原理 Stern，Sayers，Lytle等人论证了长 程有序理论的不真实性，建立了较为 完整的短程有序理论，他们还进一步 建立了XAFS的点散射SRO模型，并把 XAFS解释为：吸收原子的出射光电 子波受到近邻原子的散射而形成入射 光电子波，出射光电子波和入射光电 子波在吸收原子处相互干涉，使吸收 系数µ发生变化．当两者位相相同时， 出现干涉极大，而当两者位相相差π 时，出现干涉极小，从而形成了 XAFS谱的振荡结构，谱峰和谷相应 于光电子波的干涉极大和极小。 XAFS的原理示意图见图3。
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10.1 XAFS 原理: 技术的特点 (3)XAFS的敏感性。利用高强度的同步辐射光源及荧光XAFS 技术，可以测定样品中含量很低的元素的近邻结构．因而很 适用于掺杂物质中，杂质原子的近邻环境研究。 (4)XAFS的取向性．利用偏振的X射线源并考虑多重散射效应， 可以研究样品中原子的配位键角及原子排列的空间取向。在 某些情况下，能够获得远配位层的原子结构信息或配位键角 信息。
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10.1 XAFS 原理: XAFS的发展概况 但LRO理论不能解释分子气体中观察到的精细结构。为了解 释分子气体中观察到的XAFS现象，Kronig认为在分子气体中， XAFS Kronig 激发原子放射出来的光电子随即遭到近邻原子的散射，由此 发展了XAFS的短程有序理论(SRO)。1986年Peterson对用于 分子气体中的SRO理论有了进一步的发展。1941年Kostarev 把 SRO理论应用到凝聚态物质中。1952年Friedel也曾试图用 原子轨道的方法来解释 XAFS谱，但未取得成功。之后， Shiraiwa等对XAFS的SRO理论作了进一步的完善，考虑了光 电子自由程的校正．Shmidt引进了德拜瓦纳(Debye—Waller) 因子来修正热运动及结构变化的影响。然而，由于缺乏理论 和实验之间的定量比较，仍不能合理地解 释XAFS振荡的形 状。甚至到了1963年，Azaroff所给出的评论中，仍然对 XAFS的LRO理论和SRO理论莫衷一是。
if H int = i H int f
为相互作用的矩阵元。在偶极跃迁及单光子近似下，可以获得 对光子的吸收截面为
W (ω ) ( 2π ) e 2ω ˆ σ (ω ) = = i r ⋅ε j j (ω ) c
2
2
δ ( E f − Ei − h ω ) (2)
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(
)
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10.2 XAFS理论:
吸收系数： 式中ω 为入射光子的频率; 式中ω 为入射光子的频率; ρ(ħω) 为入射光子态密度；Ei、Ef分 为入射光子态密度；E 别为光电子初、末态的能量，E 别为光电子初、末态的能量，Ef=Ei＋ħω ，
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10.2 XAFS理论:
吸收系数： 本节主要介绍XAFS谱的基本理论，有关XAFS的论著可参 本节主要介绍XAFS谱的基本理论，有关XAFS的论著可参 阅文献。 物质对x 物质对x射线的吸收是一个光电过程。当吸收原子的壳层 电子受到x射线的激发，该x 电子受到x射线的激发，该x射线光子将其全部的能量转 移给电子，使光电子由初态 i 跃迁到受激后的末态 f ，跃迁几率由费米的黄金规则(Fermi‘s Golden Rule) ，跃迁几率由费米的黄金规则(Fermi‘ 给出： 2π if 2 W (ω ) = ρ ( h ω ) H int δ E f − Ei − h ω h (11—1) (11—
图：Cu图：Cu-K吸收边的吸收谱 及其精细结构。
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10.1 XAFS 原理: XAFS现象 图中所示为近边结构，E为光子能量，吸收 边阈值为E0＝8980.3 eV。通常人们又将 XAFS分成两部分：从吸收边到吸收边以上 约15~50eV左右的区域称为K射线吸收近边， 而将吸收边高能侧15~50eV以上直至 1000eV左右的区域称为扩展x射线吸收 边．相应地，前一段区域的精细结构被称为 X射线吸收近边结构(X-ray Absorption near edge Structure，简称XANES)，而后一段区 域的精细结构被称为扩展X射线吸收精细结 构(Extended X-ray Absorption Fine 图：Cu图：Cu-K吸收边的吸收谱 Structure，简称EXAFS)，而现在国际上习 及其精细结构。 惯的做法是统称为XAFS．不过，此处要介 绍的侧重EXAFS谱方法和技术．
图2 三种不同GeO2中Ge－K边吸收谱： 1－六方相α石英型GeO2，2－四方相 的金红石型GeO2 ，3－玻璃态非晶型 GeO2
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10.1 XAFS 原理: XAFS的发展概况 这就清楚地告诉我们，XAFS 谱的特征反映了物质中原子 的近邻排列结构，从实验上 否定了LRO理论的观点，肯 定了SRO理论观点的正确性。 到了7O年代，XAFS从理论到 实验取得了一系列突破性的 进展，Stern，Sayers，Lytle 等人出色的工作使XAFS的研 究重新恢复了活力。
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X-ray absorption fine structure
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10.1 XAFS 原理: XAFS现象 X射线吸收系数随能量的变化是分段 平滑单调的函数，这是通常意义上的 x射线吸收系数随能量变化的情况。 事实上，x射线吸收系数在单调平滑 的线段上还叠加着一种振荡结构。X 射线吸收系数的这种振荡结构被称作 X射线吸收精细结构(X-ray absorption fine structure，简称XAFS)。相应地， X射线吸收精细结构随能量的变化关 系被称作X射线吸收精细结构谱。图1 中给出了Cu-K吸收边的吸收曲线。
10.2 XAFS理论:
吸收系数： 假设单位体积内吸收原子的数目为N 假设单位体积内吸收原子的数目为N，由于光电子末态 f 一 般是连续或准连续的，且光电子的末态密度为 ρ(Ef)，则x射线 ，则x 的吸收系数可以表示为: 的吸收系数可以表示为:
µ (ω ) = Nσ (ω ) = 4π 2
2
ρ (Ef
)
(3)
其中，电子末态的态密度ρ 其中，电子末态的态密度ρ(Ef) ，在高能区域为一单调变化的函 数，并不能引起XAFS振荡。形成EXAFS振荡的是矩阵元 数，并不能引起XAFS振荡。形成EXAFS振荡的是矩阵元
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10.1 XAFS 原理: 技术的特点 (5)XAFS的广泛性。除常规的XAFS技术(透射法和荧光法)以 外．还衍生出许多相关的XAFS技术．XAFS技术作为一种探 XAFS XAFS 测原子近邻结构的手段已被广泛地应用于多学科的结构研究。 既可用以研究固态、液态、气态、熔态，又可用于研究非晶、 多晶，单晶及准晶．既可以研究稀薄样品、浓聚物质，又可 以研究表面结构．结合各种XAFS技术，原则上可以测量周期 表中各种元素，用表面XAFS技术已可以获得C、O等轻元素 的K吸收近边谱。
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10.1 XAFS 原理: XAFS的发展概况 到了1973年，Schaich认为如果适当 地考虑电子的平均自由程，那么 SRO和LRO近似的结果是一致 的．其实在1962年，Nelsson， Siegel和 Wagner就测量了非晶GeO2 及六方(金红石型)和四方(石英型) GeO2的Ge－K边吸收谱。除发现六 方和四方GeO2的吸收谱具有明显的 不同特征外，不具有长程结构的非 晶GeO2的吸收谱与六方晶态GeO2的 吸收谱有非常相似的特征，如图2所 示。
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