X射线近边吸收精细结构谱学基本知识及应用

同步辐射的高亮度(通量)、广 谱、相干性使之成为探测物质 结构和性质的有力手段。
同步辐射的实验技术可以分为 几大类： 1.谱学：能量分辨； 2. 散射：动量分辨 3. 成像：位置分辨； 4. 动力学：时间分辨
成像 位置
动力学 时间
探测器
3百度文库
X-ray Absorption Fine Structure (XAFS)
傅立叶变换方法打开了EXAFS谱学应用的大门！
9
EXAFS
10
EXAFS
FT Å
0.7
0.6
0.5
FT
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
2
4
6
8
R( )
11
未氧化的Fe(1) 层厚度
EXAFS
金属/金属氧化物异质结结 构原位研究，阐明了异质 结中金属的氧化态问题， 对于电子器件制备极为重 要： 随着Fe不断沉积在衬底 上，Fe层逐渐接近块材的 Fe； 对Fe层进行氧化，Fe由原 来的0价变为2价和3价。 在氧化层再沉积Fe，氧化 层的Fe逐渐还原为Fe2＋。
X射线近边吸收精细结构 谱学原理及应用
吴自玉 国家同步辐射实验室
2011-03-25
提纲
1. 同步辐射X射线吸收谱学 2. 扩展X射线吸收精细结构（EXAFS） 3. X射线近边吸收结构（XANES） 4. XANES理论发展
2
同步辐射技术和方法
电子轨道 电子源
光学元件 X 射线
样品
光谱 能量
散射 动量
PRL 101,056101(2008)
12
EXAFS
�EXAFS对晶格中原子的无序度极为敏感， EXAFS公式中的Debye-Waller因 子exp(-2k2σ2)可以用来描述晶格无序度，其中σ为吸收原子和背散射原子的 相对位移均方值MSRD（mean square relative displacement）。
2）能够分离热无序和静态无序。 13
EXAFS
FT|k2χ(k)|
T-EXAFS研究TMB2的局域晶格特性及同位素效应
2.5 28
128 2.0
228 1.5
300
1.0 Y-B
0.5
78
(YB (10B)) 2
Y-Y
28 128
228 300
Y-B
78
(YB (11B)) 2
Y-Y
0.0 1234567234567
R(Å)
R(Å)
同位素效应研究是判断超
导材料的超导机制是否存
在“电声相互作用”的重
要依据。
TM－B的特征振动随同位素掺杂位移：4.3 meV
σ2 (1 -03Å)
σ2 (1 -03Å)
σ2 (1 -03Å)
7.0
a
6.5
10B experim ent
11B experim ent
10B fit
6.0
Tem perature (K)
300 14
EXAFS
In a multi-component system the isotope effect coefficient for the component i is defined as
11B fit
5.5
5.0
4.5
6.0
b
5.5
10B experim ent
5.0
11B experim ent 10B fit
4.5
11B fit
4.0
3.5
3.0
2.5
11
10 C
10B experim ent
9
11B experim ent
10B fit
8
11B fit
7
6
5
4
3
0
50
100 150 200 250
W. C. Röntgen(1845 -1923)
� Röntgen首先发现X射线（1895） � Maurice de Broglie首先测量了吸收
边（1913） � Fricke和Hertz发现了精细结构
（1920）
利利用用实实验验室室光光 源源测测量量XXAASS
•Maurice de Broglie(1875 - 1960)
Louis de Broglie (Nobel prize physics 1929)
4
X-ray Absorption Fine Structure (XAFS)
1974 年在SPEAR 上进行的铜箔 EXAFS 实验
P. Eisenberger B. Kincaid
使用X射线常规光源 （转靶）耗时10天
两个理论模型来解释由EXAFS得到的MSRD随温度变化的曲线：
� Einstein模型
� Debye模型
T-EXAFS方法: 能够 探测“声子”行为。
拜关联模型适用于描
述声学模；爱因斯坦
相对于其它的振动研究方法，T-EXAFS方法具有如下 优点：
模型适用于描述光学
1）元素选择特性，也就是可以选择研究特定的成键； 支的效应。
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X-ray Absorption Fine Structure (XAFS)
XANES
EXAFS ： 吸收边后 约50eV到 1000eV
EXAFS
XAFS＝XANES＋EXAFS
Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS)
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X-ray Absorption Fine Structure (XAFS)
～使用同步辐射弯铁 光源仅用20分钟
XAFS：X射线激发的光电子被周围配位原子散射， 导致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。
实验上的突破： 同步辐射光源的出现大大缩短了 XAFS测量的时间，提高了XAFS谱的信噪比，为XAFS 的应用奠定了基础！
XAFS实验方法特点
• 具有原子选择性； • 能够以亚原子分辨率提供吸收原子周围的局
域结构信息；
• 所有原子对XAS都是响应的； • 对样品的状态无特殊要求，即可以是固体和
溶液，还可以是气体等；即可以是晶体，也 可以是非晶等；
• 可以和XRD技术结合使用，互为补充和验证。
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提纲
1. 同步辐射X射线吸收谱学 2. 扩展X射线吸收精细结构（EXAFS） 3. X射线近边吸收结构（XANES） 4. XANES理论发展
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X射线吸收谱学——理论发展
X长程有序理论 ( Kronig，1931)
EEXXAAFFSS
短程有序理论
( Kronig，1932)
争论40年
1971年，Sayers、Stern 和 Lytle基于单电子的单次散射理论 推出了一个可接受的理论表达式，并将此公式进行傅立叶变 换，得出傅立叶变换振幅曲线的峰位对应于配位近邻原子的位 置，峰的强度对应于近邻原子的种类和数量，并得到实验的验 证，才证明了短程有序理论的正确性，改变了EXAFS理论中的 混乱局面，开创了用EXAFS来测定物质结构的新纪元。