中国科学技术大学同步辐射实验室XAFS课件

定义EXAFS函数
(k) [(k) 0 (k)] / 0 (k)
1
k为光电子波矢， k [2m(Ex
E0
)]1/ 2
（4-1） （4-2）
式中 0 (k)为 (k)的平滑变化部分，在物理上相当 于孤立原子的吸收系数，(k)为扣除背底后吸收边高能
侧的吸收系数，E0 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：
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。
d
(Ex
)
ln
I0 (Ex )（透射法），
I (Ex )
（荧光法）
背底扣除与归一化
H
(
E
)
C
If I
a)由吸收边低能侧实验数据拟合 d (c03 D0 4 ) 扣除其它壳层的 吸收；
b)用三次样条函数法拟合d0(E) ； c) Ex k ，(k) [(k) 0 (k)]/ 0 ，得出归一化
的 (E) ，(k) ，k n (k) 。
（四）与光电子的非弹性散射有关，e2Rj /l 均自由程。
，l
为光电子的平
3.XAFS实验测量方法
1)透射法
在同步辐射实验室，I ，I0 都用离子室（ion chamber）D0 ，D1 测量
d
(Ex
)
ln
I0 (Ex ) I (Ex )
（4-4）
样品的厚度通常取 d 1 2.5。
图23 透射法的原理图
5)由标样或由理论计算得出 f j (2k)， j (k)，将R j ，N j， 作j 拟合参数，对曲线k 3 (k )进行拟合，得出吸收原子的 近邻原子信息 R j ，N j， j 。 同步辐射实验站XAFS站通常都有相应的数据处理程 序
700
600
Ge
500
400
FT值
300 200
100
0 0
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(E) 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 (E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，
P
eh 4m2w2
M fs
2 (Ef )
M fs f P s
终态 f ,初态 s ，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 f 为自由电 子态，它不随入射光子的能量发生震荡。
(k )
m
4 2k
j
Nj Rj
fj
(2k )e2k2 j e2Rj
/ l
sin[2kRj
2
（4-3）
j (k)]
（4-3）表明，(k) 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N j 、距
离处于R j同及一电近子邻被原散子射层振中幅，f可j (2将k)这有一关近，邻NRjj原fj(子2k)（层看如作不几同个种不原同子
D0为前X射线探测器 D1为后X射线探测器
2)荧光法
I0 用离子室D0 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：
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，
sin[2kRj 2。j (k)]
（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 j为的 R j 均方根偏
离，则可表为Debye-Waller温度型的项 e2k j 。
2
源自文库
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。
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。
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
EX1keV
7.2 7.4 7.6
EX1keV
100 200 300 400
E1eV
(a)
(b)
(c)
图26 (Ex)的归一化过程(a)实验测得t(Ex);(b) k (Ex) t和0 (Ex) t曲线；(c)归一化的(Ex)
20
15
k2(k)
10
5
0
5
10
15
20
k (A-1)
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 (k)kn (n 1, 2,or3) 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k3 (k)