中国科学技术大学同步辐射实验室XAFS课件

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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)
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。
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。
d
(Ex
)
ln
I0 (Ex )(透射法),
I (Ex )
(荧光法)
背底扣除与归一化
)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) 。
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。
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 。
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
(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
(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
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:
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。
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。
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