同步辐射技术及应用

同步辐射技术及应用
X 射线小角散射光束线站面向化学、材料科学、生命科学等领域，以聚合物、纳米材料、生物分子、液晶等为主要研究对象，提供一个以常规小角散射为主、兼顾反常小角散射、掠入射小角散射、小角散射和广角散射同时测量以及动态过程研究等技术的实验平台：(1)
通过测量 X 射线相干散射在小角度范围内的强度分布，获得物质内部较大尺度 (300nm 以下 )
的结构信息。

如高分子材料和各种聚集体的分形数、生物大分子的长周期和形貌、生物蛋白及分子团簇的回转半径、纳米颗粒的粒度分布和比表面、平衡固溶体原子偏聚状态中的态密度涨落以及其他各种结构参数等；(2)
可以测量较大角度范围内的散射信号，得到有关晶格的结构信息。

对于一些相变过程中发生较宽尺度范围 ( 如几个埃到几百纳米 )
内结构变化的情况，要求广角散射与小角散射实验能同时进行。

如非晶合金的晶化过程，聚合物从熔体到晶体的转变等；(3) 同步辐射波长连续可调，原子散射因子中的色散项在其吸收边上下有分显著的改变，利用某一元素吸收边附近进行 X 射线散射实验，可以“标定” 物质中不同元素；(4)
掠入射小角散射是近年来发展起来的一种新技术，用于研究薄膜表面和近表面内部的纳米尺度的结构。

如与反常散射技术相结合，将可从散射信号中得出某种特定元素的贡献，如多孔硅中的金属团簇，以及纳米碳管中的金属囊等等；(5)
高亮度的 X 射线将使我们能够开展时间分辨散射实验，可进行生物大分子活性研究和各种相变过程的动态研究等。

3应用实例硅光电子学的应用前景以及对量子点的自组织生长机制的探讨吸引着人们广泛开展硅单晶衬底上自组织生长锗量子点微结构的研究课题，中国科学院高能物理所的姜晓明研究员在北京同步辐射装置上利用X射线掠入射衍射实验方法对Si表面生长的Ge/Si量子点及其在Si表层产生的应变进行了成功测量。

此方法可以有效地抑制体结构的信号，从而提取表面层的微弱信号。

实验结果表明，表面Ge/Si量子点的晶格在与样品表面平行的横向也偏离了衬底的晶格，并向Si衬底传递在，Si衬底小于100埃的浅表层中形成了横向晶格的膨胀区域和压缩区域。

图1是不同掠入射角下Si（220）衍射峰附近的径向扫描，从图中可以看到，掠入射角为0、05时在衬底衍射峰的两侧各有一个衍射峰。

高角度位置的衍射峰S2随着掠入射角度的增加很快消失，而低角度位置的衍射峰S1随掠入射角度的增加变化的相对较慢，并且，峰位向衬底峰的方向移动。

然后利用常规的X射线衍射测量了衬底Si（004）衍射峰附近的径向扫描（图2），在衬底峰前（66，76处）出现一个小的衍射峰。

通过分析得到Si衬底上的量子点结构模型。

图1中衍
射峰S1由S1量子点区域引起，并且量子点的组分不单纯是Ge原子，而是Ge原子与Si原子的混合，并且有部分Ge原子扩散到Si 衬底中；而图中衍射峰S2是由于图标记为S2的位置引起的，此处晶格的畸变是由Si表面量子点的覆盖区域与附近未覆盖区域的挤压产生。

图1 Si（001）衬底上自组织生长Ge/Si量子点样品的衍射图（左）不同掠入射角下Si（220）附近的径向扫描；（右）Si（004）附近的径向扫描掠入射X射线衍射技术作为一种对表面和表层结构敏感的实验技术，掠人射X射线衍射方法将在如下方面发挥重要作用：①固体表面和界面结构重构、熔解；③液体和液晶表面结构；④固体—液体界面结构；⑤晶体生长过程；⑥表面、界面原子的运动等等。

结合位置灵敏探测器的应用，我们将不仅可以实现二维倒易空间的扫描，还可以完成掠人射条件下的小角散射实验。

4总结同步辐射技术的应用研究在飞速发展，这项技术已成为许多学科和技术研究不可缺少的工具，其在产业中的应用也越来越重要。

但是也应该看到，由于同步辐射装置和光束线所需的建设费用较高，在同步辐射装置上开展的应用项目，有很多只能局限于应用研究阶段，尤其在医学和工业方面的应用，今后应该建造一些费用合理并能应用于医院和工业批量生产中的各类小型同步辐射光源。