第六章X射线吸收精细结构(XAFS).ppt
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X射线吸收精细结构PPT课件
3
前言
X射线与物质的相互作用
• 一束能量为 E 的X射线穿透物质时，强度因物
质吸收有所衰减，入射光强度为Iο，穿过厚 度为d的物质后强度为I，则
I = I0 e-(E)d
(1)
吸收系数(E) 是X射线光子能量的函数
4
XAS现象(X-ray Absorption Spectroscopy)
X-射线穿过物质时产生吸收，吸收系数随 X-光光电子 能量变化。
10
In applications of EXAFS to surface science
SEXAFS (surface-EXAFS)
EXAFS SEXAFS
The principles and analysis are the same
11
XAFS提供的信息
（1）EXAFS 提供局域 (~6 Å) 结构参数 键长（± ~0.01 Å）；配位数 （最近邻原子数） • 吸收原子周围的原子的种类、数量等信息，可以
晶体学的理论和结构研究方法不适用于非晶体， 而EXAFS 的理论和方法却能同时适用于晶体 和非晶体.
2
前言
• X射线与物质的相互作用 • XAS (X-ray Absorption Spectroscopy)现象 • XAFS (X-ray Absorption Fine Structure)现象 • EXAFS 现象 • XANES 现象
测定待分析物中某种特定原子周围配位状况，它 反映的仅仅是物质内部吸收原子周围短程有序的 结构状态。 • 由于不同原子的吸收边相隔足够远，其EXAFS谱 互不交叠，原则上讲可以一次实验测出样品中各 种原子的配位结构。 • 该方法可表征非晶、无序和准晶材料结构。
12
前言
X射线与物质的相互作用
• 一束能量为 E 的X射线穿透物质时，强度因物
质吸收有所衰减，入射光强度为Iο，穿过厚 度为d的物质后强度为I，则
I = I0 e-(E)d
(1)
吸收系数(E) 是X射线光子能量的函数
4
XAS现象(X-ray Absorption Spectroscopy)
X-射线穿过物质时产生吸收，吸收系数随 X-光光电子 能量变化。
10
In applications of EXAFS to surface science
SEXAFS (surface-EXAFS)
EXAFS SEXAFS
The principles and analysis are the same
11
XAFS提供的信息
（1）EXAFS 提供局域 (~6 Å) 结构参数 键长（± ~0.01 Å）；配位数 （最近邻原子数） • 吸收原子周围的原子的种类、数量等信息，可以
晶体学的理论和结构研究方法不适用于非晶体， 而EXAFS 的理论和方法却能同时适用于晶体 和非晶体.
2
前言
• X射线与物质的相互作用 • XAS (X-ray Absorption Spectroscopy)现象 • XAFS (X-ray Absorption Fine Structure)现象 • EXAFS 现象 • XANES 现象
测定待分析物中某种特定原子周围配位状况，它 反映的仅仅是物质内部吸收原子周围短程有序的 结构状态。 • 由于不同原子的吸收边相隔足够远，其EXAFS谱 互不交叠，原则上讲可以一次实验测出样品中各 种原子的配位结构。 • 该方法可表征非晶、无序和准晶材料结构。
12
x射线精细结构ppt课件
位环境结构与金属Pt的相近．
3.3XAFS在化学研究中的应用
右图为化学还原法制 备的NiB和NiP超细非 晶态台金催化剂在不 同退火温度处理后的 径向结构函数曲线。
3.4XAFS在生命科学研究中的应用
右图为人血清白蛋白 HSA和牛血清白蛋白 BSA中锌元素的荧光 XAFS谱
3.5XAFS在材料科学研究中的应用
射线就是由原子的内层电子受到激发产生。 电子在同步加速器中绕着磁场作圆周运动时发出的电磁辐
射叫同步加速器辐射，简称同步辐射，或叫同步光。 同步辐射由电子同步加速器实现。
同步辐射x射线的特点
波长是连续的 亮度高 准直性好 无杂质射线 具有时间分辨性
1.2吸收光谱
x射线被吸收的主要机制为 原 子的内层电子向外层未填充的 能态跃迁而吸收x光量子。
2.1 概述
所谓x射线的精细结构谱(x—rayAbsorption Fine Structure，XAFS)就是指由吸收边两 侧的波动构成的，由吸收原子周围的近程 结构决定的，提供的是小范围原子簇的结 构和几何信息。
2.2问题的提出
早在19世纪初，人们 就发现吸收光谱并不 像左图（上）所示那 样简单，在吸收边附 近激起高能广延段存 在着一些分立的波起 伏，这些起伏称为精 细结构，如左图（下） 所示。
不同层电子的吸收边不同， 不同元素的吸收边系也不 相同，可因此做元素分析。
1.4傅里叶变换
傅里叶变换是将复杂信号转换成一系列正 弦、余弦信号的信号处理方式
2.XAFS原理及发展
2.1 概述 2.2 问题的提出 2.3 对问题的解释 2.4 现象的应用 2.5 数据的处理 2.6 XAFS与XAS的比较
2.6 XAFS与XAS的比较
对样品的要求：XAFS相对于X衍射来说对样品的 要求较小，不必一定是晶体，可以是非晶体，可 以是固体，也可以是液体甚至气体，可以是单一 物相，也可以是混合物。
3.3XAFS在化学研究中的应用
右图为化学还原法制 备的NiB和NiP超细非 晶态台金催化剂在不 同退火温度处理后的 径向结构函数曲线。
3.4XAFS在生命科学研究中的应用
右图为人血清白蛋白 HSA和牛血清白蛋白 BSA中锌元素的荧光 XAFS谱
3.5XAFS在材料科学研究中的应用
射线就是由原子的内层电子受到激发产生。 电子在同步加速器中绕着磁场作圆周运动时发出的电磁辐
射叫同步加速器辐射，简称同步辐射，或叫同步光。 同步辐射由电子同步加速器实现。
同步辐射x射线的特点
波长是连续的 亮度高 准直性好 无杂质射线 具有时间分辨性
1.2吸收光谱
x射线被吸收的主要机制为 原 子的内层电子向外层未填充的 能态跃迁而吸收x光量子。
2.1 概述
所谓x射线的精细结构谱(x—rayAbsorption Fine Structure，XAFS)就是指由吸收边两 侧的波动构成的，由吸收原子周围的近程 结构决定的，提供的是小范围原子簇的结 构和几何信息。
2.2问题的提出
早在19世纪初，人们 就发现吸收光谱并不 像左图（上）所示那 样简单，在吸收边附 近激起高能广延段存 在着一些分立的波起 伏，这些起伏称为精 细结构，如左图（下） 所示。
不同层电子的吸收边不同， 不同元素的吸收边系也不 相同，可因此做元素分析。
1.4傅里叶变换
傅里叶变换是将复杂信号转换成一系列正 弦、余弦信号的信号处理方式
2.XAFS原理及发展
2.1 概述 2.2 问题的提出 2.3 对问题的解释 2.4 现象的应用 2.5 数据的处理 2.6 XAFS与XAS的比较
2.6 XAFS与XAS的比较
对样品的要求：XAFS相对于X衍射来说对样品的 要求较小，不必一定是晶体，可以是非晶体，可 以是固体，也可以是液体甚至气体，可以是单一 物相，也可以是混合物。
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。
X射线吸收精细结构谱
Group Meeting 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)
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)
《X射线的吸收》课件
况和健康状况。
骨密度测定
通过X射线吸收可以测定骨骼的 密度，评估骨质疏松等疾病的风
险。
在安全检测中的应用
危险品检测
X射线吸收可以用于检测危险品， 如爆炸物、毒品等，通过分析物 质对X射线的吸收特性，实现对危 险品的快速识别和检测。
食品检测
X射线吸收也可以用于食品检测， 如检测食品中的添加剂、农药残 留等有害物质，确保食品的安全 性。
X射线产生的机制包括轫致辐射和特 征X射线。
X射线通常产生于高能电子撞击金属 靶，能量在100keV左右。
X射线的性质
01
X射线是一种电磁波，具 有波粒二象性。
02
X射线具有穿透物质的能 力，其穿透能力和物质 密度、厚度、吸收系数 有关。
03
X射线具有荧光作用，某 些物质在X射线照射下能 激发出可见荧光。
的衰减。
不同物质对X射线的吸收程度不 同，这取决于物质的种类、密度
和厚度。
物质对X射线的吸收程度可以通 过吸收系数来描述，吸收系数越 大，物质对X射线的吸收能力越
强。
吸收的物理机制
X射线与物质的相互作用主要包括光 电效应、康普顿散射和电子对生成等 。
康普顿散射是指X射线光子与物质原 子中的电子发生碰撞，使光子的能量 减少，方向改变。
01
X射线吸收的实验 研究
实验设备与实验方法
实验设备
X射线源、单色仪、样品台、探测器 、数据采集系统。
实验方法
选择适当波长的X射线照射样品，通过 探测器测量不同角度和深度的X射线强 度，记录数据并进行分析。
实验结果与分析
结果展示
通过图表和表格展示实验数据，如X射线强度随角度和深度的变化曲线。
结果分析
骨密度测定
通过X射线吸收可以测定骨骼的 密度，评估骨质疏松等疾病的风
险。
在安全检测中的应用
危险品检测
X射线吸收可以用于检测危险品， 如爆炸物、毒品等，通过分析物 质对X射线的吸收特性，实现对危 险品的快速识别和检测。
食品检测
X射线吸收也可以用于食品检测， 如检测食品中的添加剂、农药残 留等有害物质，确保食品的安全 性。
X射线产生的机制包括轫致辐射和特 征X射线。
X射线通常产生于高能电子撞击金属 靶，能量在100keV左右。
X射线的性质
01
X射线是一种电磁波，具 有波粒二象性。
02
X射线具有穿透物质的能 力，其穿透能力和物质 密度、厚度、吸收系数 有关。
03
X射线具有荧光作用，某 些物质在X射线照射下能 激发出可见荧光。
的衰减。
不同物质对X射线的吸收程度不 同，这取决于物质的种类、密度
和厚度。
物质对X射线的吸收程度可以通 过吸收系数来描述，吸收系数越 大，物质对X射线的吸收能力越
强。
吸收的物理机制
X射线与物质的相互作用主要包括光 电效应、康普顿散射和电子对生成等 。
康普顿散射是指X射线光子与物质原 子中的电子发生碰撞，使光子的能量 减少，方向改变。
01
X射线吸收的实验 研究
实验设备与实验方法
实验设备
X射线源、单色仪、样品台、探测器 、数据采集系统。
实验方法
选择适当波长的X射线照射样品，通过 探测器测量不同角度和深度的X射线强 度，记录数据并进行分析。
实验结果与分析
结果展示
通过图表和表格展示实验数据，如X射线强度随角度和深度的变化曲线。
结果分析
EXAFS PPT课件
曲线间的差值△µx，以此为µ0(E)，这个值实际上即为 吸收边的阶跃高度。它的样品量的多少是成正比的。
4）E-k转化：利用公式k=[2m(E-E0)]1/2/h,将x(E)转化 成x(k)。在采集数据时，是以等间隔单色器转动角度为 步长进行的。经过上述一连串的变换，在k空间数据已 不是等间隔的。为了以后变换到等k间隔。等k间隔的x 值。是在x(k)曲线上插值求得的。
能量kev
• 吸收边的附近有一些分立的峰或起伏振荡,
这现象被称为X射线吸收的精细结构.
• 精细结构一般在于边前10ev－1000ev。人
们将吸收边后40ev－1000ev这段吸收光谱， 称为EXAFS。EXAFS是电离光电子被吸收原 子周围的配位原子作单散射（散射一次） 回到吸收原子与出射波干涉形成的，其特 点是振幅不大，似正弦波动。
由于相移的存在，RSF图中EXAFS的贡献与R的关 系是畸变了的，即与RSF与图中峰之最大值对应的R 值并非真正的吸收原子与配位原子间的距离，需要 校正。
•2） Fourier反变换（IFT）：RST图中包含了吸收
原子所有的配位层，如对其进行整体处理，同时求
取所有配位层的结构参数，则参数数量较多，计算
• 1）理论拟和：从理论计算得出与样品中吸收原子和背散
射原子相对应的fj(k，π)和φj(k)，从而获得理论的x(k)，应 用最小二乘方技术，将它与实验得到的x(k)相比较，通过 调节Nj ，rj ，ơj和△E0，使得两者差的平方和为最小，这 时得到的Nj ，rj ，ơj和△E0 就认为是所求的参数。
•（2）曲线拟和求结构参数
所谓曲线拟和就是按照一定的结构模型用理论计算 一张与某一配位层对应的EXAFS谱，去与滤波后的 实验谱比较，应用最小二乘方技术，通过改变计算 公式中的一些参数，使两者相符（相差最小）的方 法。若改变的是需求的结构参数，则在两者相符后 就得到需求的结构参数。
4）E-k转化：利用公式k=[2m(E-E0)]1/2/h,将x(E)转化 成x(k)。在采集数据时，是以等间隔单色器转动角度为 步长进行的。经过上述一连串的变换，在k空间数据已 不是等间隔的。为了以后变换到等k间隔。等k间隔的x 值。是在x(k)曲线上插值求得的。
能量kev
• 吸收边的附近有一些分立的峰或起伏振荡,
这现象被称为X射线吸收的精细结构.
• 精细结构一般在于边前10ev－1000ev。人
们将吸收边后40ev－1000ev这段吸收光谱， 称为EXAFS。EXAFS是电离光电子被吸收原 子周围的配位原子作单散射（散射一次） 回到吸收原子与出射波干涉形成的，其特 点是振幅不大，似正弦波动。
由于相移的存在，RSF图中EXAFS的贡献与R的关 系是畸变了的，即与RSF与图中峰之最大值对应的R 值并非真正的吸收原子与配位原子间的距离，需要 校正。
•2） Fourier反变换（IFT）：RST图中包含了吸收
原子所有的配位层，如对其进行整体处理，同时求
取所有配位层的结构参数，则参数数量较多，计算
• 1）理论拟和：从理论计算得出与样品中吸收原子和背散
射原子相对应的fj(k，π)和φj(k)，从而获得理论的x(k)，应 用最小二乘方技术，将它与实验得到的x(k)相比较，通过 调节Nj ，rj ，ơj和△E0，使得两者差的平方和为最小，这 时得到的Nj ，rj ，ơj和△E0 就认为是所求的参数。
•（2）曲线拟和求结构参数
所谓曲线拟和就是按照一定的结构模型用理论计算 一张与某一配位层对应的EXAFS谱，去与滤波后的 实验谱比较，应用最小二乘方技术，通过改变计算 公式中的一些参数，使两者相符（相差最小）的方 法。若改变的是需求的结构参数，则在两者相符后 就得到需求的结构参数。
《X射线的吸收》课件
物质的厚度及形状
研究物质的厚度和形状对X射 线吸收的影响。
X射线的吸收效应
X射线的吸收与介质的原子结构及成分 有关
解释介质的原子结构及成分如何影响X射线的吸 收。
X射线吸收的效应
探索X射线在不同介质中产生的吸收效应。
实验
X射线的吸收实验
详细介绍进行X射线吸收实验的步骤。
实验结果
展示X射线吸收实验得出的结果及其意义。
X射线穿过物质
声明-伯运动定律和X射 线的穿透力
解释X射线穿透物质时遵循的 物理规律和能力。
X射线穿透物质的规律
探索X射线在不同物质中穿透 的规律。
对物质吸收X射线的因素
了解影响物质对X射线吸收的 因素。
X射线的影响因素
物质的成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ及密度
分析物质的成分和密度对X射 线吸收的影响。
X射线的电压
探究X射线电压对吸收效果的 影响。
《X射线的吸收》PPT课件
X射线的吸收是一门重要的研究领域，本课件将介绍X射线吸收的概念、来源、 穿透物质的规律以及其影响因素、吸收效应、实验和应用。
概述
X射线的定义、吸收概念以及为什么需要掌握X射线的吸收。
X射线的源头及产生
X射线的产生过程
深入了解X射线是如何产生的。
X射线的源头
探索不同领域中X射线的源头及其特点。
应用
医学影像学中的应用
探讨X射线在医学影像学中的 重要应用。
工业无损探伤中的应用
介绍X射线在工业无损探伤领 域中的广泛应用。
太空探索中的应用
展示X射线在太空探索中的独 特应用。
总结
X射线的吸收概念及原理
重新概括X射线的吸收概念和相关原理。
X射线吸收精细结构PPT课件
(XAFS: X-ray
Absorption Fine Structure)
自由原子(左)和有 近邻的原子(右)
6
X射线吸收精细结构(XAFS)现象
• 吸收系数 vs. 入射光子能量 • 光电子吸收随着能量的增加而减小 • “Jumps” 跳边对应于核电子的激
吸收边附近吸收系数随X光光子能量的变化不是单 调的，而是有起伏的，存 在精细结构。
成的振幅衰减；S02 拟合技术上的衰减因子。 受e平均寿命的影响，5 Å内信息是确切的。27
EXAFS给出的结构信息
由EXAFS数据可得到三种结构参数： （1）发射原子与i 配位层之间的距离 Ri； （2）各配位层中的原子数目 Ni； （3）Debye-Waller因子描述原子振动和无 序化的影响。
sin[2kRi
i (k)]
(5)
Ami 振幅项---振幅函数与一系列修正项乘积
Ni--- 第 i 壳层近邻配位数； Ri--- 壳层间距；
Fi(k)---散射振幅;
---平均自由程，
exp(-2Ri/) --- 光电子对振幅造成的衰减；
26
即单独壳层的EXAFS振荡可表达为
振幅项
相位移动
将 (k) 分解到每一壳层 (i 壳层) 独立的正玄波，
解出相关的结构信息，从而使EXAFS测定物质结 构成为现实。
25
• 广为接受的表达式为(Sayers,Stern等人提出)
i (k)
1 kRi 2
Ni
Fi (k) exp( 2Ri
/ ) exp( 2 i 2k
2) S02
1s3d
1s4p
--- 边前1s 3d (四面 体允许，八面体禁止)
Absorption Fine Structure)
自由原子(左)和有 近邻的原子(右)
6
X射线吸收精细结构(XAFS)现象
• 吸收系数 vs. 入射光子能量 • 光电子吸收随着能量的增加而减小 • “Jumps” 跳边对应于核电子的激
吸收边附近吸收系数随X光光子能量的变化不是单 调的，而是有起伏的，存 在精细结构。
成的振幅衰减；S02 拟合技术上的衰减因子。 受e平均寿命的影响，5 Å内信息是确切的。27
EXAFS给出的结构信息
由EXAFS数据可得到三种结构参数： （1）发射原子与i 配位层之间的距离 Ri； （2）各配位层中的原子数目 Ni； （3）Debye-Waller因子描述原子振动和无 序化的影响。
sin[2kRi
i (k)]
(5)
Ami 振幅项---振幅函数与一系列修正项乘积
Ni--- 第 i 壳层近邻配位数； Ri--- 壳层间距；
Fi(k)---散射振幅;
---平均自由程，
exp(-2Ri/) --- 光电子对振幅造成的衰减；
26
即单独壳层的EXAFS振荡可表达为
振幅项
相位移动
将 (k) 分解到每一壳层 (i 壳层) 独立的正玄波，
解出相关的结构信息，从而使EXAFS测定物质结 构成为现实。
25
• 广为接受的表达式为(Sayers,Stern等人提出)
i (k)
1 kRi 2
Ni
Fi (k) exp( 2Ri
/ ) exp( 2 i 2k
2) S02
1s3d
1s4p
--- 边前1s 3d (四面 体允许，八面体禁止)
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。
第六章 XAFS
晶体有关，即与长程有序有关，所以这一阶 段的理论，被称之为“长程有序理论”（Long Range Order，LRO）。 但很快，Kronig便发现长程有序理论对 某些体系并不适用，如不具有晶体结构的分 子态物质，它们对X-射线的吸收也会产生边 后的振荡现象。
1 I ln 0 x I
随着X-射线光子能量的增加，穿透 系数I/I0增大，因而吸收系数下降。
不同能量范围的精细结构有不同的产生 机理，人们将吸收边后40～1000eV这段吸收 光谱，称为扩展X-射线吸收精细结构，即 EXAFS ，将吸收边前10eV至边后约40eV处的 这一段吸收光谱称为X-射线吸收近边结构， 即XANES。
XANES区域还可以分为两段，一段为从 边前约10eV到边后约8eV处，视为边前区或低 能XANES，而边后8eV至40eV或更高处，就 是通常所说的XANES。边前区的特点是一些 分立的峰，它是由激发的光电子跃入外层空轨 道形成的，光电子并未电离。
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3
于是，Kronig发展了一种新的理论，叫 “短程有序理论”（Short Range Order， SRO）。这个理论给出的解释是振荡现象源于 周围原子背散射引起的光电子终态波函数的变 化，从而引起了吸收系数的相应变化。 Peterson和Kostarev等人用这一理论解释了很 多凝聚态物质的X-射线吸收精细结构现象。
后来， SRO理论又经过了自由程校正、 热运动校正，越来越趋于成熟，对于定性的 解释没有困难，但并没有形成精确的理论， 对EXAFS的物理意义还没有完全弄清。
EXAFS理论的突破是在1971年，当时， Sayers、Stern和Lytle指出，EXAFS函数＝ (-0)/0(为吸收系数， 0为孤立原子的吸收 系数)，相对光电子波氏作Fourier变换后，回 到径向空间(r)，应当在最邻近配位壳层的配 位距离处产生峰值，从而弄清了EXAFS的真 正物理意义。
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
X射线吸收精细结构谱PPT课件
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apical S2– or bridging disulfide S22– coordination
C=C/graphitic sp2 bonds, C–C bonds, and Mo–S–C bonds, respectively
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Nano Res, 2016, 9, 2079-2087.
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。
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X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
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。
第11页/共20页 Angew Chem Int Edit, 2016, 55, 7968-7973.
XAFS在催化领域内的应用
• 实例2，TaC-RGO界面
• Fig.3a: the absorption edge of 2D TaC–RGO shifts to a higher energy;
• Fig. 3b: a higher half-edge energy for 2D TaC–RGO.
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X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
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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 。
（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
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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
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
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
第六章：X射线吸收精细结构（XAFS）
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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。
7.2 7.4 7.6 7.0
EX1keV
7.2 7.4 7.6
EX1keV
100 200 300 400
E1eV
(a)
(b)
(c)
15 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)
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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) 。
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t(Ex) t(Ex)
(Ex) t
(E)
k (Ex) t
C03+D03
0 (Ex) t
(C13+D13)t
7.0
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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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）。
d
(Ex
)
ln
I0 (Ex ) I (Ex )
（4-4）
样品的厚度通常取 d 1 2.5。
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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
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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。
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
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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 的震荡， 称为XANES。它含有吸收原子近邻原子结构(E)和电子 结构信息。
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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 )
k2(k)
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)
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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)
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图22 从吸收原子(黑色)激发出的光电子波函数的径向分布。
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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
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图24 荧光法原理图
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4. EXAFS数据处理
EXAFS数据处理x
)
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；
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。
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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。
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。
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：
(k )
m
4 2k
j
Nj Rj
fj
(2k )e2k2 j e2Rj
/ l
sin[2kRj
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（4-3）
j (k)]
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（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