当前位置：文档之家 › 中国科学技术大学同步辐射实验室XAFS课件

中国科学技术大学同步辐射实验室XAFS课件

  • 格式：ppt
  • 大小：235.00 KB
  • 文档页数：20

下载文档原格式

  / 20

合集下载

《同步辐射应用基础》课件

《同步辐射应用基础》课件
《同步辐射应用基础》 PPT课件
本课程将介绍同步辐射的基本知识和应用。同步辐射是一种特殊的电磁辐射， 被广泛应用于材料科学、生命科学、化学以及环境科学等领域。
同步辐射的概念
定义
同步辐射是高速电子经过弯 曲磁铁时所产生的特殊的电 磁辐射。
形象描述
可以想象成一束高度聚焦的 电子光束，类似于电子显微 镜的工作原理。
2
扫描透射电子显微镜(STEM)
同步辐射可用于STEM样品中小到2nm的纳米颗粒的表征。
3
束缚态谱(BIND)
可以通过同步辐射X射线获取材料中不同原子的化学键能。
结论和展望
本次课程中我们讲述了同步辐射的基本知识、应用与实验技术，详细描述了同步辐射在材料科学 中的重要应用实例。同步辐射的应用前景广阔，会在更多的领域和学科中得到应用，推动科学技 术的发展。
同步辐射的应用领域
材料科学
同步辐射可以提供高分辨率的晶体结构、 电子结构和表面形貌等信息。
化学
同步辐射可以用于表征化学反应、反应过 中的物种和反应动力学等方面的研究。
生命科学
同步辐射可以观测到生命分子在不同状态 下的结构和功能变化，对于药物研发有重 要作用。
环境科学
同步辐射可以用于环境污染物的分析、污 染源的追溯和基础环境研究等方面。
加速器
实验站会提供一台大型的粒子加速器，用于产生高速载流子流。
光束线
实验站有多条光束线，用于将同步辐射光束聚集、选择并传输到实验区域。
探测器
同步辐射实验的数据信噪比较低，需要高灵敏度探测器进行数据采集。
同步辐射在材料科学中的应用实例
1
X光光电子谱(XPS)
可以通过同步辐射X射线将材料表面原子的能级激发到离子态，从而观察其化学 状态。

同步辐射xafs吸收谱

同步辐射xafs吸收谱

同步辐射XAFS吸收谱同步辐射X射线吸收谱（XAFS）是一种强大的结构表征技术，它广泛应用于材料科学、化学、物理等领域。

XAFS技术利用同步辐射光源产生的高亮度、高强度的X射线，通过测量吸收谱的变化来研究材料的局域结构和电子结构。

以下是关于同步辐射XAFS吸收谱的简要介绍：1. 同步辐射光源：同步辐射XAFS实验通常利用大型的同步辐射光源，如储存环。

这种设施产生高度同步化的X射线束，具有高亮度和强度，能够提供足够的光子流量进行XAFS实验。

2. 原理和技术：XAFS的基本原理：XAFS测量基于材料对入射X射线的吸收，其吸收边缘的细微结构包含了有关材料局域结构和电子结构的信息。

XAFS技术：XAFS谱通常包括X射线吸收近边（XANES）和X射线吸收远边（EXAFS）。

XANES提供关于电子结构的信息，而EXAFS提供有关局域原子结构的信息。

3. 实验步骤：样品准备：样品通常以粉末或薄片的形式准备。

样品的制备对于获取准确的XAFS谱至关重要。

实验条件设定：要根据具体的实验目的选择合适的同步辐射光源和探测器，以及适当的能量范围。

数据采集：在不同的能量范围内采集XAFS数据，包括XANES和EXAFS。

数据的质量和数量对于后续分析非常重要。

数据分析：利用适当的分析软件对XAFS数据进行处理，包括傅立叶变换等方法，以提取结构信息。

4. 应用领域：材料科学：XAFS广泛应用于研究材料的晶体结构、电荷转移和电子状态。

催化剂研究：用于研究催化剂表面结构和活性位点。

生物医学：在生物医学研究中，XAFS可用于研究生物大分子的结构。

5. XAFS的优势：高灵敏度：同步辐射光源提供高亮度的X射线束，使得XAFS实验对于稀有或微量样品非常敏感。

高分辨率：XAFS可提供高分辨率的结构信息，揭示材料的微观结构和电子结构。

无损测量：XAFS是一种无损测量技术，不会破坏样品。

同步辐射XAFS吸收谱技术在材料科学、化学和生物医学等领域的研究中发挥着重要作用。

软x射线XAFS实验方法——wangjo 传的

软x射线XAFS实验方法——wangjo 传的

实验过程与注意事项
第三步 样品测试
选择光栅
扫描白光调整样品位置
北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京
实验过程与注意事项
第三步 样品测试
选择入射x射线能量范围 扫描能量步长
采点数
驻留时间
输入参数
开始采谱
采谱结束后， 自动存储数据
北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京
Y Axis Title
实验过程与注意事项
第三步 样品测试
样品导电性差，导致荷电现象
Y Axis Title
B 334
332
330
328
326
324
450
455
460
465
470
475
480
485
X Axis Title
SrTiO3不导电
Y Axis Title
B
1200
1000
800
600
400
软x射线XAFS简介
在软x射线波段（100~2000eV），吸收谱研究工作主要集中 在：
1、C、N、O等轻元素的K 边； C的K边~280eV N的K边~390eV O的K边~530eV
2、钛、钒、铁、锰等过渡族元素的L 边； 过渡族金属的L边大部分在400~1000eV
3、部分镧系稀土元素的M边； 大部分集中在100eV附近
谢谢
北京同步辐射 王嘉鸥 wangjo@
北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京
北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京
实验技术与实验方法

同步辐射及其应用(讲义)

同步辐射及其应用(讲义)

同步辐射及其应用(讲义)同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。

尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。

近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。

同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。

据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。

我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。

1．什么是同步辐射1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。

其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。

”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。

这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。

现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。

1963年法国Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。

这种在做高能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生模式或兼用模式。

EXAFS PPT课件

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。

XAFS技术及其应用

XAFS技术及其应用
sqwei@ +86-551-3601997
1920年 Friche和Hertz 1931年 Kronig 长程有序理论（LRO） 态密度 1932年 Kronig 短程有序理论（SRO） 光电子跃迁矩阵元 1971年 Sayers、Stern和Lytle k空间傅利叶变换 1975年 Lee和Pendry 基于有效路径长度的多重散射EXAFS 1990年 Rehr和Albers 基于格林传播函数的可分离表示 随着同步辐射光源的广泛使用，XAFS理论也逐渐得到发展， 能够更好地解释实验谱图中的精细结构。现在，通过从头计 算的方法，几乎所有的参数（例如温度、键角和自旋依赖） 都能确定下来。迄今为止，人们已经提出了多种改进的理论 计算模型，例如全路径多重散射（FMS），自洽场和完全相 对论计算等，这些理论都被用在近边区域的定量分析中。
sqwei@
+86-551-3601997
EXAFS的基本原理
hν 当 X 光照射物质，在某能量位 置处， X 光能量正好对应于物 质中元素 A 内壳层电子的束缚 能，吸收系数突增，即吸收边 位置。中心原子 A 吸收 X 后， 内层电子由 n 态激发出来向外 出射光电子波，此波在向外传 播过程中，受到邻近几个壳层 原子的作用而被散射，散射波 与出射波的相互干涉改变了原 子 A 的电子终态，导致原子 A 对 X 射线的吸收在高能侧出现 振荡现象。
Pre-edge XANES -200 -20 30 EXAFS 1000
μ
E0
90009500源自10000Energy (eV)
sqwei@
+86-551-3601997
The basic formula of EXAFS:
Nj 1 − 2 k 2σ 2 −2 R j / λ j χ ( k ) = ∑ 2 f j ( 2 k )e e sin(φ j (k ) + 2kR j ) k j ≠ 0 R0 j

XAFS应用介绍精讲

XAFS应用介绍精讲

XAFS analytical techniques at SSRF It is a general and high performance XAFS beamline, with high flux、high signal/noise ratio and fast data collection.
Mazda: World’s first application of single-nanocatalyst technology in catalytic convern of a Pdperovskite catalyst for automotive emissions control
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Pt-Fe
0.0 0.1 0.2
R /nm
汽车尾气净化装置及催化剂
通过EXAFS研究助剂Fe的添加对 催化剂Pt/Ba/Al2O3 中Pt物种微观 结构的影响，这种微观结构的改变 对催化剂组分间的作用和催化性能 产生了显著影响。 Meng M et al.Applied Catalysis B: Environmental 78 (2008) 38
为了提高催化剂的催化效率，科学家利用同步辐射装置开展很多原位实时监测反应过 程的研究。XAFS可以提供很重要的在金属催化剂反应过程中，与局域结构和电子环境 有关的原位动力学信息，他的动力学行为可以在ms, us,以至于ps. fs内研究。
Fig. 99: Normalised Pd K edge energy dispersive EXAFS spectra derived during a switch from a 5%NO/He feed to a 5%CO/He feed (both 75mlmin–1 flow) at 673 K over a 1wt%Pd/10ZCA sample. Each spectrum was acquired in ca. 250 msecs. For clarity only 1 spectrum/second is plotted. The red to yellow shading is indicative of the switch from the NO to CO feed.

《同步辐射应用基础》PPT课件

《同步辐射应用基础》PPT课件

E

Ek

p2
2
2 2 E 2
i 2 2
t 2
考虑势函数的一般表达式
i
t


2
2
2

V


r,
t


态的迭加原理：如果1、2、3n描写的 都是体系可能的状态，那么它们的线性迭加描 写的也是体系可能的状态
H
' 22

E'



H
' 1
f
H
' 2
f
0

H
' f
1
H
' f
2

H
' ff
E'
解此久期方程，我们可以得到f个根E’，即 f个能量的一级修正。一级微扰可以将f度简 并完全或部分消除
含时微扰与量子跃迁

体系原来处于不显含时间t的H0 的本征态上,它的包 含时间因子的本征函数系为

n

同步辐射应用领域 凝聚态物理、材料科学、原子分子物理、
生命科学、信息科学、环境科学、光化学、催 化、医学、农学、微电子、微机械
量子力学的产生

十九世纪末和二十世纪初，物理学的发
展进入了研究微观现象的新阶段，这时许多物
理现象无法用经典理论给以解释。主要有两类，
一类是光（电磁波）的量子属性问题，另一类

i

Gh


Rn


1

Gh Rn 2m

全部 Gh 端点的集合，构成该布拉维格子（正 格子）的倒格子，Gh 称为倒格矢

XAFS基础

XAFS基础

XAFS基础陈栋梁 北京同步辐射装置 中国科学院高能物理研究所 北京 2011.12.7-8 北京， 2011 12 7 8北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京主要内容 要X射线吸收 X射线吸收谱（XAFS/XAS） 射线吸收谱（ / ） X射线吸收谱与多重散射 射线 谱 多 射 扩展X射线吸收谱(EXAFS) EXAFS若干问题北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京主要内容 要X射线吸收 X射线吸收谱（XAFS/XAS） 射线吸收谱（ / ） X射线吸收谱与多重散射 射线 谱 多 射 扩展X射线吸收谱(EXAFS) EXAFS若干问题北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京X射线吸收„光与物质的相互作用透射电子入射X光散射 荧光 可见光波长390-760纳米 X光波长1-0.1纳米北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京X射线吸收谱 射线 谱„X射线吸收系数μ ~ ( ρZ ) ( AE )4 3ρ : 密度Z : 子序数 A : 原子质 原子质量 E : 能量北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京X射线吸收谱„物质X射线吸收机制透射：物质通过光电效应吸收X射 线I = I 0eI0− μxIx北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京X射线吸收谱„物质X射线吸收机制荧光产额：北京同步辐射装置EXAFS谱分析讲习班，2011年12月7－8日，北京X射线吸收谱„物质X射线吸收机制电子产额： 原子退激的另一条通道，产 生俄歇电子 俄歇效应（Auger effect）俄歇效应:1925年法国物理学家俄歇（P.Auger）发现， 当元素原子壳层中由X射线入射或其他方式产生空穴时， 产生X射线荧光是释放能量的一种方式，但另一种方式 也可能是发射一个电子。

专题 13 纳米结构材料及其同步辐射表征

专题 13 纳米结构材料及其同步辐射表征

同步辐射在纳米结构研究中的特长
• 表面和界面研究：光电子能谱。高能量分辨率以及波长连 续可调性，表征电子结构的量子尺寸效应，勾画有序排列 的纳米阵列的能带结构。 • 原子结构研究： X 射线衍射、散射、吸收 (XAFS)。研究纳
米尺度的晶化材料，提供纳米材料空间结构、颗粒尺度、 特定原子的配位环境、化学状态及化学键等方面的信息。
The dependence of 30 keV X-ray intensity on angle between X-ray beam and diaphragm with 700nm x10 μm x5mm channel measured at Daresbury Synchrotron.
Are nanospots really possible?
一维纳米结构的特征
两个方向的结构尺寸接近10nm或更小，其形 状为纳米管或纳米线。 材料在两个方向上对电子的运动加以限制， 材料只有较低的对称性，但包含较多的电子。电 子波函数在轴向存在平移或螺旋平移对称性，因 此电子沿轴向的运动不受任何限制。而沿径向， 电子被高度限制在若干原子层内，其运动是量子 化的，因此能带结构为分裂的子带，子带间的带 隙宽度决定于材料的径向尺寸。
Heng YU, et al., Nature Materials, Vol. 2, 2003, P517.
Predictions of simple particle-in-a-box models for the size dependences of the kinetic confinement energies of electrons and holes in corresponding quantum wells, wires and dots.

X射线吸收精细结构PPT课件

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)

XAFS分析：Artemis程序教程

XAFS分析：Artemis程序教程

z 0.00000 0.00003 -1.62490 1.62496 0.00000 0.00003
* this list contains 77 atoms ipot tag distance 0.00000 0 Co 0.00000 -0.61178 2 O_1 1.97351 -0.61178 2 O_1 1.97351 -0.61178 2 O_2 1.97356 1.99153 2 O_3 1.99153 2.60331 1 Zn_1 3.20900
输入文件为EXAFS振荡函数(k)，不能加权
基本功能相当于原来 UWXAFS 软件包的 FEFFIT 程序 (by M. Newville)，加入了图像用户界面(GUI)
现在的版本也包括Atoms和FEFF6(但不包括FEFF8以后的版本)
EXAFS拟合的理论依据
单散射EXAFS基本公式
设置参数、拟合
e1 delr1 ss1 N_O
= 2.6451700 = 0.01127 = 0.0052420 = 4.1013700
+/+/+/+/-
2.5185790 0.0134250 0.0017200 0.7459820
注： R=Reff+delr1=1.985
在没有合适的晶体结构情况下(如生物、表面)，也可虚构简单的结构， 利用简单的feff计算进行拟合
12
Cu foil @ 10 K
10
Data Fit
|FT(k2(k))|
8 6 4 2 0 0 1 2 3 R (Å) 4 5 6
2. 常见的数据拟合情形：
2.1 简单的单壳层拟合：
Co掺杂的ZnO薄膜，Co的K-edge EXAFS谱

推荐-同步辐射应用及新光源发展课件 精品 精品

推荐-同步辐射应用及新光源发展课件 精品 精品

1、光电子能谱学
物体受到光源照射后所激发出来的电子称为 光电子。从这些光电子的能量及动量的分布情况， 可以了解许多物理和化学现象，这一门科学被称 为光电子能谱学（Photoelectron Spectroscopy)。 它不仅可探测固体内以及表面或界面的电子能带 结构，而且还可以探测原子与分子的电子组态以 及它们在固体表面所形成的化学结构。因此光电 子能谱学在固体物理、表面物理以及化学等方面， 如半导体物理、金属材料、磁性薄膜、化学吸附、 催化反应以及超导体等，将起着重要作用。
辐射效应 辐射损伤
x-ray
加工 光刻LIGA
CVD 激发加工
应用举例
同步辐射的应用范围之广是前所未有的， 几乎所有的现代科学领域都可以利用它进行 研究。如她在物理学、化学、生物学、材料 科学、医学、农学、微机械和电子工业等有 着广泛的应用。这里仅选其一部分内容向大 家介绍。 SR-02.AVI
同步辐射应用及新光源发展
同步辐射应用
科学的进步与人类对光的认识紧密相关。在人类 进化的漫长岁月中，光的各种奇异现象使人类认识了 自然，也发展了自己。在这认识自然的文明史中，人 的视觉器官也达到了高度的完善，并凭借着视觉器官 和光发现了自然规律和征服自然。光在人类生活中已 不可缺少，以致于在人类历史上产生了种种与光相关 的神话故事和传说，这也促使人们对光进行多方面的 科学探索和研究并加以利用。最早研究光现象的是我 们中国人。据文字记载，我国古代伟大的物理学家墨 翟（约公元前468-382年）在所著的墨经上就讲到光 沿直线行进和针孔造像原理。这比古希腊欧几里德关 于光的反射律的记载早100 多年。在以后的年代里， 对光的属性不断深入研究，发现了光的各种特性，并 利用其特性发明了各种光学仪器。人们借助于这些仪 器不断扩大了人的视觉器官的功能，深化了人类对物 质世界的认识。

同步辐射=XAFS？

同步辐射=XAFS？

同步辐射=XAFS?
同步辐射≠XAFS! ！同步辐射（SR）和X射线吸收精细结构（XAFS）是两个相关但不同的概念。

不少用户在做测试时，误认为同步辐射就是XAFS。

这里作简要介绍。

同步辐射：同步辐射是电磁辐射，通常是指接近光速的运动电子或正电子在磁场中弯转时放出的光。

最初在同步加速器上观察到，因此得名。

它覆盖从远红外到X光范围内的连续光谱，具有高强度、高准直、高极化和可精准控制的优异性能。

XAFS：XAFS是一种基于同步辐射的X射线吸收技术，通过检测透射或散射的X射线来获取样品的吸收光谱。

它可以提供原子的氧化态、化学配位以及其紧邻原子的配位数、种类、距离等信息。

图1 基于同步辐射的表征手段
可以简单理解为同步辐射是为XAFS提供光源。

基于同步辐射的XAFS测试一直都是珍贵紧俏的资源，原因之一是作为大科学装置的同步辐射光源，造价昂贵。

可以使用同步辐射光源的还有小角散射线站（SAXS）、广角略入射X射线衍射（GIWAXS）、配对分布函数（PDF）、同步辐射的XRD、高压XRD、原位拉伸压缩、X射线荧光光谱（XRF）、X射线光电子能谱（XPS）等。

下表总结了各种表征的测试内容。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

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。