x射線(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)課件

X射線(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)譜

指導(dǎo)老師：張輝10125685李世杰10125702劉世亮X射線(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)譜

指導(dǎo)老師：張輝1內(nèi)容概要1.相關(guān)知識(shí)介紹2.XAFS的原理概述3.XAFS的應(yīng)用及發(fā)展內(nèi)容概要1.相關(guān)知識(shí)介紹21.相關(guān)知識(shí)介紹1.1同步輻射1.2吸收光譜1.3吸收邊1.4傅里葉變換1.相關(guān)知識(shí)介紹1.1同步輻射31.1同步輻射原子由原子核和繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子組成核外電子按照不同的軌道運(yùn)行，遵循能量由內(nèi)到外逐次升高的原則排列。核外電子受到激發(fā)會(huì)產(chǎn)生躍遷，并釋放光子而產(chǎn)生光，x射線(xiàn)就是由原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)產(chǎn)生。電子在同步加速器中繞著磁場(chǎng)作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的電磁輻射叫同步加速器輻射，簡(jiǎn)稱(chēng)同步輻射，或叫同步光。同步輻射由電子同步加速器實(shí)現(xiàn)。1.1同步輻射原子由原子核和繞原子核高速旋轉(zhuǎn)的核外電子組成4同步輻射x射線(xiàn)的特點(diǎn)波長(zhǎng)是連續(xù)的亮度高準(zhǔn)直性好無(wú)雜質(zhì)射線(xiàn)具有時(shí)間分辨性同步輻射x射線(xiàn)的特點(diǎn)波長(zhǎng)是連續(xù)的51.2吸收光譜x射線(xiàn)被吸收的主要機(jī)制為原子的內(nèi)層電子向外層未填充的能態(tài)躍遷而吸收x光量子。當(dāng)X光量子的能量與電子躍遷的兩個(gè)能態(tài)之間的能量差相等時(shí)，相應(yīng)波長(zhǎng)的X射線(xiàn)被吸收的最大。因此，當(dāng)包含一定波段范圍的X射線(xiàn)連續(xù)譜被物質(zhì)吸收時(shí)，不同波長(zhǎng)的射線(xiàn)被吸收的大小不同，因而吸收系數(shù)亦隨波長(zhǎng)(能量)而變化，吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化形成吸收譜。1.2吸收光譜x射線(xiàn)被吸收的主要機(jī)制為原子的內(nèi)層電子向外層61.3吸收邊

人們發(fā)現(xiàn)吸收系數(shù)μ在整個(gè)波段范圍內(nèi)不是單調(diào)改變，在某些位置會(huì)出現(xiàn)吸收突躍，出現(xiàn)突躍的點(diǎn)稱(chēng)為吸收邊。不同層電子的吸收邊不同，不同元素的吸收邊系也不相同，可因此做元素分析。1.3吸收邊人們發(fā)現(xiàn)吸收系數(shù)μ在整個(gè)波段范圍內(nèi)不是單調(diào)改變71.4傅里葉變換傅里葉變換是將復(fù)雜信號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列正弦、余弦信號(hào)的信號(hào)處理方式1.4傅里葉變換傅里葉變換是將復(fù)雜信號(hào)轉(zhuǎn)換成一系列正弦、余弦82.XAFS原理及發(fā)展2.1概述2.2問(wèn)題的提出2.3對(duì)問(wèn)題的解釋2.4現(xiàn)象的應(yīng)用2.5數(shù)據(jù)的處理2.6XAFS與XAS的比較2.XAFS原理及發(fā)展2.1概述92.1概述所謂x射線(xiàn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(x—rayAbsorptionFineStructure，XAFS)就是指由吸收邊兩側(cè)的波動(dòng)構(gòu)成的，由吸收原子周?chē)慕探Y(jié)構(gòu)決定的，提供的是小范圍原子簇的結(jié)構(gòu)和幾何信息。2.1概述所謂x射線(xiàn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(x—rayAbsorpt102.2問(wèn)題的提出早在19世紀(jì)初，人們就發(fā)現(xiàn)吸收光譜并不像左圖（上）所示那樣簡(jiǎn)單，在吸收邊附近激起高能廣延段存在著一些分立的波起伏，這些起伏稱(chēng)為精細(xì)結(jié)構(gòu)，如左圖（下）所示。2.2問(wèn)題的提出早在19世紀(jì)初，人們就發(fā)現(xiàn)吸收光譜并不像左圖112.3對(duì)問(wèn)題的解釋兩種理論長(zhǎng)程有序理論（LRO)短程有序（SRO）2.3對(duì)問(wèn)題的解釋兩種理論長(zhǎng)程有序理論（LRO)短程有序（S122.3對(duì)問(wèn)題的解釋原子（藍(lán)色）吸收x射線(xiàn)后以光波的形式發(fā)出光電子。吸收x射線(xiàn)的原子（藍(lán)色）發(fā)出的波與周?chē)樱t色、綠色）發(fā)出的波疊加。疊加的波發(fā)生干涉，隨著x射線(xiàn)能量的改變產(chǎn)生強(qiáng)度的累積或抵消就形成了震蕩波。2.3對(duì)問(wèn)題的解釋原子（藍(lán)色）吸收x射線(xiàn)后以光波的形式發(fā)出光132.3現(xiàn)象的應(yīng)用不同的原子結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的震蕩波是不同的對(duì)震蕩波進(jìn)行分析，就能夠得到吸收原子與周?chē)又g的距離、這些原子的數(shù)量、類(lèi)型以及吸收原子的氧化狀態(tài)等信息。分析的工具是傅里葉變換。2.3現(xiàn)象的應(yīng)用不同的原子結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的震蕩波是不同的142.4現(xiàn)象的應(yīng)用XAFS通常又被分為兩個(gè)區(qū)域：XANES和EXAFSXANES指吸收邊30eV以?xún)?nèi)的近邊結(jié)構(gòu)譜EXAFS指30eV以外的擴(kuò)展x射線(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)譜目前主要應(yīng)用EXAFS2.4現(xiàn)象的應(yīng)用XAFS通常又被分為兩個(gè)區(qū)域：XANES和E152.5數(shù)據(jù)的處理第一步：據(jù)公式：2.5數(shù)據(jù)的處理第一步：據(jù)公式：162.5數(shù)據(jù)的處理第二步：通過(guò)如下方程，將能量譜轉(zhuǎn)化為波數(shù)譜.2.5數(shù)據(jù)的處理第二步：通過(guò)如下方程，將能量譜轉(zhuǎn)化為波數(shù)譜.172.5數(shù)據(jù)的處理第三步：通過(guò)傅里葉變換將k空間變換為R空間如圖所示，變換公式如下：2.5數(shù)據(jù)的處理第三步：通過(guò)傅里葉變換將k空間變換為R空間如182.6XAFS與XAS的比較對(duì)樣品的要求：XAFS相對(duì)于X衍射來(lái)說(shuō)對(duì)樣品的要求較小，不必一定是晶體，可以是非晶體，可以是固體，也可以是液體甚至氣體，可以是單一物相，也可以是混合物。探測(cè)的廣度：與X衍射僅能分析晶體的成分不同，XAFS能夠?qū)ξ镔|(zhì)內(nèi)部原子量級(jí)的配位環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于了解物質(zhì)尤其是非長(zhǎng)程有序的非晶體物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)是有力的分析工具。2.6XAFS與XAS的比較對(duì)樣品的要求：XAFS相對(duì)于X193XAFS的應(yīng)用3.1概述3.2在物理學(xué)研究中的應(yīng)用3.3在化學(xué)研究中的應(yīng)用3.4在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用3.5在材料科學(xué)中的應(yīng)用3XAFS的應(yīng)用3.1概述203.1概述XAFS(x—rayabsorptionfineStructure，X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu))技術(shù)是同步輻射應(yīng)用的最重要領(lǐng)域之一，XAFS現(xiàn)象只決定于短程序的相互作用，不需要樣品具有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，并且元素的x射線(xiàn)吸收具有元素特征，可以通過(guò)調(diào)節(jié)x射線(xiàn)的能量，對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)的復(fù)雜體系中各種元素的原子周?chē)h(huán)境分別進(jìn)行研究，給出吸收原子鄰近配位原子的種類(lèi)、距離、配位數(shù)和無(wú)序度因子等結(jié)構(gòu)信息，在物理化學(xué)、材料和生命科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用并解決許多重要問(wèn)題．特別是同步輻射光源的使用，使XAFS得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。3.1概述XAFS(x—rayabsorptionfin213.1概述3.1概述22同步輻射XAFS裝置同步輻射XAFS裝置233.2XAFS在物理研究中的應(yīng)用右圖為在北京同步輻射XAFS站利用熒光XAFS探測(cè)方法測(cè)量在sio2村底上外延生長(zhǎng)l0nm和105nmPt薄膜的熒光EXAFS譜圖中表明,10nm和105nm厚的Pt薄膜的L『吸收邊的熒光EXAFS譜的EXAFS振蕩峰形狀基本相似，只是10nmPt樣品的信噪比略低．結(jié)果表明，在很薄的PI膜中，n原子的近鄰配位環(huán)境結(jié)構(gòu)與金屬Pt的相近．3.2XAFS在物理研究中的應(yīng)用右圖為在北京同步輻射XAF243.3XAFS在化學(xué)研究中的應(yīng)用右圖為化學(xué)還原法制備的NiB和NiP超細(xì)非晶態(tài)臺(tái)金催化劑在不同退火溫度處理后的徑向結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線(xiàn)。3.3XAFS在化學(xué)研究中的應(yīng)用右圖為化學(xué)還原法制備的NiB253.4XA