표면확장 X선 흡수 미세구조

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표면 확장 X선 흡수 정밀 구조(SEXAFS)는 EXAFS 기법의 표면 민감성 등가물이다.이 기법은 입사 광자 에너지의 함수로써 오거 전자의 강도로 검출하여 시료를 싱크로트론으로부터 고강도 X선 빔에 의해 조명하고 광 흡수를 감시하는 것을 포함한다.표면 민감도는 상위 방법인 EXAFS에서와 같이 X선의 상대적 흡수를 보는 대신 오거 전자(탈출 깊이가 1~2nm)의 강도에 따라 데이터를 해석함으로써 달성된다.

광자 에너지는 표면 원자의 노심 수준 호기 시작을 위한 특성 에너지를 통해 조정된다.이렇게 생성된 코어 구멍은 높은 위치의 전자에 대한 비방사성 붕괴와 다른 전자에 대한 에너지의 전달로 채워질 수 있으며, 이는 표면에서 탈출할 수 있다(오우거 방출).따라서 광 흡수는 이러한 오거 전자를 총 광전자 수율에 직접 감지하여 모니터링할 수 있다.흡수 계수 대 입사 광자 에너지는 바깥쪽 전파 파장과 함께 백스캐터된 오거 전자의 간섭으로 인한 진동을 포함한다.이 진동의 주기는 역추적 원자의 유형과 중심 원자로부터의 거리에 따라 달라진다.따라서 이 기법은 흡착제의 원자간 거리와 이들의 조정 화학에 대한 조사를 가능하게 한다.

이 기법은 요구되지 않는 장거리 순서에서 이득을 얻는데, 이는 때때로 LEED(약 10nm)와 같은 다른 전통적인 기법에서는 한계가 되기도 한다.이 방법은 신호에서 배경도 크게 제거한다.그것은 또한 X선 광자 에너지를 그 종의 흡수 에지에 맞추기만 하면 샘플 내의 다른 종들을 탐사할 수 있기 때문에 유익하다.요아힘 스퇴르는 이 기법의 초기 발전에 큰 역할을 했다.

실험 설정

싱크로트론 방사선원

일반적으로 SEXAFS 작업은 시준, 평면화 및 정밀하게 펄스된 X선 선원을 가지고 있으며 10~10¹²¹⁴ 광자/초/mrad/mA의 플럭스를 가지고 있고 기존 선원에서 얻을 수 있는 것보다 신호 대 잡음 비를 크게 개선하므로 싱크로트론 방사선을 사용하여 수행된다.광원 X선 선원은 샘플을 비추고 있으며, 트랜스미션은 흡수 계수로 측정되고 있다.

${\displaystyle {\begin}\mu ={\frac {\ln(I)}{\ln({o}}}}},\end{aigned}}}}}}$

내가 전송된 곳이고 내가_o X-ray의 입사 강도야그런 다음 유입되는 X선 광자 에너지에 대해 플롯된다.

전자 검출기

SEXAFS에서는 전송된 X선 파장의 강도 대신 오거 수율을 계산하기 위해 전자 검출기와 고진공 챔버가 필요하다.검출기는 오거 측정의 경우처럼 에너지 분석기가 될 수도 있고, 총 또는 부분 이차 전자 수율의 경우처럼 전자 곱셈기가 될 수도 있다.에너지 분석기는 더 나은 분해능을 제공하는 반면 전자 곱셈기는 더 큰 고체 각도 허용치를 가진다.

신호 대 잡음 비

신호 대 잡음 비를 지배하는 방정식은

${\displaystyle {\frac {S}{N}={\sqrt {\frac {}{4\pi }}\epsilon _{n}\mu_{A}}}{1+{\frac {I_{b}}}}}}{\frac}}}}}}{\frc}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}{{{{{{{I_{n}}(\mu _{T}+n)}}}}}\왼쪽({\frac{\delta \mu _{A}}})I_{o}^{1/2}\오른쪽),}$

어디에

• μ는_A 흡수 계수다.
• 나는_n 전자 계수/초에서 비방사성 기여자.
• 전자_b 계수/초의 배경 기여도는 I이다.
• μ는_A SEXAFS 생성 요소에 의한 흡수량이다.
• μ는_T 모든 원소에 의한 총 흡수량이다.
• 나는_o 사건의 강도다.
• n은 감쇠 길이,
• Ω/(4π)는 검출기의 고형 각도 허용치;
• ε은_n 전자가 복사적으로 부패하지 않고 실제로 오거 전자로 방출될 확률인 비방사 수율이다.

물리학

기본 사항

원자에 의한 X선 광자의 흡수는 코어 수준 전자를 흥분시켜 코어 구멍을 발생시킨다.이것은 흥분된 원자를 중심으로 구면 전자파를 생성한다.파도는 바깥쪽으로 전파되어 인접한 원자로부터 떨어져 나가 중앙 이온화 원자 쪽으로 되돌아간다.광 흡수의 진동 구성 요소는 (1)과 같이 쌍극자 연산자_fs M을 통해 이 반사파를 초기 상태로 결합하는 것에서 비롯된다.진동의 푸리에 변환은 주변 원자의 간격과 그 화학적 환경에 대한 정보를 제공한다.이 위상 정보는 오거 방출의 전환 시간이 관심 에너지 범위의 광전자 평균 시간과 동일한 크기 순서가 되기 때문에 오거 신호의 진동으로 전달된다.따라서 흡수 에지와 특성 오거 전환의 적절한 선택으로, 입사 광자 에너지의 함수로서 특정 오거 라인의 강도 변동의 측정은 광 흡수 단면의 측정이 될 것이다.

이러한 흥분은 또한 다양한 붕괴 메커니즘을 유발한다.이것들은 복사성(불투명) 또는 비방사성(오거성 및 코스터-크로니그) 특성일 수 있다.오거 전자와 X선 방출 사이의 강도 비율은 원자 번호 Z에 따라 달라진다.오거 전자의 수율은 Z가 증가함에 따라 감소한다.

EXAFS 이론

광 흡수의 단면은 페르미의 황금률에 의해 주어지는데, 쌍극자 근사치에서는 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle P={\frac {2\pi}{\hbar }}}\sum _{f}M_{fs}^{2}\delta (E_{i}+\hbar \omega -E_{f}),}}$

${\displaystyle M_{fs}=\langle f e\mathbf {\epsilon } \cdot \mathbf {r} i\angle ,}$

여기서 초기 상태인 에너지 E를_i 가진 i는 원자핵심 및 페르미해로 구성되며, 에너지 E를_ƒ 가진 사고방사선장 fer(페르미 수준보다 더 큼)은 코어 구멍과 흥분된 전자로 구성된다.ε은 전기장의 양극화 벡터, e 전자 전하, x선 광자 에너지의 ħΩ이다.광흡수 신호는 코어 레벨의 흥분에 근접했을 때의 피크를 포함한다.그 다음에는 전자파의 해당 부분의 결합에서 발생하는 발진성 성분이 뒤따르며, 이 부품은 매체에 의해 산란될 때 중심 이온화 원자를 향해 되돌아간다. 이 원자는 쌍극자 연산자 M을_i 통해 초기 상태로 결합된다.

kR_j >> 1에 대한 단일 점멸 및 소원자 근사치를 가정하면, 여기서_j R은 중심 흥분 원자로부터 이웃의 j번째 껍질까지의 거리이고 k는 광전자파 벡터라고 가정한다.

${\displaystyle k={\frac {1}{\hbar }}{\\sqrt{[\hbar(\omega -\omega _{T})]}}}},}$

여기서 Ω은_T 흡수 에지 에너지, V는_o 교환 및 상관관계와 관련된 고체의 내부 전위로서 광흡수 단면(K-shell exitation의 경우)의 진동성 성분에 대한 다음 식을 구한다.

${\displaystyle \chi(k)=k^{-1}f(k, pi ) \sum _{j}\W_{j}+\alpha(k)\sin[2kR_{j}-2\sigma _{j}^{j}k^{2}),}}}}$

여기서 부분파상-위상-Δ를_l 갖는 부분파장에서의 원자 산란계수는 다음과 같다.

${\displaystyle f(k,\theta )=(1/k)\sum _{l=0}^{\infit }\(2l+1)[\exp (2i\delta _{l}-l}-1]P_{l}(cos \teta).}$

P_l(x)는 l번째 레전드르 다항식이고, γ은 감쇠 계수, exp(2kk_i²²)는 데비-월러 계수, 중량_j W는 j번째 쉘에 있는 원자의 수와 그 거리를 기준으로 주어진다.

${\displaystyle W_{j}={\frac {N_{j}}{R_{j}^{2}}.}$

위의 χ(k) 방정식은 EXAFS 데이터 분석에 성공적으로 적용된 분석 방법인 직접 푸리에 변환의 기초를 형성한다.

EXAFS-오거 통합

특성 WXY_α 오거 라인(여기서 W는_α α 원소의 흡수 에지 코어 레벨이며, 입사 X선 라인이 튜닝된)의 에너지를 가지고 검출기에 도달하는 전자의 수는 다음과 같이 기록할 수 있다.

${\displaystyle N_{T}=N_{W_{\alpha }XY}(\hbar \omega )+N_{B}(\hbar \omega ),}$

여기서 N_B(ħ)은 배경 신호이고 N ${\displaystyle {W{}_{}}_{}}$ ${\displaystyle {{\alpha }_{}}_{}}$ ${\displaystyle X_{}}$ ${\displaystyle {{}_{}}_{}}$(${\displaystyle \hslash }$ ${\displaystyle \Omega }$) ${\displaystyle N_{W_{\alpha }XY}(\hbar \omega$)은 우리가$$ 관심 있는 오거 신호다.

${\displaystyle N_{W_{\alpha }XY}(\hbar \omega )=(4\pi )^{-1}\psi _{W_{\alpha }XY}[1-\kappa ]\int _{\Omega }\int _{0}^{\infty }\ \rho _{\alpha }(z)\,\,P_{W_{\alpha }}(\hbar \omega ;z)\exp \left[{\frac {-z}{\lambda (W_{\alpha }XY)}}\cos \theta \right]\ dzd\Omega ,}$

깊이 z에 있는 요소를 α의 어디ψ Wα XY{\displaystyle \psi_{W_{\alpha}XY}}확률은 흥분한 원자 WαXY 오제 전환을 통해 썩게 마련이고, ρα(z)원자 농도는 WαXY 오제 전자를, λ(WαXY)은 평균 자유 행정, θ는 각도가 그 새는 오제 전자가 표면과 정상적으로 만들기.κ 나는s 원자 번호를 지시하는 광자 방출 확률.As the photoabsorption probability, ${\displaystyle P_{W_{\alpha }}(\hbar \omega ;z)}$ is the only term that is dependent on the photon energy, the oscillations in it as a function of energy would give rise to similar oscillations in the ${\displaystyle N_{W_{\alpha }XY}(\hbar \omega )$$}$.

메모들

참조

• Landman, U.; Adams, D. L. (1 July 1976). "Extended x-ray-absorption fine structure--Auger process for surface structure analysis: Theoretical considerations of a proposed experiment". Proceedings of the National Academy of Sciences. 73 (8): 2550–2553. Bibcode:1976PNAS...73.2550L. doi:10.1073/pnas.73.8.2550. ISSN 0027-8424. PMC 430685. PMID 16592339.
• Lee, P. A. (15 June 1976). "Possibility of adsorbate position determination using final-state interference effects". Physical Review B. American Physical Society (APS). 13 (12): 5261–5270. Bibcode:1976PhRvB..13.5261L. doi:10.1103/physrevb.13.5261. ISSN 0556-2805.

외부 링크

• Koningsberger, D.C (1988). X-Ray Absorption: Principles, Applications, Techniques of EXAFS, SEXAFS and XANES. Wiley InterScience. ISBN 978-0-471-87547-5.
• SEXAFS에 대한 세부 정보