X선 스탠딩 파동

X선 스탠딩파(XSW) 기법은 공간 분해능과 화학적 선택성이 높은 표면과 인터페이스의 구조를 연구하는 데 사용할 수 있다.1960년대에 B.W. Batterman에 의해 개척된 ^[1]싱크로트론 빛의 가용성은 표면 과학에서 광범위한 문제에 이 간섭 기법의 적용을 자극했다.^[2]^[3]

기본 원리

X선 스탠딩파 측정 원리

X선 스탠딩파(XSW) 필드는 샘플에 임팩트하는 X선 빔과 반사 빔 사이의 간섭에 의해 생성된다.결정 격자 또는 공학적 다층 초박막의 경우 Bragg 조건에서 반사될 수 있다. 이 경우 XSW 기간은 반사 평면의 주기성과 동일하다.작은 입사각에서 거울 표면의 X선 반사율을 사용하여 장기 XSW를 생성할 수도 있다.^[4]

X선 회절의 동적 이론에 의해 기술된 XSW 필드의 공간적 변조는 샘플이 Bragg 조건을 통해 스캔될 때 현저한 변화를 겪는다.유입 빔과 반사 빔 사이의 상대 위상 변화로 인해 XSW 필드 노달 평면은 XSW 기간의 절반만큼 이동한다.^[5]이 파장 내 원자의 위치에 따라 측정된 원소 고유 X선 흡수가 특성적으로 달라진다.따라서 (X선 형광 또는 광전자 수율을 통한) 흡수 측정은 반사 평면에 상대적인 원자의 위치를 나타낼 수 있다.흡수 원자는 XSW의 위상을 "감지"하는 것으로 생각할 수 있으며, 따라서 이 방법은 X선 결정학의 위상 문제를 극복한다.

정량적 분석의 경우 표준화된 형광 또는 광전자 $Y_{p}$ Y $Y_{p}$ {\ $displaystyle Y_{p}}$ 에 의해 설명된다 $Y_{p}$ .

$Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ ( $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ ) = $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ + $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ + $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ ( $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ - $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ P $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ H ) $Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})$ {\ $displaystyle Y_{$ p}(\ $Oomega )=1+R+2C{\sqrt{R}F_{H}\cos(\nu -2\PI_{H$

여기서 $R$ $R$ 은 $R$ (는) 반사율이고 $\nu$ $\nu$ 은 $\nu$ (는) 간섭 빔의 상대 단계다. $Y_{p}$ $Y_{p}$ ${\$ 의 특성 형상은 두 $f_{H}$ f $f_{H}$ {\ $displaystyle f_{H}($ 일립 분수)와 $P_{H}$ $P_{H}$ ${\$ 일립 위치)가 a의 푸리에 표현과 직접 관련되기 때문에 표면 원자에 대한 정확한 구조 정보를 도출하는 데 사용할 수 있다 $Y_{p}$ .토믹 분포 함수따라서 충분한 수의 푸리에 성분이 측정되고 있는 상황에서 XSW 데이터를 사용하여 단위 셀(XSW 영상촬영)에서 서로 다른 원자의 분포를 설정할 수 있다.^[6]

\mathbf {H} \cdot \mathbf {r}

\mathbf {H} =hkl

=

\mathbf {H} =hkl

\mathbf {H} =hkl

\mathbf {H} =hkl

\mathbf {H

=

hkl}

위치

\mathbf {H} \cdot \mathbf {r}

\mathbf {H} \cdot \mathbf {r}

r

{\

\cdot \mathbf {r}}}}에서 흡수 원자에 대한 특성

\mathbf {H} =hkl

XSW 산출 조건. 녹색으로 표시된다

\mathbf {H} \cdot \mathbf {r}

실험 고려사항

단일 결정 표면의 XSW 측정은 확산계에서 수행된다.Bragg 회절 조건을 통해 크리스털이 흔들리며 반사율과 XSW 수율을 동시에 측정한다.XSW 수율은 보통 X선 형광(XRF)으로 검출된다. XRF 탐지는 단단한 X선이 이 매체를 관통할 수 있기 때문에 표면과 가스 또는 액체 환경 사이의 인터페이스를 현장 측정하여 가능하다.XRF는 원소 고유의 XSW 수율을 제공하지만 흡수 원자의 화학적 상태에 민감하지 않다.화학적 상태 민감도는 광전자 감지를 사용해 달성하는데, 이를 위해서는 초고진공 계측이 필요하다.

단일 결정 표면 또는 그 근처의 원자 위치 측정에는 매우 높은 결정 품질의 기판이 필요하다.역동적인 회절 이론에 의해 계산된 Bragg 반사의 내적 폭은 극히 작다(기존 X선 회절 조건에서 0.001°의 순서로).모사성과 같은 결정 결함은 측정된 반사율을 실질적으로 넓힐 수 있으며, 이는 흡수 원자의 위치 파악에 필요한 XSW 수율의 변조를 모호하게 한다.금속 단일 결정과 같이 결점이 많은 기판에는 정상-침입 또는 역반사 지오메트리가 사용된다.이 기하학에서는 Bragg 반사체의 내적 폭이 극대화된다.우주에서 크리스탈을 흔드는 대신, 입사광의 에너지가 브래그 상태를 통해 튜닝된다.이 기하학에는 부드러운 입사 X선이 필요하므로, 이 기하학에는 일반적으로 XSW 수율의 XPS 검출이 사용된다.

선택한 응용프로그램

초고진공 조건이 필요한 애플리케이션:

물리흡수 및 화학흡수 연구
결정체 내 도펜트 확산
슈퍼래티스 및 준결정 특성

초고진공 조건이 필요하지 않은 애플리케이션:

참고 항목

표면 분석 방법 목록

참조

^ B. W. Batterman and H. Cole (1964). "Dynamical Diffraction of X Rays by Perfect Crystals". Reviews of Modern Physics. 36 (3): 681. doi:10.1103/RevModPhys.36.681.
^ ^a ^b ^c J. Zegenhagen (1993). "Surface structure determination with X-ray standing waves". Surface Science Reports. 18 (7/8): 202–271. doi:10.1016/0167-5729(93)90025-K.
^ ^a ^b ^c D. P. Woodruff (2005). "Surface structure determination using x-ray standing waves". Reports on Progress in Physics. 68 (4): 743. doi:10.1088/0034-4885/68/4/R01.
^ M.J. Bedzyk, G.M. Bommarito, J.S. Schildkraut (1989). "X-ray standing waves at a reflecting mirror surface". Physical Review Letters. 62 (12): 1376–1379. doi:10.1103/PhysRevLett.62.1376. PMID 10039658.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
^ J. Als-Nielsen and D. McMorrow (2001). Elements of Modern X-ray Physics. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-0471498582.
^ L. Cheng, P. Fenter, M. J. Bedzyk, and N. J. Sturchio (2003). "Fourier-Expansion Solution of Atom Distributions in a Crystal Using X-Ray Standing Waves". Physical Review Letters. 90 (25): 255503. doi:10.1103/PhysRevLett.90.255503. PMID 12857143.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
^ P. Hoenicke; et al. (2010). "Depth profile characterization of ultra shallow junction implants". Analytical and Bioanalytical Chemistry. 396 (8): 2825–32. doi:10.1007/s00216-009-3266-y. PMID 19941133.
^ Z. Feng, C.-Y. Kim, J.W. Elam, Q. Ma, Z. Zhang, M.J. Bedzyk (2009). "Direct Atomic-Scale Observation of Redox-Induced Cation Dynamics in an Oxide-Supported Monolayer Catalyst: WO_x/α-Fe₂O₃(0001)". Journal of the American Chemical Society. 131 (51): 18200–18201. doi:10.1021/ja906816y. PMID 20028144.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)

추가 읽기

Zegenhagen, Jörg; Kazimirov, Alexander (2013). The X-Ray Standing Wave Technique. World Scientific. doi:10.1142/6666. ISBN 978-981-2779-00-7.

[batterman_1964-1] B. W. Batterman and H. Cole (1964). "Dynamical Diffraction of X Rays by Perfect Crystals". Reviews of Modern Physics. 36 (3): 681. doi:10.1103/RevModPhys.36.681.

[zegenhagen_1993-2] J. Zegenhagen (1993). "Surface structure determination with X-ray standing waves". Surface Science Reports. 18 (7/8): 202–271. doi:10.1016/0167-5729(93)90025-K.

[woodruff_2005-3] D. P. Woodruff (2005). "Surface structure determination using x-ray standing waves". Reports on Progress in Physics. 68 (4): 743. doi:10.1088/0034-4885/68/4/R01.

[4] M.J. Bedzyk, G.M. Bommarito, J.S. Schildkraut (1989). "X-ray standing waves at a reflecting mirror surface". Physical Review Letters. 62 (12): 1376–1379. doi:10.1103/PhysRevLett.62.1376. PMID 10039658.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)

[als-nielsen-5] J. Als-Nielsen and D. McMorrow (2001). Elements of Modern X-ray Physics. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-0471498582.

[6] L. Cheng, P. Fenter, M. J. Bedzyk, and N. J. Sturchio (2003). "Fourier-Expansion Solution of Atom Distributions in a Crystal Using X-Ray Standing Waves". Physical Review Letters. 90 (25): 255503. doi:10.1103/PhysRevLett.90.255503. PMID 12857143.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)

[7] P. Hoenicke; et al. (2010). "Depth profile characterization of ultra shallow junction implants". Analytical and Bioanalytical Chemistry. 396 (8): 2825–32. doi:10.1007/s00216-009-3266-y. PMID 19941133.

[8] Z. Feng, C.-Y. Kim, J.W. Elam, Q. Ma, Z. Zhang, M.J. Bedzyk (2009). "Direct Atomic-Scale Observation of Redox-Induced Cation Dynamics in an Oxide-Supported Monolayer Catalyst: WO_x/α-Fe₂O₃(0001)". Journal of the American Chemical Society. 131 (51): 18200–18201. doi:10.1021/ja906816y. PMID 20028144.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)

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