Рентгеновские стоячие волны

Метод стоячей рентгеновской волны (XSW) может быть использован для изучения структуры поверхностей и интерфейсов с высоким пространственным разрешением и химической селективностью. Впервые предложенный Б. В. Баттерманом в 1960-х годах, [1] доступность синхротронного света стимулировала применение этого интерферометрического метода к широкому кругу проблем в науке о поверхности. [2] [3]

Основные принципы

Принцип измерения стоячей рентгеновской волны

Поле стоячей рентгеновской волны (XSW) создается путем интерференции рентгеновского пучка, падающего на образец, и отраженного пучка. Отражение может быть получено при условии Брэгга для кристаллической решетки или спроектированной многослойной сверхрешетки ; в этих случаях период XSW равен периодичности отражающих плоскостей. Отражательная способность рентгеновских лучей от зеркальной поверхности при малых углах падения также может быть использована для создания длиннопериодных XSW. [4]

Пространственная модуляция поля XSW, описываемая динамической теорией рентгеновской дифракции , претерпевает выраженное изменение, когда образец сканируется через условие Брэгга. Из-за относительного изменения фазы между входящим и отраженным лучами узловые плоскости поля XSW смещаются на половину периода XSW. [5] В зависимости от положения атомов в этом волновом поле измеренное поглощение рентгеновских лучей, специфичное для элемента, изменяется характерным образом. Поэтому измерение поглощения (с помощью рентгеновской флуоресценции или выхода фотоэлектронов ) может выявить положение атомов относительно отражающих плоскостей. Поглощающие атомы можно рассматривать как «детектирующие» фазу XSW; таким образом, этот метод преодолевает фазовую проблему рентгеновской кристаллографии.

Для количественного анализа нормализованный выход флуоресценции или фотоэлектронов описывается формулой [2] [3] И п {\displaystyle Y_{p}}

И п ( Ω ) = 1 + Р + 2 С Р ф ЧАС потому что ⁡ ( ν − 2 π П ЧАС ) {\displaystyle Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})} ,

где — отражательная способность, а — относительная фаза интерферирующих лучей. Характерная форма может быть использована для получения точной структурной информации об атомах поверхности, поскольку два параметра (когерентная доля) и (когерентное положение) напрямую связаны с представлением Фурье функции распределения атомов. Поэтому при достаточно большом количестве измеряемых компонентов Фурье данные XSW могут быть использованы для установления распределения различных атомов в элементарной ячейке (визуализация XSW). [6] Р {\displaystyle R} ν {\displaystyle \nu} И п {\displaystyle Y_{p}} ф ЧАС {\displaystyle f_{H}} П ЧАС {\displaystyle P_{H}}

Характерный выход XSW (красные линии) через условие Брэгга для поглощающего атома в положении . Брэгговское отражение, рассчитанное с помощью динамической теории дифракции, показано зеленым цветом. ЧАС = час к л {\displaystyle \mathbf {H} =hkl} ЧАС ⋅ г {\displaystyle \mathbf {H} \cdot \mathbf {r} }

Экспериментальные соображения

Измерения XSW поверхностей монокристаллов выполняются на дифрактометре . Кристалл качается через состояние дифракции Брэгга, и одновременно измеряются отражательная способность и выход XSW. Выход XSW обычно определяется как рентгеновская флуоресценция (XRF). Детектирование XRF позволяет проводить измерения in situ интерфейсов между поверхностью и газовой или жидкой средой, поскольку жесткие рентгеновские лучи могут проникать в эти среды. Хотя XRF дает выход XSW, специфичный для элемента, он не чувствителен к химическому состоянию поглощающего атома. Чувствительность к химическому состоянию достигается с помощью фотоэлектронного обнаружения, для которого требуется сверхвысоковакуумное оборудование.

Измерения атомных положений на или вблизи поверхностей монокристаллов требуют подложек очень высокого качества кристалла. Собственная ширина отражения Брэгга, рассчитанная с помощью динамической теории дифракции, чрезвычайно мала (порядка 0,001° при обычных условиях рентгеновской дифракции). Дефекты кристалла, такие как мозаичность , могут существенно расширить измеренную отражательную способность, что скрывает модуляции в выходе XSW, необходимые для определения местоположения поглощающего атома. Для богатых дефектами подложек, таких как металлические монокристаллы, используется геометрия нормального падения или обратного отражения. В этой геометрии собственная ширина отражения Брэгга максимизируется. Вместо того, чтобы раскачивать кристалл в пространстве, энергия падающего пучка настраивается через условие Брэгга. Поскольку эта геометрия требует мягкого падающего рентгеновского излучения, эта геометрия обычно использует XPS-детектирование выхода XSW.

Избранные приложения

Области применения, требующие условий сверхвысокого вакуума :

Области применения, не требующие условий сверхвысокого вакуума:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ BW Batterman и H. Cole (1964). "Динамическая дифракция рентгеновских лучей совершенными кристаллами". Reviews of Modern Physics . 36 (3): 681. doi :10.1103/RevModPhys.36.681.
  2. ^ abc J. Zegenhagen (1993). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Surface Science Reports . 18 (7/8): 202–271. doi :10.1016/0167-5729(93)90025-K.
  3. ^ abc DP Woodruff (2005). "Определение структуры поверхности с использованием стоячих рентгеновских волн". Reports on Progress in Physics . 68 (4): 743. doi :10.1088/0034-4885/68/4/R01. S2CID  122085105.
  4. ^ MJ Bedzyk ; GM Bommarito; JS Schildkraut (1989). "Стоячие рентгеновские волны на отражающей зеркальной поверхности". Physical Review Letters . 62 (12): 1376–1379. doi :10.1103/PhysRevLett.62.1376. PMID  10039658.
  5. ^ J. Als-Nielsen и D. McMorrow (2001). Элементы современной рентгеновской физики . John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-0471498582.
  6. ^ L. Cheng, P. Fenter, MJ Bedzyk и NJ Sturchio (2003). "Решение Фурье-разложения распределений атомов в кристалле с использованием стоячих рентгеновских волн". Physical Review Letters . 90 (25): 255503. doi :10.1103/PhysRevLett.90.255503. PMID  12857143.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ P. Hoenicke; et al. (2010). «Характеристика профиля глубины имплантатов с ультрамелкими переходами». Аналитическая и биоаналитическая химия . 396 (8): 2825–32. doi :10.1007/s00216-009-3266-y. PMID  19941133. S2CID  6443446.
  8. ^ Z. Feng, C.-Y. Kim, JW Elam, Q. Ma, Z. Zhang, MJ Bedzyk (2009). "Прямое атомное наблюдение динамики катионов, вызванной окислительно-восстановительным процессом, в монослойном катализаторе на оксидном носителе: WO x /α-Fe 2 O 3 (0001)". Журнал Американского химического общества . 131 (51): 18200–18201. doi :10.1021/ja906816y. PMID  20028144.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Дальнейшее чтение

Зегенхаген, Йорг; Казимиров, Александр (2013). Метод стоячей рентгеновской волны . World Scientific . doi :10.1142/6666. ISBN 978-981-2779-00-7.

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Рентгеновские_стоячие_волны&oldid=1169096336"