Рентгеновские стоячие волны - X-ray standing waves

В рентгеновский снимок стоячая волна (XSW) метод может использоваться для исследования структуры поверхностей и границ раздела с высоким пространственным разрешением и химической селективностью. Первопроходец B.W. Баттерман в 1960-х,^[1] наличие синхротронный свет стимулировал применение этого интерферометрический метод к широкому кругу проблем науки о поверхности.^[2][3]

Основные принципы

Принцип измерения стоячей волны в рентгеновских лучах

Поле стоячей волны рентгеновского излучения (XSW) создается интерференцией между рентгеновским лучом, падающим на образец, и отраженным лучом. Отражение может возникать в Условие Брэгга для кристаллической решетки или инженерного многослойного сверхрешетка; в этих случаях период XSW равен периодичности отражающих плоскостей. Рентгеновская отражательная способность от зеркальной поверхности при малых углах падения также можно использовать для генерации длиннопериодных XSW.^[4]

Пространственная модуляция поля XSW, описываемая динамическая теория дифракции рентгеновских лучей, претерпевает заметное изменение при сканировании образца по условию 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 каждого элемента, изменяется характерным образом. Следовательно, измерение поглощения (через Рентгеновская флуоресценция или же фотоэлектрон yield) может выявить положение атомов относительно отражающих плоскостей. Поглощающие атомы можно рассматривать как «обнаруживающие» фазу XSW; таким образом, этот метод преодолевает фазовая проблема рентгеновской кристаллографии.

Для количественного анализа нормированная флуоресценция или выход фотоэлектронов ${\displaystyle Y_{p}}$ описывается ^[2][3]

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

куда ${\displaystyle R}$ отражательная способность и ${\displaystyle \nu }$ - относительная фаза мешающих лучей. Характерная форма ${\displaystyle Y_{p}}$ может использоваться для получения точной структурной информации о поверхностных атомах, потому что два параметра ${\displaystyle f_{H}}$ (когерентная фракция) и ${\displaystyle P_{H}}$ (связная позиция) напрямую связаны с Представление Фурье функции распределения атомов. Следовательно, при достаточно большом количестве измеряемых компонентов Фурье данные XSW можно использовать для установления распределения различных атомов в элементарной ячейке (формирование изображений XSW).^[6]

Характеристический выход XSW (красные линии) через ${\displaystyle \mathbf {H} =hkl}$ Условие Брэгга для поглощающего атома в позиции ${\displaystyle \mathbf {H} \cdot \mathbf {r} }$. Брэгговское отражение, рассчитанное по динамической теории дифракции, показано зеленым цветом.

Экспериментальные соображения

XSW измерения монокристалл поверхности выполняются на дифрактометр. Кристалл раскачивается через условие дифракции Брэгга, и одновременно измеряются коэффициент отражения и выход XSW. Выход XSW обычно определяется как Рентгеновская флуоресценция (XRF). Обнаружение XRF позволяет на месте измерения границ раздела между поверхностью и газовой или жидкой средой, поскольку жесткие рентгеновские лучи могут проникать через эти среды. Хотя XRF дает выход XSW для конкретного элемента, он не чувствителен к химическое состояние поглощающего атома. Чувствительность к химическому состоянию достигается с помощью фотоэлектрон обнаружение, которое требует сверхвысокий вакуум приборы.

Для измерения положения атомов на поверхности монокристалла или вблизи нее требуются подложки очень высокого качества. Собственная ширина брэгговского отражения, рассчитанная с помощью теории динамической дифракции, чрезвычайно мала (порядка 0,001 ° в обычных условиях дифракции рентгеновских лучей). Кристаллические дефекты, такие как мозаичность может существенно расширить измеряемую отражательную способность, что скрывает модуляцию выхода XSW, необходимую для определения местоположения поглощающего атома. Для дефектных подложек, таких как металлические монокристаллы, используется геометрия нормального падения или обратного отражения. В этой геометрии внутренняя ширина брэгговского отражения максимальна. Вместо того чтобы раскачивать кристалл в пространстве, энергия падающего луча регулируется с помощью условия Брэгга. Поскольку эта геометрия требует мягкого падающего рентгеновского излучения, эта геометрия обычно использует XPS-детектирование выхода XSW.

Избранные приложения

Приложения, требующие сверхвысокий вакуум условия:

• Физисорбция и хемосорбция исследования ^[2][3]
• Распространение примесей в кристаллах ^[7]
• Сверхрешетки и Квазикристалл характеристика

Применения, не требующие сверхвысокого вакуума:

• Фильмы Ленгмюра-Блоджетт
• Самособирающиеся монослои
• Модель гетерогенные катализаторы^[8]
• Скрытые интерфейсы

Смотрите также

• Список методов анализа поверхности

Рекомендации

1. Б. В. Баттерман и Г. Коул (1964). «Динамическая дифракция рентгеновских лучей на совершенных кристаллах». Обзоры современной физики. 36 (3): 681. Дои:10.1103 / RevModPhys.36.681.
2. Дж. Зегенхаген (1993). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Отчеты по науке о поверхности. 18 (7/8): 202–271. Дои:10.1016 / 0167-5729 (93) 90025-К.
3. Д. П. Вудрафф (2005). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Отчеты о достижениях физики. 68 (4): 743. Дои:10.1088 / 0034-4885 / 68/4 / R01.
4. М.Дж. Бедзык, Г.М. Боммарито, Дж. Шильдкраут (1989). «Рентгеновские стоячие волны на отражающей зеркальной поверхности». Письма с физическими проверками. 62 (12): 1376–1379. Дои:10.1103 / PhysRevLett.62.1376. PMID  10039658.
5. Дж. Алс-Нильсен и Д. МакМорроу (2001). Элементы современной рентгеновской физики. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN  978-0471498582.
6. Л. Ченг, П. Фентер, М. Дж. Бедзик и Н. Дж. Стурчио (2003). «Решение с расширением Фурье для распределения атомов в кристалле с использованием стоячих рентгеновских волн». Письма с физическими проверками. 90 (25): 255503. Дои:10.1103 / PhysRevLett.90.255503. PMID  12857143.
7. П. Хенике; и другие. (2010). «Определение профиля глубины имплантатов с ультра-мелким стыком». Аналитическая и биоаналитическая химия. 396 (8): 2825–32. Дои:10.1007 / s00216-009-3266-y. PMID  19941133.
8. З. Фэн, Ч.-Й. Ким, Дж. В. Элам, К. Ма, З. Чжан, М.Дж. Бедзик (2009). "Прямое наблюдение в атомном масштабе динамики катионов, индуцированной окислительно-восстановительным потенциалом, в однослойном катализаторе на оксидной основе: WO_Икс/ α-Fe₂О₃(0001)". Журнал Американского химического общества. 131 (51): 18200–18201. Дои:10.1021 / ja906816y. PMID  20028144.

дальнейшее чтение

Zegenhagen, Jörg; Казимиров, Александр (2013). Метод стоячей волны на рентгеновском снимке. Всемирный научный. Дои:10.1142/6666. ISBN  978-981-2779-00-7.