X射线吸收精细结构谱（XAFS）.ppt

XAFS基础 前言 对于XAFS的本质，是20世纪70年代才建立了正确的认识，形成了理论公式及结构参数的解析方法。高强度同步辐射光源的发展使XAFS方法发展成为一种实用的物质结构的分析方法； XAFS方法可以提供配位距离，配位数，近邻原子种类等吸收原子的近邻几何结构信息以及吸收原子的氧化态及配位化学（例如四面体，八面体的配位）等信息； XAFS方法对样品的形态要求不高，可用样品广泛，以上特点使XAFS方法备受重视，发展迅速； 广泛应用于生物、环境、催化、材料、物理、化学、地学等学科领域。 §1 XAFS理论基础 测量误差与采样总光子计数： XAFS要求测量误差小于10-3。不准确的μ(E)可能会对XAFS造成不良影响，甚至彻底破坏精细结构。由于现代电子技术的发展，放大器的测量精度可达10－11 A，而XAFS信号一般在10－6 A至10－9 A之间，因而电子学系统的噪声可以忽略不计。同步辐射XAFS信号噪声重要来源之一是统计涨落引起的噪声。设某次采样光强为I，采样时间为t，则该次采样总光子计数为 N＝I·t，该次测量相对误差为： 当确定了测量相对误差要求后，即可得到每次采样总光子计数的值。（对XAFS测量，一个数据点的采样总光子计数应高于106 ）。 对相同的采样时间，光强越强相对误差越小；而对相同的光强，采样时间越长相对误差越小。 信号背底比S/B： 透射XAFS谱是由待测元素的XAFS信号及样品中其他元素贡献的吸收背底信号叠加构成。两者的比例构成了信号背底比S/B。 样品信号S/B小则使得XAFS信号幅度与吸收背底信号的涨落误差范围接近，导致XAFS实验数据的信噪比变差。 透射模式： 方法简单，当样品中待测元素含量高，XAFS信号就强，S/B值大，则采集的XAFS的实验原始谱就有高信噪比，谱的质量就好。反之，对于痕量元素， S/B值小，谱的质量就差。透射方法适用于待测元素含量高于10％的样品。 荧光模式： 荧光探测器接收到的X射线既包含与感兴趣元素对应的荧光谱线，又包含样品中其他元素对应的荧光谱线，以及以弹性和非弹性（Compton）散射X射线。如图2.1-2所示。其中感兴趣元素的荧光谱线提供了XAFS信号If, 而其他元素的荧光以及弹性和非弹性散射则构成背底信号 。背底信号与荧光谱线在能量轴上是分开的。荧光探测模式的优势正是基于这一特点，通过物理或电子学手段，抑制背底信号部分，提高待测元素荧光信号的比例，即提高信号背底比S/B，从而提高了信噪比。这种模式对于荧光谱图中散射峰和其他元素的荧光谱线占主导地位情况具有显著效果。 1W1B光束线是北京同步辐射实验室（BSRF）一条为XAFS实验优化设计的束线 由储存环中7周期永磁WIGGLER 1W1引出。 束线结构：准直镜＋双晶单色器＋水平和垂直聚焦超环面镜 准直镜用以改善出射光的垂直发散度并增加系统可接收的垂直发散角，使光通量及能量分辨率同时得到提高；此外准直镜还能去除白光谱中的高能部分，从而有效抑制单色光中的高次谐波分量；双晶单色器采用了T机构联动结构进行单色化；超环面镜水平和垂直聚焦最后由到样品处。 1W1B光束线主要指标如下： 光学系统最大接收角（HxV）：1.1 x 0.12 mrad2 可供实验的能量范围: 4 — 25 keV 能量分辨率: 1-3 × 10-4 @ 9 keV 样品处光通量: 2×1012p/s/0.1%BW @ 9 keV; Isr = 100 mA 样品处光斑尺寸: 0.9(H) × 0.3(V) mm2 7． 从公式 可知 是由不同Rj处各配位层散射波的共同调制叠加形成的，因而EXAFS信号不仅是波矢量K的函数，也是R的函数。这种 －R图表征的函数称为径向结构函数。傅立叶变换法具有频谱分析的功能，可以将 从频域变换到空域 ，从而提供了单独研究各壳层信息的可能。 由于信号是有限的，因此需用窗口傅立叶变换。变换中乘以一个窗函数ω(k)，以抑制傅立叶变换带来边瓣效应。 为复函数，具有实部，虚部及模量。图a为径向结构函数的模量,图b显示的模量及实部。 其两个主峰分别表征了FeO的Fe－O及Fe－Ee配位层。我们知道FeO中Fe－O距离为2.14?，但是图中第一峰位于1.6 ?，这种峰位移动是由相移引起，典型的相移量为-0.5?。 如上所述，径向结构函数各主峰分别表征了FeO的不同配位层，也就是说，各配位层的结构信息是分离的，因而可以通过拟合各别峰的方法求得对应配位层Rj的结构参数。 8． 也可进一步将径向结构函数感兴趣的一个主峰用一个