Stojące fale rentgenowskie

Technikę rentgenowskiej fali stojącej (XSW) można wykorzystać do badania struktury powierzchni i interfejsów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i selektywnością chemiczną. Dostępność światła synchrotronowego, zapoczątkowana w latach 60. przez BW Battermana, pobudziła zastosowanie tej techniki interferometrycznej do szerokiego zakresu problemów w naukach o powierzchni.

Podstawowe zasady

Zasada pomiaru rentgenowskiej fali stojącej

Pole stojącej fali rentgenowskiej (XSW) powstaje w wyniku interferencji między wiązką promieniowania rentgenowskiego padającą na próbkę a wiązką odbitą. Odbicie może być generowane w warunkach Bragga dla sieci krystalicznej lub zaprojektowanej wielowarstwowej supersieci ; w takich przypadkach okres XSW jest równy okresowości odbijających płaszczyzn. Odbicie promieniowania rentgenowskiego od powierzchni lustra przy małych kątach padania może być również wykorzystane do generowania długookresowych XSW.

Przestrzenna modulacja pola XSW, opisana przez dynamiczną teorię dyfrakcji rentgenowskiej , ulega wyraźnej zmianie, gdy próbka jest skanowana przez warunek Bragga. Ze względu na względną zmianę fazy między wiązkami przychodzącymi i odbitymi, płaszczyzny węzłowe pola XSW przesuwają się o połowę okresu XSW. W zależności od położenia atomów w tym polu falowym, mierzona specyficzna dla pierwiastków absorpcja promieniowania rentgenowskiego zmienia się w charakterystyczny sposób. Dlatego pomiar absorpcji (poprzez fluorescencję rentgenowską lub fotoelektron wydajność) może ujawnić położenie atomów względem odbijających płaszczyzn. Atomy absorbujące można uważać za „wykrywające” fazę XSW; w ten sposób ta metoda przezwycięża problem fazowy krystalografii rentgenowskiej.

Do analizy ilościowej znormalizowana wydajność fluorescencji lub fotoelektronów jest opisana przez ${\ displaystyle Y_ {p}}$

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

gdzie jest $odbicia$ i jest względną $.$ interferujących wiązek Charakterystyczny kształt można wykorzystać do uzyskania dokładnych $P_{H}}$ strukturalnych o atomach powierzchniowych, ponieważ dwa parametry $($ $f_ {H}$ ułamek) i $displaystyle$ (spójna pozycja) są bezpośrednio związane z reprezentacją Fouriera funkcji rozkładu atomowego. Dlatego przy wystarczająco dużej liczbie mierzonych składowych Fouriera dane XSW można wykorzystać do ustalenia rozmieszczenia różnych atomów w komórce elementarnej (obrazowanie XSW).

} = hkl} } }

) przez warunek dla atomu absorbującego w pozycji

{ \ Displaystyle \ mathbf {

. Odbicie Bragga, obliczone za pomocą teorii dynamicznej dyfrakcji, jest pokazane na zielono.

Rozważania eksperymentalne

Pomiary XSW powierzchni pojedynczych kryształów wykonuje się na dyfraktometrze . Kryształ jest kołysany w warunkach dyfrakcji Bragga i równocześnie mierzony jest współczynnik odbicia i wydajność XSW. Wydajność XSW jest zwykle wykrywana jako fluorescencja rentgenowska (XRF). Detekcja XRF umożliwia in situ interfejsów między powierzchnią a środowiskiem gazowym lub ciekłym, ponieważ twarde promieniowanie rentgenowskie może przenikać przez te media. Chociaż XRF daje wydajność XSW specyficzną dla pierwiastka, nie jest wrażliwa na stan chemiczny atomu pochłaniającego. Czułość stanu chemicznego uzyskuje się za pomocą fotoelektronów , która wymaga oprzyrządowania do ultrawysokiej próżni .

Pomiary pozycji atomów na lub w pobliżu powierzchni monokryształu wymagają podłoża o bardzo wysokiej jakości kryształów. Wewnętrzna szerokość odbicia Bragga, obliczona za pomocą teorii dyfrakcji dynamicznej, jest niezwykle mała (rzędu 0,001° w konwencjonalnych warunkach dyfrakcji rentgenowskiej). Defekty kryształów, takie jak mozaikowatość , mogą znacznie poszerzyć zmierzony współczynnik odbicia, co przesłania modulacje wydajności XSW potrzebne do zlokalizowania absorbującego atomu. W przypadku podłoży bogatych w defekty, takich jak monokryształy metali, stosuje się geometrię o normalnym padaniu lub odbiciu wstecznym. W tej geometrii wewnętrzna szerokość odbicia Bragga jest zmaksymalizowana. Zamiast kołysać kryształem w przestrzeni, energia padającej wiązki jest dostrajana przez warunek Bragga. Ponieważ ta geometria wymaga miękkich padających promieni rentgenowskich, ta geometria zazwyczaj wykorzystuje wykrywanie XPS wydajności XSW.

Wybrane aplikacje

Zastosowania, które wymagają warunków ultrawysokiej próżni :

Badania fizysorpcji i chemisorpcji
Dyfuzja domieszek w kryształach
Charakterystyka supersieci i quasi-kryształów

Zastosowania, które nie wymagają warunków ultrawysokiej próżni:

Zobacz też

Lista metod analizy powierzchni

Dalsza lektura

Zegenhagen, Jörg; Kazimirow, Aleksander (2013). Technika rentgenowskiej fali stojącej . Świat Naukowy . doi : 10.1142/6666 . ISBN 978-981-2779-00-7 .