Электронно-орбитальная визуализация
Электронно-орбитальная визуализация - это рентгеновский синхротронный метод, используемый для получения изображений электронных (или дырочных) орбиталей в реальном космосе. Он использует метод комбинационного рассеяния рентгеновских лучей (XRS) [1] , также известный как нерезонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (NIXS) [2] , для неупругого рассеяния электронов монокристаллом . Это элементно-специфический спектроскопический метод для изучения валентных электронов переходных металлов .
Изображения волновых функций электрона широко распространены в большинстве учебников по квантовой механике . [3] [4] Однако изображения этих орбитальных форм этих электронов являются полностью математическими конструкциями. Как чисто экспериментальный метод, электронно-орбитальная визуализация позволяет решать некоторые задачи физики конденсированного состояния без использования дополнительных теоретических подходов. Теоретические подходы, хотя и необходимы, неизменно опираются на несколько основных предположений, которые варьируются в зависимости от используемого подхода. Мотивация для разработки орбитальной визуализации проистекала из желания отказаться от сложных теоретических расчетов для моделирования экспериментальных спектров .; вместо этого просто «увидеть» соответствующие занятые и незанятые электронные орбитали.
Сечение нерезонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей на порядки меньше сечения фотоэлектрического поглощения . Следовательно, необходимы синхротронные лучи высокой яркости с эффективными спектрометрами , способными охватывать большой телесный угол обнаружения. Спектрометры XRS обычно основаны на сферически изогнутых кристаллах анализатора, которые действуют как фокусирующий монохроматор после образца. Энергетическое разрешение составляет порядка 1 эВ для энергий фотонов порядка 10 кэВ.
Кратко говоря, методика измеряет плотность электронных дырок в валентной зоне в направлении вектора передачи импульса q (рис. 1), который определяется как разность импульсов между входящим q in и исходящим q out фотонами. Образец поворачивается между последующими измерениями (на некоторый угол θ ) так, чтобы вектор переданного импульса пересекал плоскость в кристалле. Поскольку дырки просто обратны заполнению электронами, можно отобразить занятые (электроны) и незанятые (дырки) орбитали в данной плоскости . На практике используются фотоны ~10 кэВ для достижения достаточно большого q(необходим для доступа к дипольным запрещенным переходам, см. ниже Теоретические основы). Рассеянные фотоны обнаруживаются при постоянной энергии, в то время как энергия падающих фотонов колеблется выше этой в диапазоне, соответствующем энергии связи соответствующего возбуждения. Например, если энергия обнаруженных фотонов составляет 10 кэВ, и представляет интерес возбуждение никеля 3 s (энергия связи 111 эВ), то падающие фотоны колеблются в диапазоне около 10,111 кэВ. Таким образом измеряется энергия, переданная образцу. Интенсивность электронного возбуждения остовного уровня (например, 3 s → 3 d ) интегрируется для различных направлений вектора передачи импульса q относительно измеряемого кристалла. Анs -орбиталь наиболее удобна для использования, потому что она сферическая, и поэтому этот метод чувствителен только к форме конечной волновой функции. Таким образом, интегральная интенсивность результирующего спектра пропорциональна плотности дырок в направлении q .
