Метод стоячей волны рентгеновского излучения (XSW) может использоваться для изучения структуры поверхностей и границ раздела 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 науки о поверхности. [2] [3]
Основные принципы
Поле стоячей волны рентгеновского излучения (XSW) создается интерференцией между рентгеновским лучом, падающим на образец, и отраженным лучом. Отражение может генерироваться при условии Брэгга для кристаллической решетки или сконструированной многослойной сверхрешетки ; в этих случаях период XSW равен периодичности отражающих плоскостей. Коэффициент отражения рентгеновских лучей от поверхности зеркала при малых углах падения также можно использовать для генерации длиннопериодных XSW. [4]
Пространственная модуляция поля XSW, описываемая динамической теорией дифракции рентгеновских лучей , претерпевает заметное изменение при сканировании образца с помощью условия 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 (с помощью рентгеновской флуоресценции или выхода фотоэлектронов ) может выявить положение атомов относительно отражающих плоскостей. Поглощающие атомы можно рассматривать как «обнаруживающие» фазу XSW; таким образом, этот метод решает фазовую проблему рентгеновской кристаллографии.
Для количественного анализа нормированная флуоресценция или выход фотоэлектронов описывается [2] [3]
,
где отражательная способность и - относительная фаза мешающих лучей. Характерная форма может использоваться для получения точной структурной информации о поверхностных атомах, поскольку два параметра (когерентная фракция) и (когерентное положение) напрямую связаны с фурье-представлением 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]
Экспериментальные соображения
XSW-измерения поверхностей монокристаллов выполняются на дифрактометре . Кристалл раскачивается через условие дифракции Брэгга, и одновременно измеряются коэффициент отражения и выход XSW. Выход XSW обычно определяется как рентгеновская флуоресценция (XRF). Обнаружение РФА позволяет в точке измерения границ раздела между поверхностью и газовой или жидкой среде, так как жесткие рентгеновские лучи могут проникнуть в эти носители. Хотя XRF дает выход XSW для конкретного элемента, он не чувствителен к химическому состоянию поглощающего атома. Чувствительность к химическому состоянию достигается с помощью фотоэлектронного обнаружения, что требует сверхвысокого вакуума .
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, могут 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 собственная 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 мощности XSW.
Избранные приложения
Области применения, требующие сверхвысокого вакуума :
- Физисорбционные и хемосорбционные исследования [2] [3]
- Диффузия легирующих примесей в кристаллах [7]
- Сверхрешетки и квази-кристаллической характеристики
Области применения, не требующие сверхвысокого вакуума:
- Фильмы Ленгмюра-Блоджетт
- Самособирающиеся монослои
- Модельные гетерогенные катализаторы [8]
- Скрытые интерфейсы
Смотрите также
Рекомендации
- ^ BW Баттерман и Х. Коул (1964). «Динамическая дифракция рентгеновских лучей на совершенных кристаллах». Обзоры современной физики . 36 (3): 681. DOI : 10.1103 / RevModPhys.36.681 .
- ^ а б в Дж. Зегенхаген (1993). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Отчеты по науке о поверхности . 18 (7/8): 202–271. DOI : 10.1016 / 0167-5729 (93) 90025-K .
- ^ а б в Д. П. Вудрафф (2005). «Определение структуры поверхности с помощью стоячих рентгеновских волн». Отчеты о достижениях физики . 68 (4): 743. DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 68/4 / R01 .
- ^ MJ Bedzyk, GM Bommarito, JS Schildkraut (1989). «Рентгеновские стоячие волны на отражающей зеркальной поверхности». Письма с физическим обзором . 62 (12): 1376–1379. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.62.1376 . PMID 10039658 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Дж. Алс-Нильсен и Д. МакМорроу (2001). Элементы современной рентгеновской физики . ISBN компании John Wiley & Sons, Ltd. 978-0471498582.
- ^ 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 физическим обзором . 90 (25): 255503. DOI : 10,1103 / PhysRevLett.90.255503 . PMID 12857143 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ П. Хёнике; и другие. (2010). «Определение профиля глубины имплантатов с ультра-мелким соединением». Аналитическая и биоаналитическая химия . 396 (8): 2825–32. DOI : 10.1007 / s00216-009-3266-у . PMID 19941133 .
- ^ З. Фэн, Ч.-Й. Ким, Дж. В. Элам, К. Ма, З. Чжан, М. Дж. Бедзык (2009). «Прямое наблюдение в атомном масштабе динамики катионов, индуцированной окислительно-восстановительным процессом в однослойном катализаторе на оксидной основе: WO x / α-Fe 2 O 3 (0001)». Журнал Американского химического общества . 131 (51): 18200–18201. DOI : 10.1021 / ja906816y . PMID 20028144 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
дальнейшее чтение
Зегенхаген, Йорг; Казимиров, Александр (2013). Рентгеновский метод стоячей волны . World Scientific . DOI : 10,1142 / 6666 . ISBN 978-981-2779-00-7.