Дифракционные методы исследования.

Дифракционные методы – совокупность методов исследования атомного строения вещества, основанных на явлении интерференции и дифракции фотонов, рентгеновского, синхронного и γ-излучения, электронов или нейтронов, упруго рассеиваемых исследуемым объектом. Чаще всего в дифракционных методах исследуют зависимость интенсивности рассеянного излучения от направления, то есть функцию I(φ, ϴ).

В основе дифракционных методов лежит простое соотношение для длины волны и расстояния между рассеивающими атомами. Все они основаны на упругом рассеянии излучения, а следовательно, требуют достаточно монохроматического и коллимированного исходного пучка. В настоящее время синхротронные и нейтронные источники, характеризующиеся высокой интенсивностью и яркостью сигнала, сплошным энергетическим спектром в сочетании с эффективной и гибкой оптической системой (зеркала, монохроматоры, щели) обеспечивают достаточно монохроматические пучки рентгеновских лучей или нейтронов, позволяющие к тому же варьировать из энергию.

Далее будет представлена таблица, в которой кратко изложены характеристики дифракционных методов исследования [1].

Таблица . Характеристики дифракционных методов исследования [1].

Рентгеновская и фотоэлектронная спектроскопия.

Данный вид спектроскопии занимается изучением электронных переходов с участием остовных энергетических уровней. При взаимодействии рентгеновского излучения с атомами возможны такие процессы [1]:

• Фотоионизация – процесс поглощения рентгеновского кванта с выбиванием электрона с остовного уровня (метод РФЭС).

• Флуоресценция – переход электронов с внешних уровней на внутренние с излучением квантов рентгеновского диапазона (метод рентгеновской флуоресценции).

• Оже-процесс – безизлучательный двухэлектронный переход, в результате которого один электрон переходит на более низкий уровень, а второй покидает ядро.

Последние два процесса могут проходит только в фотоионизированных атомах, поскольку каждый из них подразумевает отсутствие электрона на одном из остовных уровней. Эти процессы могут носить каскадный характер, так как переход электрона на более глубокий подуровень сопровождается образованием дырки на более высоком энергетическом уровне. Так реализуется постепенное понижение энергии возбужденного состояния иона.

Большая энергия рентгеновских квантов может вызвать не только электронные переходы, но и переходы атомных ядер в возбужденное состояние. На основе этого эффекта реализован такой метод исследования как мессбауэровская спектроскопия [1].

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)

Рентгеновская фотоэлектронная спектоскопия (РФЭС, ЭСХА, XPS) основана на регистрации кинетической энергии остовных электронов, образующихся при поглощении атомами рентгеновского излучения с известной длиной волны. Метод основан на уравнении фотоэффекта:

E_кин = hv - E_св - φ

Где Е_кин – кинетическая энергия фотоэлектронов,

hv – энергия рентгеновского кванта, поглощаемого образцом

Е_св - энергия электронного уровня

φ - работа выхода фотоэлектрона.

В качестве источников рентгеновского излучения используют:

• Рентгеновские трубки (обычно, на основе Mg – 1486,6 или Al – 1253,6 эВ)

• Синхротронное излучение с длиной волны, определяемой настройками монохроматоров.

Чтобы разделить электроны с различной кинетической энергией используют электростатический анализатор – это специальная камера, состоящая из двух полусферических электродов радиусами R₁ и R₂ (рис. 11) с контролируемой разностью потенциалов между ними и детектора, расположенного за «щелью»[1].

Рис. 1 Электростатический анализатор для разделения электронов с разной кинетической энергией [1]

Таким образом на детектор попадают только те электроны, энергия которых равна:

где ΔU - разность потенциалов между полусферами. Электроны с энергиями, значительно отличающимися от энергии, определяемой приведенным выше соотношением, попадают на проводящий электрод и не регистрируются детектором.

Данные РФЭС представляют в виде зависимости интенсивности фотоэлектронного пуска от энергии связи электрона. Использование данного метода позволяет:

• Обнаруживать большинство элементов – от лития до урана (предел обнаружения ~ 0.1 ат. %)

• Определять концентрацию элемента в образце (точность ± 5 %).

• Определять состояние элемента по химически сдвигам, наблюдаемым в спектре, и оценить соотношение атомов элемента, находящихся в различных степенях окисления.

Значимым ограничением метода является малая длина пробега электрона в материале, что позволяет исследовать только приповерхностный слой образца. В зависимости от энергии фотоэлектрона толщина этого слоя может составлять от 0,5-2,5 нм для металлов до нескольких десятков нанометров для органических соединений и полимеров.

Возможность определения соотношения элементов, находящихся в различных состояниях в приповерхностном слое, делает этот метод уникальным для исследования тонких пленок, гетероструктур и наноструктур (двумерные массивы наночастиц, квантовые точки, квантовые нити и т.д.), а также процессов, происходящих на поверхности материалов (напр. Сорбция, окисление, гетерогенный катализ)[1].

Назад

Литература.