XANES谱及分析基础-陈栋梁-修订编选.pdf

XANES谱 及分析基础 XANES谱 及分析基础 陈栋梁 北京同步辐射装置 中国科学院高能物理研究所 2014.11.19，武汉 陈栋梁 北京同步辐射装置 中国科学院高能物理研究所 2014.11.19，武汉 X射线吸收谱学实验和数据处理讲习班武汉2014 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 主要内容主要内容 XAFS谱、XANES谱 XANES谱基本原理 XANES谱实验技术 XANES谱分析简介 指纹效应 模拟计算 PCA分析 XANES谱分析实例 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 主要内容主要内容 XAFS谱、XANES谱 XANES谱基本原理 XANES谱实验技术 XANES谱分析简介 指纹效应 模拟计算 PCA分析 XANES谱分析实例 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XAFS谱、谱、XANES谱谱 XAFS谱谱:几个缩写名称 XAS： X-ray Absorption Spectroscopy XAFS ： X-ray Absorption Fine Structure EXAFS ：Extended X-ray Absorption Fine Structure XANES： X-ray Absorption Near Edge Structure NEXAFS ：Near Edge X-ray Absorption Fine Structure 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 EXAFS XANES XAFS谱、谱、XANES谱谱 XAFS谱谱:分类 XAFS 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XAFS谱、谱、XANES谱谱 XANES谱谱:划分 XANES:-20 +50eV(-几十eV + 几十 eV) 区域：边前（pre-edge）+边（edge）+边后（post-edge） 边前 边 边 后 EXAFS 存在一些分离 的吸收峰、肩 峰及吸收主峰。

连续的振荡 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XAFS谱、谱、XANES谱谱 XANES谱谱:划分 XANES:-20 +50eV(-几十eV + 几十 eV) 区域：边前（pre-edge）+边（edge）+边后（post-edge） 边前 边 边 后 EXAFS 重叠！ 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 主要内容主要内容 XAFS谱、XANES谱 XANES谱基本原理 XANES谱实验技术 XANES谱分析简介 指纹效应 模拟计算 PCA分析 XANES谱分析实例 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱基本原理谱基本原理 X射线吸收物理过程：出射光电子波与散射 波相互作用-对吸收系数调制 h 出射光电子 散射光电子 :, :.KLKKMK K K 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱基本原理谱基本原理 XANES谱：吸收与跃迁 Na2WO4 2H2O W的 K-, L-, L-边 XANES 谱 当原子吸收X射线光子后，某芯电子被激发，向位于较高能量的被允 许未占据轨道跃迁，乃至脱离原子的束缚，向连续空态跃迁。

边前（pre-edge）：有许多分立的峰，源于由芯电子向束缚空态跃 迁 边（edge）：电离，向连续空轨道跃迁 边后（post-edge）：散射的叠加 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱基本原理谱基本原理 XAFS谱描述 2 3 fi ik r erd r 2 3 fi rid rrkr 基于Fermi黄金规则，在外场 作用下，原子吸收X射 线光子，在初态和终态的跃迁吸收系数： 把指数项做多级展开，保留电偶极和四级项： E 四级/偶极（Zeff/2137） f i 初态决定吸收边（K，Lx，Mx等），终态是激发态 （困难的由来） 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱基本原理谱基本原理 定性判定：单原子 原子的选择定则:LS耦合，单电子近似 / // / 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱基本原理谱基本原理 连续体：多原子分子，液体，固体等凝聚态体系 简单的初态： 1s， 2s ， 2p1/2， 2p3/2 复杂的终态：原子轨道（态）的相互作用，杂化！杂化！（分子轨道和晶体场理 论，多重散射理论和能带理论等）；激发态！激发态！ 基本的跃迁： sp，K边（1s）;L边（2s） pd， L边（2p1/2）， L边（2p3/2） 单原子：对于电偶极跃迁 K 边： 初态为1s (n=1，l=0，m=0)；终态终态为p L边：初态为2s (n=2，l=0，m=0)；终态终态为p L边：初态为2p1/2(n=2，l=1，j=1/2)；终态终态为d, s L边：初态为2p3/2(n=2，l=1，j=3/2)；终态终态为d, s 定性判定：单原子/连续体 XANES谱分析的关键谱分析的关键：终态！终态！包括什么态才是可以允许跃迁 的（跃迁规则），及能够跃迁多少（态密度）。

北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱基本原理谱基本原理 1s 3d（nd）,四级 1s 连续态 1s 4p（(n+1)p） Cr:1s22s22p63s23p63d54s14p0 定性判定：凝聚态体系 试着：Cr2O3，Cr K-边XANES 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱基本原理谱基本原理 1s 3d（nd）,四级? 1s 连续态 1s 4p（(n+1)p） Cr:1s22s22p63s23p63d54s14p0 定性判定：凝聚态体系 试着：Cr2O3和Na2CrO4，Cr K-边XANES 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱基本原理谱基本原理 分析原则：分析原则： 体系：结构，吸收原子，配体等 跃迁：偶极跃迁规则，四级跃迁规则 初态：1s， 2s ， 2p1/2， 2p3/2 终态：构型，对称性，价态，极化等 XANES谱分析与结果 分析工具：分析工具： 分子轨道和晶体场理论：轨道相互作用，对称性与杂化！ 多重散射理论和能带理论：计算XANES谱和LDOS 所获信息：所获信息： 边前（pre-edge）：束缚空态，偶极和四级，对称性与杂化 边（edge）：电离阈及边移动，吸收边结构，扩展态，价态 边后（post-edge）: 多重散射共振，多电子激发，几何构型 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 主要内容主要内容 XAFS谱、XANES谱 XANES谱基本原理 XANES谱实验技术 XANES谱分析简介 指纹效应 模拟计算 PCA分析 XANES谱分析实例 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 常规常规XAFS测量测量 部分荧光产额部分荧光产额XANES（（PFYXANES；；RIXS）） XANES谱实验技术谱实验技术 0 IIx f If 样品 单色器 )( 0 IILnx I I0 i 0 IIx e 荧光 透射 全电子 同步光源 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线反常精细结构（射线反常精细结构（DAFS）） X射线衍射方法 元素选择性(不等价位点) X射线拉曼散射射线拉曼散射(XrayRamanScattering) 入射X射线激发芯电子 测量入射X射线的非弹性散射。

测量轻元素谱 电子能量损失谱电子能量损失谱(EELS) 入射电子激发芯电子 测量入射电子的非弹性散射 XANES谱实验技术谱实验技术 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱谱:实验测量 XANES:-100 +200eV，便于归一化 能量步长能量步长：要充分考虑“边前+边”的谱特征 积分时间积分时间：信噪比 XANES谱实验技术谱实验技术 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 XANES谱谱:芯空穴寿命与展宽 飞秒量级 元素Z越高，寿命越短，能量展宽越大（测不准关系） 高Z元素的XANES实验谱特征被“抹”了！ 低Z元素的“NEXAFS”很“sharp”! XANES谱实验技术谱实验技术 HR-XANES谱： RIXS，PFY-XANES， XRS CoOCokedge 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 主要内容主要内容 XAFS谱、XANES谱 XANES谱基本原理 XANES谱实验技术 XANES谱分析简介 指纹效应 模拟计算 PCA分析 XANES谱分析实例 北京同步辐射装置 Beijing Synchrotron Radiation Facility X射线吸收谱学实验 和数据分析讲习班 X射线吸收谱学实验 和数据。