Röntgen stående vågor

Röntgen stående vågteknik ( XSW ) kan användas för att studera strukturen hos ytor och gränssnitt med hög rumslig upplösning och kemisk selektivitet. Pionjären av BW Batterman på 1960-talet, har tillgängligheten av synkrotronljus stimulerat tillämpningen av denna interferometriska teknik på ett brett spektrum av problem inom ytvetenskap.

Grundläggande principer

Princip för röntgenmätningar av stående vågor

Ett röntgenfält för stående våg (XSW) skapas av interferens mellan en röntgenstråle som träffar ett prov och en reflekterad stråle. Reflexionen kan genereras vid Bragg-tillståndet för ett kristallgitter eller ett konstruerat flerskiktssupergitter ; i dessa fall är perioden för XSW lika med periodiciteten för de reflekterande planen. Röntgenreflektivitet från en spegelyta vid små infallsvinklar kan också användas för att generera långperiodiga XSWs.

Den rumsliga moduleringen av XSW-fältet, beskriven av den dynamiska teorin om röntgendiffraktion , genomgår en uttalad förändring när provet skannas genom Bragg-tillståndet. På grund av en relativ fasvariation mellan de inkommande och reflekterade strålarna förskjuts nodplanen för XSW-fältet med halva XSW-perioden. Beroende på atomernas position inom detta vågfält varierar den uppmätta elementspecifika absorptionen av röntgenstrålar på ett karakteristiskt sätt. Därför kan mätning av absorptionen (via röntgenfluorescens eller fotoelektronutbyte ) avslöja atomernas position i förhållande till de reflekterande planen. De absorberande atomerna kan ses som att "detektera" fasen av XSW; sålunda övervinner denna metod fasproblemet med röntgenkristallografi.

beskrivs den normaliserade fluorescensen eller fotoelektronutbytet ${\displaystyle Y_{p}} av$

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

där $R$ är reflektiviteten och $\nu$ är den relativa fasen för de störande strålarna. Den karakteristiska formen av $Y_{p}$ kan användas för att härleda exakt strukturell information om ytatomerna eftersom de två parametrarna $f_{H}$ (koherent fraktion) och $P_{H}$ (koherent position) är direkt relaterade till Fourierrepresentationen av atomfördelningsfunktionen. Därför, med ett tillräckligt stort antal Fourier-komponenter som mäts, kan XSW-data användas för att fastställa fördelningen av de olika atomerna i enhetscellen (XSW-avbildning).

Karakteristiskt XSW-utbyte (röda linjer) genom

\mathbf {H} =hkl

Bragg-villkor för en absorberande atom i position

\mathbf {H} \cdot \mathbf {r }

. Bragg-reflektionen, beräknad med dynamisk diffraktionsteori, visas i grönt.

Experimentella överväganden

XSW-mätningar av enkristallytor utförs på en diffraktometer . Kristallen vaggas genom ett Bragg-diffraktionstillstånd, och reflektiviteten och XSW-utbytet mäts samtidigt. XSW-utbyte detekteras vanligtvis som röntgenfluorescens (XRF). XRF-detektion möjliggör in situ- mätningar av gränssnitt mellan en yta och gas- eller vätskemiljöer, eftersom hårda röntgenstrålar kan penetrera dessa medier. Även om XRF ger ett elementspecifikt XSW-utbyte, är det inte känsligt för det kemiska tillståndet hos den absorberande atomen. Känslighet för kemiskt tillstånd uppnås med fotoelektrondetektion , vilket kräver instrumentering med ultrahögt vakuum .

Mätningar av atompositioner vid eller nära enkristallytor kräver substrat av mycket hög kristallkvalitet. Den inneboende bredden av en Bragg-reflektion, beräknad med dynamisk diffraktionsteori, är extremt liten (i storleksordningen 0,001° under konventionella röntgendiffraktionsförhållanden). Kristalldefekter såsom mosaicitet kan avsevärt bredda den uppmätta reflektiviteten, vilket skymmer moduleringarna i XSW-utbytet som behövs för att lokalisera den absorberande atomen. För defektrika substrat som metallenkristaller används en normalinfalls- eller bakreflektionsgeometri. I denna geometri är den inneboende bredden av Bragg-reflektionen maximerad. Istället för att gunga kristallen i rymden, ställs den infallande strålens energi in genom Bragg-tillståndet. Eftersom denna geometri kräver mjuka infallande röntgenstrålar, använder denna geometri typiskt XPS-detektering av XSW-utbytet.

Utvalda applikationer

Tillämpningar som kräver ultrahögt vakuum :

Fysisorptions- och kemisorptionsstudier _
Diffusion av dopämnen i kristaller
Supergitter och kvasikristallkarakterisering _

Tillämpningar som inte kräver ultrahöga vakuumförhållanden:

Se även

Lista över ytanalysmetoder

Vidare läsning

Zegenhagen, Jörg; Kazimirov, Alexander (2013). Röntgen stående vågteknik . World Scientific . doi : 10.1142/6666 . ISBN 978-981-2779-00-7 .