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1、 EXAFS基本原理和其在玻璃结构分析中的应用 目录 EXAFS基本原理数据分析玻璃结构分析的一个实例实验仪器及制样 Mo吸收边示意图 C D常数 X射线的吸收 吸收边 Victoreen公式 吸收边 吸收边 产生原因 当入射X光子的能量等于被照射样品某内层电子的电离能时 会被大量吸收 精细结构 XAFS X rayabsorptionfinestructure 的定义 XAFS包括EXAFS和XANES两种技术EXAFS Extendedx rayabsorptionfinestructure 是元素的X射线吸收系数在吸收边高能侧30 1000eV范围出现的振荡 XANES X rayabs
2、orptionnearedgestructure 是元素吸收边位置50eV范围内的精细结构 精细结构 吸收边附近及其广延段存在一些分立的峰或波状起伏 称精细结构 产生的物理机制 出射光电子波与背散射光电子波在吸收原子处的干涉对吸收谱的调制 干涉是由出射波与散射波的相位差引起的 与入射波的强弱 近邻原子的种类及数目N 以及吸收原子到近邻原子的距离R有关 所以 通过XAFS可得到近邻原子的信息 EXAFS 一次散射 简单 XANFS 多次散射 较复杂 区别 EXAFS优点 不依赖晶体结构 因此可用于大量的非晶态材料的研究不受其他元素的干扰 对不同的元素的原子 可由吸收边位置不同 而得以分别研究可测
3、配位原子的种类 个数 间距等浓度很低的样品 百万分之几的元素也能分析样品制备比较简单 数据收集时间短 EXAFS的理论表达式 相移 总相移 EXAFS的数据处理 1 求 E曲线 2 背景扣除 3 0拟合 4 E k转换 5 求 k 6 获得结构参数 理论计算拟合法 先拟定被研究物质的结构模型 给出结构参数 然后根据的理论公式计算相应的EXAFS谱 将理论计算与实验测定的EXAFS谱进行比较 获得结构参数 标样法 用结构已知并与待定结构相近的一种物质作为标样 通过测定试样和标样的EXAFS谱来确定未知结构 傅立叶变换滤波曲线拟合法 介于前两种方法 第一种参数太多 工作量大 不可取 常用后两种 但
4、第二种受到标样的限制 背景的扣除 其他原子的吸收 通过Victoreen公式拟合边前的吸收曲线 然后延长到吸收边以后作为本底从总吸收扣除 0的拟合与扣除 0是自由原子的吸收 一般取 曲线的中值 可通过条样函数法拟合 归一化 E K转换 权重 Z 57n 136 Z 57n 2Z 36n 3 此步可以直接拟合 但它是吸收原子外各个配位层的贡献的总和 因而拟合参数很多 计算工作量大 比较复杂 傅里叶变换 Distance 此步可进行标样法 傅里叶反变换 将F R 图的一个峰进行傅里叶反变换 回到K空间 得 曲线拟合滤波 玻璃中的应用 20GaF3 15InF3 20CdF2 15ZnF2 20Pb
5、F2 10SnF2 图4 3晶化后样品的XRD图谱 晶化前后样品以及三方相GaF3的Ga K吸收边的XAFS图谱 样品中Ga的EXAFS分析 晶化前后样品以及三方相GaF3的k3 函数图谱 晶化前后样品以及三方相GaF3的径向分布函数图谱 晶化前后玻璃样品中Ga的配位情况没有发生明显变化 样品中Zn的EXAFS分析 晶化前后样品以及四方相ZnF2的Zn K吸收边的XAFS图谱 晶化前后样品以及四方相ZnF2的k3 函数图谱 晶化前后样品以及四方相ZnF2的径向分布函数图谱 四方相ZnF2中Zn的第一配位壳层在R空间的拟合 玻璃样品中Zn的第一配位壳层在R空间的拟合 晶化后样品中Zn的第一配位壳
6、层在R空间的拟合 ZnF2晶体的第一配位壳层与理论曲线符合的很好 而晶化前后玻璃样品第一配位壳层的峰值则比理论值更偏向的低R方向 表明配位原子的分布不再符合Gaussian型 结构的无序度更大 傅立叶滤波处理后对四方相ZnF2中Zn的第一配位壳层在k空间的拟合 傅立叶滤波处理后对晶化样品中Zn的第一配位壳层在k空间的拟合 傅立叶滤波处理后对玻璃样品中Zn的第一配位壳层在k空间的拟合 S02为振幅衰减因子 R1和R2为配位半径 分别对应于第一配位壳层中的F 1和F 2 为无序因子 是热无序和结构无序共同作用的结果 EXAFS的测量方法和实验设备 EXAFS中有用的信息 只相对于吸收边高度的百分之几 因而要求有尽量强而稳定的X射线源 以得到比较高的信噪比 对能量分辨率也有相当高的要求 几种EXAFS的测量方法 直接法 透射方法 间接方法 X射线荧光或俄歇电子或二次电子 透射法 荧光法 透过率 俄歇电子或荧光产额 同步辐射X射线吸收谱实验装置 样品的制备 块状 粉末 和液体样品也可测量荧光 液体样品 用带有窗口的器皿装 金属样品 制成薄膜 粉末样品 胶带上 thanksforyourattention
