Рентгенівська та фотоелектронна спектроскопія Підготував Студент 5 курсу

Рентгенівська та фотоелектронна спектроскопія Підготував Студент 5 курсу кафедри фізичної хімії Рождественський Антон

Блок-схема фотоелектронного спектрометра Рис. 1. Блок-схема фотоелектронного спектрометра 1

Джерело рентгенівського випромінювання 2 Рис. 2. Будова і принцип роботи рентгенівського джерела : а – діаграма енергетичних рівнів Al , що ілюструє випромінювальний перехід електрона з заповненого рівня 2 p на вільний рівень 1 s і емісією характеристичного рентгенівського випромінювання Al. Kα ; б - спектр випромінювання рентгенівського джерела , що складається з вузької лінії характеристичного рентгенівського випромінювання на широкому фоні гальмівного рентгенівського випромінювання; в - спектр лінії Kα характеристичного рентгенівського випромінювання, розкладений на дві компоненти Al Kα 1 і Al Kα 2 , що відповідають переходам з рівня 2 р1/2 і 2 р3/2 і віддалені один від одного на ~ 0. 43 е. В , що призводить до сумарної ширини рентгенівської лінії ~ 0. 85 е. В при ширині кожної з компонент ~ 0. 5 е. В ; г - схематичне зображення подвійного анода рентгенівського джерела в розрізі

Гальмівне і характеристичне рентгенівське випромінювання Рис. 4. Схема випромінювального переходу з емісією характеристичного рентгенівського випромінювання Рис. 3. Рентгенівський емісійний спектр Al анода, який бомбардується електронами з кінетичною енергією 15 ке. В. Спектр складається з лінії характеристичного випромінювання Al Kα з енергією ~ 1. 5 ке. В і широкого спектру гальмівного випромінювання. Рис. 5. Залежність коефіцієнта поглинання алюмінієвого вікна та інтенсивності рентгенівського випромінювання лінії Mg Kα від енергії рентгенівського випромінювання 3

Табл. 1. Параметри основних джерел рентгенівського випромінювання Монохроматор Рис. 6. Схема будови рентгенівського монохроматора у вигляді кола Роуланда 4

Рис. 7. Умовна схема будови рентгенівського монохроматора з трьома колами Роуланда, яка використовується для підвищення інтенсивності монохроматичного рентгенівського випромінювання Рис. 8. Нормовані за інтенсивністю РФЕ спектри рівня Ag 3 d, отримані з використанням монохроматичного і немонохроматичного рентгенівського випромінювання. Використання монохроматора призводить до більш вузьких спектральних ліній, меншого фону і відсутності рентгенівських сателітів 5

Аналізатори Електростатичн і Магнітні аналізатори відхиляючого типу концентричний напівсферични й аналізатор типу «циліндричне дзеркало» аналізатори затримуючого поля бездисперсійн ий енергоаналізат ор 6

Концентричний напівсферичний аналізатор Рис. 9. Схема будови концентричного напівсферичного аналізатора. R радіус траєкторії руху електронів в електричному полі, створеному різницею потенціалів, що подається на зовнішній і внутрішній напівсферичні електроди з відстанню між ними ΔR (1) RE = KE/∆KE КЕ - кінетична енергія фотоелектрона, який пройшов через аналізатор; R – радіус траєкторії руху електронів; ΔR - відстань між напівсферичними електродами; Δφ - різниця потенціалів на електродах; RE - роздільна здатність аналізатора; ΔKE - мінімальна різниця кінетичної енергії електронів, лінії які ще можуть бути розділені у спектрі 7

Аналізатор типу “циліндричне дзеркало” Рис. 10. Схема будови аналізатора типу «циліндричне дзеркало» . R 1 і R 2 - радіуси внутрішнього і зовнішнього циліндричних електродів RE = 5, 56·R 1/S R 1 – радіус внутрішнього циліндра; S – ширина щілини Бездисперсійний енергоаналізатор Рис. 11. Схема будови бездисперсійного енергоаналізатора і залежність коефіцієнта відбиття фільтра низьких енергій і коефіцієнта пропускання фільтра високих енергій від кінетичної енергії електронів. Перекриття смуг відбиття і пропускання фільтрів визначають смугу пропускання аналізатора 8

Детектор електронів Рис. 12. Схематичне зображення будови канального електронного помножувача: а - прямий канальний електронний помножувач з довжиною каналу L і діаметром D; б - вигнутий канальний помножувач з прямокутним вхідним отвором; в - багатоканальний електронний помножувач 9

Метод РФЕС Рівняння фотоефекту: hν = KE + BEj + φ Рис. 13. Схематичне представлення процесів фотоіонізації (а), фотоемісії (б), рентгенівської флуоресценції (в) та оже-рекомбінації (г) Кінетична енергія оже-електрона: 10

11 Рис. 14. Залежність виходу флуоресценції і виходу оже-електронів Коболонки від атомного номера Z для легких елементів Рис. 15. Схема зміни енергії зв’язку в РФЕС для металевого зразка у контакті зі спектрометром (а) та ізольованого від контакту зі спектрометром (б): hν – квант рентгенівського випромінювання, поглинання якого супроводжується фотоіонізацією електронного рівня зразка Ek; EF – рівень Фермі зразка; Еν – рівень вакууму; φs – робота виходу зразка; φsp – робота виходу спектрометра; ВЕk – енергія зв’язку електрона на рівні Еk, яка визначається відносно рівня Фермі зразка; KE – кінетична енергія фотоелектрона, який покидає зразок; КЕ’ – кінетична енергія електрона, який реєструється енергоаналізатором.

Кінетична енергія електрона, який покидає зразок: φ – робота виходу матеріалу зразка. Кінетична енергія фотоелектрона, яка вимірюється аналізатором: φsp – робота виходу матеріалу вхідної щілини спектрометра. Енергія зв’язку електрона: Табл. 2. Рентгенівське і спектроскопічне позначення електронних рівнів 12

Рис. 16. Залежність власної ширини К- і LIII – рівнів від атомного номера Z Рис. 17. Залежність відстані між лініями у Кα – дублеті від атомного номера Z 13

Структура РФЕ-спектрів Характерні особливості оглядового спектра: 1. 2. Рис. 18. Оглядовий РФЕ спектр нікелю Параметри спектрів: 1) інтенсивність піку; 2) ширина піку на половині висоти; 3) форма піку. 14 Рис. 19. Оглядовий РФЕ-спектр свинцю і схема електронних орбіталей Pb, яка ілюструє внесок кожної орбіталі в електронний спектр Спектральний фон. Природа спектральних ліній.

Рис. 20. РФЕ – спектри спін-орбітальних дублетів остовний рівнів Co 2 p i Co 3 p металічного кобальту - відношення інтенсивностей піків у дублеті 15

Рис. 21. Схема по дослідженню спектрів РФЕС та EXAFS 16

Рентгенівська абсорбційна спектроскопія Рис. 22. Вигляд спектру РФЕС та спектру поглинання для однієї і тієї ж речовини 17

Дякую за увагу!!!