X射线吸收精细结构谱
10_X射线吸收精细结构(XAFS
10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱
10.2 XAFS理论:
吸收系数： 在吸收曲线的XAFS区域，光电子可以当作自由电子来处理， 且只有末态波函数受到近邻原子近邻原子的弹性散射使得这种 叠加出现干涉现象而导致散射的影响。末态波函数可以看成吸 收原子的出射光电子波与该波受到近邻原子的散射而成的入射 光电子波的叠加。近邻原子的弹性散射使得这种叠加出现干涉 现象而导致XAFS振荡。
图 XAFS原理示意图 (a)光电子岀射波与散射波位相相同 (b)光电子岀射波与散射波位相相反
10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱
10.1 XAFS 原理: XAFS的发展概况 图4中给出了Kr的单原子蒸汽以 及Kr吸附于石墨表面时Kr的K边 吸收谱。从图4a中可以看到，由 于Kr的蒸汽不具有近邻原子配位， 其吸收谱为单调平滑的单原子吸 收曲线，并不出现振荡结构．而 在图4b中，当Kr吸附于石墨上而 有近邻原子配位时，其吸收谱出 现了XAFS振荡现象．至此，对 XAFS现象的物理机制有了较清楚 图：Kr不同状态下的K边吸收谱 的认识。这也进一步说明了XAFS 现象是与近邻原子配位状态密切 （a） Kr单原子蒸汽的K边吸收谱 相关的。 （b）Kr吸附于石墨表面时的KrK边吸收谱
10 X射线吸收精细结构(XAFS)谱
10.1 XAFS 原理: 技术的特点 (5)XAFS的广泛性。除常规的XAFS技术(透射法和荧光法)以 外．还衍生出许多相关的XAFS技术．XAFS技术作为一种探 测原子近邻结构的手段已被广泛地应用于多学科的结构研究。 既可用以研究固态、液态、气态、熔态，又可用于研究非晶、 多晶，单晶及准晶．既可以研究稀薄样品、浓聚物质，又可 以研究表面结构．结合各种XAFS技术，原则上可以测量周期 表中各种元素，用表面XAFS技术已可以获得C、O等轻元素 的K吸收近边谱。
x射线吸收精细结构谱
x射线吸收精细结构谱X射线吸收精细结构谱（Extended X-ray absorption fine structure，EXAFS）是利用X射线吸收来研究材料的结构和成分的一种技术。
它通过测量X射线在材料表面或体内被吸收的过程中产生的能谱来获得相关信息。
在本文中，我们将详细介绍EXAFS的原理、应用和发展。
EXAFS的原理基于贝尔定律。
当X射线通过物质时，它会与物质的原子发生相互作用，即被吸收和散射。
通过测量X射线的能量，可以了解到吸收和散射的过程中发生的频率以及幅度。
这些信息可以提供关于材料的晶体结构、原子间距和化学键特性等方面的信息。
EXAFS谱通常由两个主要的特征组成：前排峰型（pre-edge peak）和振荡型（oscillation）。
前排峰型是由于在吸收边上方存在未饱和的内层电子对LDOS（local density of states）贡献所引起的。
振荡型则是由于在吸收边附近形成的几个图像电荷引起的，这些图像电荷是X射线吸收后原子周围的其他原子所形成的。
通过分析这些峰型和振荡型的强度和位置，可以确定材料的结构和成分。
EXAFS可以应用于各种材料的研究，包括金属、非金属、纳米材料、生物分子和催化剂等。
在金属材料中，EXAFS可以提供关于晶体结构和原子间距的信息，例如金属颗粒的尺寸和形状。
在非金属材料中，EXAFS可以揭示材料中特定原子的化学键性质和材料的局部环境。
在纳米材料中，EXAFS可以研究与表面吸附有关的原子位置、溶质在纳米孔隙中的位置以及纳米颗粒的晶体结构。
在生物分子研究中，EXAFS可以提供关于金属离子在蛋白质中的配位环境和催化剂活性中心的信息。
通过测量X射线在催化剂表面或体内的吸收，可以了解催化剂的表面结构、吸附态和催化反应机理。
EXAFS技术在过去几十年中得到了快速发展。
随着X射线光源的不断改进，如同步辐射和自由电子激光等，EXAFS分辨率和灵敏度得到了显著提高。
扩展x射线吸收精细结构谱仪 公告
扩展X射线吸收精细结构谱仪公告一、引言扩展X射线吸收精细结构谱仪（Extended X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy，EXAFS）是一种用于研究原子团簇、固体表面和化合物中原子核周围环境的技术。
二、仪器原理1. X射线吸收光谱的基本原理X射线吸收光谱是一种非常重要的实验方法，它主要用来研究固体表面、催化剂和催化反应所需的材料等。
在实验中，通过测量吸收到的X射线能量与入射X射线能量之间的差值，可以得到原子核附近的各种信息，如原子的配位数、原子间距等。
2. EXAFS原理EXAFS技术通过测量在X射线吸收之后的电子释放过程中的波长差异，可以获得原子核周围环境信息。
这种方法可以用于表面吸附、晶体中的杂质原子、催化剂和电子结构等方面的研究。
三、仪器应用1. 表面分析EXAFS在表面分析中有着广泛的应用。
它可以提供表面原子之间的距离、原子种类和周围环境等信息。
2. 催化剂研究EXAFS技术对催化剂的研究具有重要意义。
通过该技术可以了解催化剂中原子的配位数、原子之间的距离和催化反应的活性位点等信息。
3. 其他领域除了以上两个领域外，EXAFS还可以应用于材料科学、生物化学、地球化学等领域的研究。
四、个人观点与理解EXAFS技术作为一种表征材料结构的重要手段，对于材料科学和化学研究都具有重要的意义。
通过该技术可以了解材料中原子的环境、配位数等信息，对于材料的设计、改性和应用都有着非常重要的意义。
总结：通过本文的阐述，我们了解了扩展X射线吸收精细结构谱仪的原理和应用，并对其在材料科学领域的重要意义有了初步的了解。
希望本文内容对读者有所启发，进一步推动相关领域的研究和发展。
至此，本文对扩展X射线吸收精细结构谱仪进行了深入的剖析，希望能为读者提供一定的帮助和启发。
（以上内容仅供参考，具体操作仍需根据实际情况进行调整）五、仪器发展与应用展望随着科学技术的不断发展，扩展X射线吸收精细结构谱仪在材料科学领域的应用也将继续扩展和深化。
x射线吸收精细光谱
x射线吸收精细光谱X射线吸收精细光谱是一种用于研究材料内部结构和元素成分的重要方法。
这项技术利用X射线的吸收特性，通过测量X射线在样品中的吸收强度和能量变化来获取样品的信息。
通过分析X射线吸收精细光谱，我们可以了解材料的化学组成、晶体结构、电子态等重要信息，对于材料科学、物理学、化学等领域的研究具有重要意义。
X射线是高能电磁波，在电磁波谱中处于紫外线和伽马射线之间。
由于其能量较高，可以穿透物质并与物质相互作用。
当X射线进入材料后，会与材料中的原子发生相互作用，其中最主要的一种作用就是光电效应。
根据爱因斯坦提出的光电效应理论，当X射线的能量大于或等于材料中原子的束缚能时，X射线与原子发生相互作用，将导致电子从原子层面跃迁到更高的能级，产生吸收现象。
X射线吸收精细光谱通常使用X射线吸收光谱仪来进行测量。
典型的X射线吸收光谱仪由X射线源、样品台、能量分析器和探测器组成。
X射线源产生高能的X射线束，样品台用于放置待测样品，能量分析器用于分析X射线的能量变化，探测器用于测量吸收的X射线。
在进行实验前，我们需要选择适当的X射线源和能量分析器。
常用的X射线源包括X射线管和同步加速器。
X射线管产生的X射线能量较低，适合于低能量的吸收实验；而同步加速器可以提供高能量的X射线束，适用于高能量X射线的吸收实验。
能量分析器主要有单色器、多普勒和谱线分析仪等，不同的能量分析器适用于不同能量范围内的吸收实验。
在实验中，我们需要选择合适的样品进行测量。
一般来说，固体、液体和气体等不同形态的样品都可以进行X射线吸收光谱的研究。
对于固体样品，可以通过将其制成薄片或粉末的形式来进行测量；对于液体样品，可以制备容器来固定样品并测量；对于气体样品，则可以使用气体室或气体管道来进行测量。
在进行测量时，我们需要控制和记录X射线的强度和能量。
由于X 射线的吸收强度与能量有关，我们可以通过改变X射线的能量来探索样品的不同能级。
通过不断改变X射线的能量，我们可以绘制出X射线吸收精细光谱曲线，这条曲线可以提供丰富的信息，帮助我们了解样品的结构和成分。
X射线近边吸收精细结构谱学原理及应用
X射线近边吸收精细结构谱学原理及应用X射线近边吸收精细结构谱学（X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy, XAFS）是一种表征材料结构的非常有力的方法。
它利用X 射线与物质相互作用的特性，通过分析吸收光谱的精细结构来获取关于材料的原子结构、晶格弛豫和电子结构等信息。
XAFS可以应用于研究各种材料，包括晶体、液体和无定形材料等。
XAFS的原理可以简单概括为以下几个步骤：首先，将X射线束传输到一个样品上，并通过与样品中的原子相互作用而发生吸收。
其次，吸收的X射线经过能量选择装置分散为不同波长的光子，进入衍射晶体或能量分辨器进行探测。
最后，通过分析吸收光谱的峰位和强度变化，可以得到关于样品内部原子结构和电子结构的信息。
XAFS的应用非常广泛。
在材料科学中，XAFS可以用于研究催化剂、金属氧化物、锂离子电池等材料的表面结构和化学状态。
在环境科学中，XAFS可以用来研究土壤和水中重金属的迁移和转化过程。
在生物医学领域，XAFS可以应用于研究蛋白质结构和药物与生物大分子之间的相互作用。
此外，XAFS还可以用于研究材料的局域结构、纳米材料的形成机制以及材料的辐射损伤等方面。
XAFS的主要优势在于其对多种样品的适用性。
它不受材料的晶体结构和晶面朝向的限制，对非晶态和无定形材料的研究也非常有效。
此外，XAFS还具有高灵敏度和高空间分辨率的优势，能够提供关于样品内部微观结构的详细信息。
同时，XAFS还可以在不同的温度、压力和环境条件下进行实时测量，使得研究人员能够了解材料的动态变化。
虽然XAFS是一种强大的表征材料结构的方法，但也存在一些技术上的挑战。
由于吸收光谱中的信号通常非常微弱，需要使用高亮度的X射线源和高灵敏度的探测器进行实验。
此外，XAFS的数据分析也比较复杂，需要进行峰位拟合和模拟计算，以提取有关样品结构的信息。
综上所述，X射线近边吸收精细结构谱学是一种非常有力的表征材料结构的方法。
x射线吸收精细结构谱
x射线吸收精细结构谱X射线吸收精细结构谱是一种常见的分析技术，可以用于研究物质的化学组成和结构。
本文将介绍X射线吸收精细结构谱的基本原理、实验方法、应用领域以及一些前沿研究。
一、基本原理X射线吸收精细结构谱是通过测量物质对入射X射线的吸收和散射行为来研究其内部结构的一种方法。
在这个过程中，入射X射线与物质中的原子发生相互作用，其中主要包括光电效应、康普顿散射和荧光弛豫。
1.光电效应：当入射X射线的能量和材料中的原子能级之差一致时，X射线被材料中的电子吸收，并将电子从内层原子轨道上电离。
这一过程产生的吸收辐射谱能够提供关于物质中各个元素的信息。
2.康普顿散射：入射X射线与材料中的电子发生反向散射，这种散射过程会导致入射X射线的能量减少。
通过测量散射X射线的能量损失，可以了解物质中电子的运动和原子排列的信息。
3.荧光弛豫：当入射X射线的能量超过材料中一些原子内层电子的束缚能时，这些电子将被激发到高能级。
随后，这些高能级电子会发生弛豫过程，向下跃迁，发射出荧光X射线。
荧光X射线谱可以提供关于材料的元素的化学状态和原子环境的信息。
二、实验方法X射线吸收精细结构谱主要利用X射线吸收和散射过程产生的谱线来研究物质的结构。
常用的实验方法包括X射线吸收光谱、荧光光谱和X射线衍射。
1.X射线吸收光谱：通过测量入射X射线的吸收率随能量的变化来获得吸收光谱。
常用的仪器是X射线吸收光谱仪，包括单晶谱仪和多晶谱仪。
通过分析谱线的形状和峰位，可以了解物质中各个元素的存在形态、原子环境和配位数等信息。
2.荧光光谱：通过测量荧光X射线的能量和强度来获得荧光光谱。
常用的仪器是荧光光谱仪，包括光电倍增管和谱线计数器等。
荧光光谱可以提供关于材料中元素的存在形态、化学状态和原子环境等信息。
3.X射线衍射：通过测量物质中X射线的散射模式和散射强度来获得衍射图谱。
常用的仪器是X射线衍射仪，包括平行束X射线衍射仪和傅立叶变换X射线衍射仪等。
x射线吸收精细结构光谱
X射线吸收精细结构光谱X射线吸收精细结构（XAFS）光谱是一种强大的工具，用于研究材料中吸收X射线的原子周围的局域结构。
本文将对XAFS的基本原理、实验技术以及在材料科学和化学研究中的应用进行解析，以便更好地理解XAFS的原理和实验过程。
关键词：X射线吸收精细结构，XAFS，光谱解析，局域结构，材料科学一、引言：X射线吸收精细结构（XAFS）是一种通过测量材料对X射线的吸收特性来研究原子周围局域结构的技术。
XAFS光谱提供了关于材料中吸收X射线的原子的信息，包括它们的化学环境、半径和配位数等。
本文将对XAFS的原理、实验技术以及在材料科学和化学研究中的应用进行详细解析。
二、XAFS的基本原理：1.吸收边的结构：1.1X射线吸收：当X射线通过材料时，原子吸收X射线的能量与原子的能级结构有关。
1.2吸收边的特征：在XAFS光谱中，吸收边的位置和形状提供了关于材料中原子的信息。
2.XAFS的频谱：2.1振动结构：XAFS中的振动结构反映了吸收边的原子周围的振动信息，包括配位数和键长等。
2.2远离吸收边的振动：在吸收边之后的区域，XAFS提供了关于材料结构的更详细的信息，称为远离吸收边的振动结构。
三、XAFS的实验技术：1.吸收谱的采集：1.1吸收边扫描：通过扫描X射线能量来测量吸收边，获得吸收谱。
1.2快速扫描：利用高亮度X射线光源和快速探测器，实现快速而准确的吸收边扫描。
2.Fourier变换：2.1数据分析：使用Fourier变换技术将吸收谱转换为倒空间中原子周围结构的信号。
2.2倒空间映射：通过Fourier变换，可以获得原子间距、配位数和原子类型等信息。
四、XAFS在材料科学和化学中的应用：1.催化剂研究：1.1金属催化剂：XAFS可用于研究金属催化剂中活性位点的结构和电子状态。
1.2反应机理：通过监测反应过程中XAFS的变化，揭示催化反应的机理。
2.生物和环境科学：2.1生物大分子：XAFS可用于研究生物大分子中金属离子的结合状态。
扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱
扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱
•
10.2 XAFS理论:
• XAFS函数 • 首先，XAFS函数定义如下： µ ( E ) − µ0 ( E ) χ (E) = µ0 ( E ) • 其中 µ0(E)为单原子吸收系数；假设l0，m0是初态的角量子数和 磁量子数，在末态，出射波 lm>受到近邻原子的散射而形成入 射波 l‘m’> ，其散射振幅为Zl‘m’ ,lm，在单散射近似下，多 散射体的效应被简单地看成单散射效应的叠加，因此，XAFS函 数可以表示为： i(δ +δ ) j 2 Re P Z P e
W (ω ) =
2π if ρ ( h ω ) H int δ E f − Ei − h ω h
(
)
扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱
• 10.2 XAFS理论:
• 吸收系数： • 式中ω 为入射光子的频率; ρ(ħω) 为入射光子态密度；Ei、Ef分别为 光电子初、末态的能量，Ef=Ei＋ħω ， • 为相互作用的矩阵元。在偶极跃迁及单光子近似下，可以获得对光 子的吸收截面为 • •
χ =∑
j
l′m′,lm,l0m0
∑
l0 m0 ,l ′m′ l ′m′,lm lm,l0 m0
l′
l
∑
lm,l0 m0
Plm,l0m0
扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱
• 10.1 XAFS 原理: • XAFS的发展概况 • 但LRO理论不能解释分子气体中观察到的精细结构。为了解释分 子气体中观察到的XAFS现象，Kronig认为在分子气体中，激发原 子放射出来的光电子随即遭到近邻原子的散射，由此发展了XAFS 的短程有序理论(SRO)。1986年Peterson对用于分子气体中的 SRO理论有了进一步的发展。1941年Kostarev把 SRO理论应用 到凝聚态物质中。1952年Friedel也曾试图用原子轨道的方法来解 释 XAFS谱，但未取得成功。之后，Shiraiwa等对XAFS的SRO理 论作了进一步的完善，考虑了光电子自由程的校正．Shmidt引进 了德拜瓦纳(Debye—Waller)因子来修正热运动及结构变化的影响。 然而，由于缺乏理论和实验之间的定量比较，仍不能合理地解 释 XAFS振荡的形状。甚至到了1963年，Azaroff所给出的评论中， 仍然对XAFS的LRO理论和SRO理论莫衷一是。
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Name：WANG Jingfeng
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
XAFS：基于同步辐射光源，当X射线经过样品 时所激发的光电子被周围配位原子所散射，致使 X射线吸收强度随能量发生振荡，研究这些振荡 信号可以得到所研究体系的电子和几何局域结构。
• X射线吸收近边结构
具有未填满d壳层的四面体 和八面体的过渡金属络合 物的：
• 八面体结构的吸收谱边 前锋很弱，主峰强度高；
• 四面体配位的XANES谱 有很强的边前锋，主峰 强度不高。
八四面体配位的XANES谱中: :
主峰对归应结于1s电子向t31tu2*轨轨道道的的跃跃迁迁，; 这个峰强度相对于八面体配位的降低 两是个由边于前3t 锋2轨是道1上s电空子穴向态eg密*和度t的2g分减子少轨。道的跃迁引起的。在对称性很好的八 面在体四配面位体中结，构该中跃，迁由属于于2t2偶轨极道禁是阻由跃金迁属。的3d和4p轨道杂化而形成的。因此 但按是照，跃由迁于规八则面，体1s电对子称到性2的t2降轨低道或的者跃振迁动是激对发称使性八允面许体的对，称故性四受面到体扰结动构，的 使XA这N种ES跃谱迁在成低为能可处能存。在对很称强性的的边降前低结也构使。得t1u*轨道分裂，导致主峰的分裂。
（PtCo) ＞2.51(Co-Co)，说明the formation of Pt-Co bonds; • Pt-Pt键长in catalysts 小于that in Pt bulk，说明Pt atoms 在Co atoms 的上方。
Angew Chem Int Edit, 2016, 55, 7968-7973.
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
• X射线谱学常用数据处理以及计算软件
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
• 国内三大同步辐射实验装置
① 北京同步辐射装置； ② 国家同步辐射实验室：安徽合肥中国科技大学
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
XAFS实验方法特点
• 具有原子选择性； • 能够以亚原子分辨率提供吸收原子周围的局域结构
信息； • 所有原子对XAS都是响应的； • 对样品的状态无特殊要求，即可以是固体和溶液，
还可以是气体等；即可以是晶体，也可以是非晶等。
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
• X射线吸收近边结构
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
• 扩展X射线吸收精细结构
将振荡信号通过傅里叶变换到R空间中进行对比分析，进 而进行曲线拟合，得到吸收原子周围的可能配位结构信息， 即配位原子的种类、键长、配位数、无序度等重要参数。
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
• 扩展X射线吸收精细结构
利用变温EXAFS新方法，从原子层次揭示在晶体结构转变和电 子关联性协同作用促使VO2产生金属-绝缘体相变的微观机理。
Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 226405.
X射线吸收近边结构(X-ray Absorption Near Edge Structure， XANES):是由低能光电子在配位原子做多次散射后再回到吸收原 子与出射波发生干涉形成的，其特点是强振荡。 扩 展 X 射 线 吸 收 精 细 结 构 (Extended X-ray Absorption Fine Structure, EXAFS):是电离光电子被吸收原子周围的配位原子做单 次散射回到吸收原子与出射波发生干涉形成的，其特点是振幅不 大，似正弦波动。
indicating a negative charge-transfer from tantalum to carbon within the RGO-supported TaC.
more positively charged the Ta
lower their D-band center
Fig.3cd:Tac-RGo, Ta-C(0.221nm) Ta-Ta(0.384nm) Bulk Tac, Ta-C(0.221nm) Ta-Ta(0.379nm)
XAFS在催化领域内的应用
• 实பைடு நூலகம்3，MoS2与CNT之间的C-S键
Fig5a: with a small shift to higher energy
Fig5b:285.4 eV (C1), 291.6 eV (C3) and 288.2 eV (C2)
sulfur exists in an unsaturated form with apical S2– or bridging disulfide S22– coordination
变短的Zn-H2O键，利 于水的极化，增加它的 亲核攻击能力，从而有 利于催化反应进行.
J. Synchrotron Rad. 2008. 15, 129–133
XAFS在催化领域内的应用
• 此外，还可以用于催化剂吸附行为的研究 如：CO、甲酸盐等反应分子在Cu(100)面、羟基在Pt 表面的吸附取向和键长等信息。
C=C/graphitic sp2 bonds, C–C bonds, and Mo–S–C bonds, respectively
Nano Res, 2016, 9, 2079-2087.
XAFS在催化领域内的应用
• 实例4，Zn蛋白的催化中心结构与功能
XANES多重散射理论拟合能够给出精细 的3D局域结构信息。
XAFS在催化领域内的应用
XANES：可以确定价态、表征d-带特性、测定 配位电荷、提供包括轨道杂化、配位数和对称性等 结构信息；
EXAFS：主要包含着详细的局域原子结构信息， 其能够给出吸收原子近邻配位原子的种类、键长、 配位数和无序度因子等结构信息。
在催化领域内，主要被用于表征催化剂的几何和 电子结构。
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
随着入射光子能量的增加，总的吸收 系数在减小。
在特定的能量点，吸收系数会阶梯函 数式的急剧增加，这个能量点称为吸 收边。
吸收边之后，会出现一系列的摆动或 振荡
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
• X射线吸收近边结构
• 边前区 • 吸收边 • 近边区
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
• X射线吸收近边结构
X射线吸收精细结构谱 (X-ray Absorption Fine Structure, XAFS)
校园中； ③ 上海光源，坐落上海张江高科技园区。
the D-band charge density near the Fermi level
increases the degree of Dband filling
likely result of the negative charge-transfer
Chem Commun, 2016, 52, 8810-8813.
XAFS在催化领域内的应用
• 实例2，TaC-RGO界面
• Fig.3a: the absorption edge of 2D TaC–RGO shifts to a higher energy;
• Fig. 3b: a higher half-edge energy for 2D TaC–RGO.
XAFS在催化领域内的应用
• 实例1，Pt-Co成键
Fig.S2a 11569ev 代表 Pt-O bond， 经H2处理后，峰强与Pt foil 相接近， 说明 the catalysts are fully reduced.
Fig.S2b The EXAFS fitting results: • 2.77埃（Pt-Pt)＞ 2.63~2.56