využitie metodík saxs, asaxs a xanes na štúdium a charakterizáciu štruktúry látok

Využitie metodík SAXS, Využitie metodík SAXS, ASAXS a XANES na štúdium ASAXS a XANES na štúdium a charakterizáciu štruktúry a charakterizáciu štruktúry

látoklátok

RNDr. Adriana Zeleňáková, PhD.RNDr. Adriana Zeleňáková, PhD.Prírodovedecká fakulta UPJŠPrírodovedecká fakulta UPJŠ

Katedra fyziky kondenzovaných látokKatedra fyziky kondenzovaných látok

Košice, 17.12.2008

SAXS, ASAXS a XANESSAXS, ASAXS a XANES

SAXS - Small-angle X-ray scattering

XANES- X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy

ASAXS - Anomalous Small-angle X-ray scattering

XAS- Röntgenová absopčná spektroskopia- súbor metód, ktoré študujú interakciu vzoriek s XRD žiarením

Prináša unikátne informácie o chemickom a fyzikálnom stave prvkov, atómov

Pri prechode XRD žiarenia látkou dochádza k absorpcii žiarenia dII exp0

Absorpcia- dôsledok neelastických zrážok elektrónov s XRD žiarením

Synchrotrónové žiarenieSynchrotrónové žiarenie•Elektromagnetické žiarenie

•Vzniká pri interakcii urýchlených elektrónov s magnetickým

poľom

•Pokiaľ trajektória nabitej častice (e- alebo e+) sa mení

z priamočiarej na zakrivenú, častica vyžaruje fotóny. Pri

relativistických rýchlostiach sú fotóny emitované v úzkom

kuželi ktorého smer je tangenta k miestu ohybu.

•Podobné cyklotrónovému žiareniu, ale generované pri

urýchľovaní ultrarelativistických častíc pomocou MP

Synchrotrónové Synchrotrónové žiarenie- Synchrotrónžiarenie- Synchrotrón

Zdroje magnetického poľa• bending magnets

•insertion devices (undulators or wigglers)

•free electron lasers

Synchrotrónové Synchrotrónové žiarenie- Synchrotrónžiarenie- Synchrotrón

Synchrotrónové žiarenieSynchrotrónové žiarenieVo vysoko-energetickom kruhovom urýchľovači rozsah emitovaného žiarenia sa rozprestiera od infračerveného po tvrdé RTG.

Vlastnosti synchrotrónového žiarenia

1. vysoká intenzita 2. široké a spojité energetické spektrum

3. je vysoko kolimované s malou divergenciou4. je vysoko polarizované5. je emitované vo veľmi krátkych pulzoch (kratších ako nanosekunda)

Synchrotróny a fotónová Synchrotróny a fotónová fyzikafyzika

•European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble, France •Synchrotron Radiation Source, Daresbury, England •Desy, Hamburg, Germany•Elettra, Trieste, Italy •Brazilian Synchrotron Light Laboratory•Lawrence Berkeley Laboratory •Large Hadron Collider (LHC), which has been built at the European Laboratory for High Energy Physics (CERN)•

e-/e+ energia = 6 GeVImax = 100 mA (200 mA)emitancia 1.0 nm.radpočet nezávislćh undulátorov = 13dĺžky undulátorov 2 m, 5m, 20 mmaximálna intenzita žiarenia 1021 s/0.01%BWintenzita koherentného žiarenia 1011s/0.01%BW

PETRA III - Nový zdroj synchrotronného žiarenia 3. generácie


•Structural analysis of crystalline and amorphous materials •Powder diffraction analysis •Crystallography of proteins and other macromolecules • Small angle X-ray scattering •X-ray absorption spectroscopy • Tomography • in phase contrast mode •Photolithography for MEMS structures as part of the LIGA process. •High pressure studies •residual stress analysis •X-Ray Multiple Diffraction

Lineárny urýchľovač:

XFEL – Free Electron Laser Pracujúci na princípe SASE (Self Amplified Spontaneous Emission)Pozostávajúci z -radio frekvenčného foto-katódového elektr. dela-supravodivých rezonančných akcelerátorov (Nb kavít, pracujúcich pri teplotách -271oC)

-pozdĺžnych kompresorov elektrónového zväzku-undulátorov

Tunel uložený v hĺbke 6-11m ktorého celková dĺžka bude 3.3 km10 experimentálnych stanovíšťŽiarenie od 60 do 0.85 ÅIntenzita 4 rady vyžšia ako najintenzívnejšie dnešné zdroje.Doba pulzu menej ako 100fszačiatok prevádzky r. 2012predpokladané náklady 684M€

Využitie synchrotrónového Využitie synchrotrónového žiareniažiarenia

Využitie synchrotrónového Využitie synchrotrónového žiarenia-žiarenia-

charakterizácia nanomateriálov

CNT 2nm

Fullerény 1nm

DNA nanočip

Využitie synchrotrónového Využitie synchrotrónového žiareniažiarenia


Technika „malouhlového rozptylu“, ktorá využíva elastický rozptyl RTG- žiarenia na nehomogenitách vzorky v nm rozmeroch.

Realizuje sa pri veľmi malých uhloch (0.1 - 10°). Toto uhlové rozmedzie poskytuje informáciu o tvare a

veľkosti častác, makromolekúl, o charakteristickej dĺžke usporiadaných materiálov, o veľkosti pórov a iné.

SAXS podáva štruktúrne informácie o makromolekulách s rozmermi 5 - 25 nm, a o usporiadaných systémoch do veľkosti 150 nm

SAXS •Priemerná veľkosť častíc•Tvar častíc•Distribúcia veľkosti častíc•Pomer medzi povrchom a objemom



DESY-Hasylab/B1, Hamburg

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.1 0.2 0.3

(11

)

(21

)

(20)

(11)

q (A-1)

Inte

nsity

(a.

u.)

(10)

/sin4q

2

222

22 )(

3

4/1

c

lkhkh

ad hkl

(10), (11), and (20) in hexagonal p6mm

3/*2 10da

a = 121 Å = 12.1nm

HRTEM mikroskopiaHRTEM mikroskopia

Veľkosť pórov ~7 nm

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

q (A-1)

30

10

20

10

1010

1010

20

0%PAPS

30%PAPS

20%PAPS

10%PAPS

5%PAPS

3%PAPS


0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,80,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsity (

a.u

.)

q (A-1)

20

0

10

0

21

0

20

011

0

21

021

020

020

0

11

011

0

10

01

00

10

0

21

0

11

0

20

0

10

0

MCM41+30%PAP

MCM41+20%PAP

MCM41+10%PAP

MCM41+5%PAP

MCM41+3%PAP

MCM41

Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL)


•Zaoberá sa oblasťou bezprostredného okolia absorpčnej hrany

•Dáva informáciu o povrchu materiálu na základe vyhodnotenia stavu nespárených elektrónov- poskytuje informácie o oxidačnom čísle

•Pozície absorpčných hrán všetkých prvkov sú presne zmerané (v elektroneutrálnom stave)

•V reálnej vzorke opisujeme: pozíciu a tvar absorpčnej hrany, prítomnosť alebo neprítomnosť píkov pred AH, tvar spektra bezprostredne za hranou

Parametre XANES závisia: Oxidačného stavu skúmaného prvku, podstaty chemických väzieb prvku s okolím, koordinačného čísla, hybridizácie orbitálov, štiepenia orbitálov v kryštálovom poli, od viacnásobných odrazov fotoelektrónu od atómovXANES signál s vysokou intenzitou je koncentrovaný do malého rozsahu energií


Plutónium v oxidačných stavoch

XAS-spectrum for the LIII edge of Uranium in the substance Calciumuranat( CaUO4

XANES (XANES (X-ray Absorption Near Edge SpectraX-ray Absorption Near Edge Spectra WAXS (WideAngleXray Scattering) WAXS (WideAngleXray Scattering)

charakterizácia charakterizácia αα--FeFe22OO33@SBA@SBA

Fe K edge 7112 eV

Kalibrácia merania: 1st inflection points of Fe, Ni and Se foils

hklhklhklB

cos2

9.0

d~7 nm


2I

SAXS: Intenzita rozptylu je úmerná štvorcu elektrónovej hustoty

ASAXS: V blízkosti absorpčnej hrany zavisí energia rozptylu od komplexných rezonančných faktorov, ktoré ovplyvňujú intenzitu rozptylu

222 2 fffI

Rezonančné faktory f´a f´´ popisujú interakcie medzi rovnakými a nerovnakými rozptylovými elementmi

ASAXS: špecifický rozptylový kontrast získaný pri meraní v blízkostí energií absorpčnej hrany prvku


FePt Fe2O3/SiO2

ASAX spektrum:

Tvarový a štruktúrny faktor

Tvar častíc, veľkosť častíc, objem častíc

10-1

10-6

10-4

10-2

100

102

q (1/Å)

Inte

nsity

(ar

bitr

ary

units

)

využitie metodík saxs, asaxs a xanes na štúdium a charakterizáciu štruktúry látok

Documents