Синхротронная радиация — это электромагнитное излучение, испускаемое
заряженными частицами (обычно электронами или позитронами), движущимися
с релятивистскими скоростями в магнитных полях. Основные характеристики
такого излучения — высокая интенсивность, широкая спектральная область
(от инфракрасного до жесткого рентгеновского диапазона), поляризация и
высокая коллимированность пучка. Эти свойства делают синхротронную
радиацию незаменимым инструментом для спектроскопии поверхностей и
интерфейсов.
Ключевые моменты:
- Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени энергии
электрона.
- Спектр излучения непрерывный, но с выраженной пиком интенсивности в
рентгеновской области для высокоэнергетических пучков.
- Поляризация излучения (линейная или круговая) позволяет выбирать
чувствительность метода к определённым свойствам материала, например к
магнитным или химическим состояниям.
Использование
синхротронного излучения в спектроскопии
Синхротронная радиация является основой нескольких методов
спектроскопии поверхностей и интерфейсов, включая:
Фотоэлектронная спектроскопия (PES, XPS, UPS) С
помощью синхротронного источника можно варьировать энергию фотонов, что
позволяет глубинно разрешать различные электронные состояния.
Преимущества:
- Высокое энергетическое разрешение (десятки мэВ для UPS, сотни мэВ
для XPS).
- Возможность изучения химических сдвигов и валентной структуры.
- Локализация изучаемой зоны с микрометровым разрешением при
использовании микро-пучков.
Синхротронное рентгеновское поглощение (XAS, NEXAFS,
EXAFS) Метод основан на измерении коэффициента поглощения
рентгеновских фотонов при возбуждении внутренних электронных уровней
атомов. Особенности:
- NEXAFS (Near Edge X-ray Absorption Fine Structure) — исследует
локальную валентную структуру.
- EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) — позволяет
определять межатомные расстояния и координацию.
- Высокая яркость синхротронного источника делает возможным изучение
тонких пленок и интерфейсов с атомарным разрешением.
Рентгеновская фотоэлектронная микроскопия
(XPEEM) Сочетает XPS и пространственное разрешение до 10–50 нм,
что позволяет исследовать локальные вариации химического состояния и
структуры на поверхности.
Преимущества
синхротронной радиации для поверхностных исследований
- Регулируемая энергия фотонов: возможность выбора
оптимальной энергии для изучения конкретного элемента или химической
связи.
- Высокая яркость и направленность: позволяет
получать спектры с высокой статистикой за короткое время.
- Поляризация: критична для изучения магнитных и
ориентированных систем.
- Возможность временных исследований: использование
пульсированного излучения синхротрон позволяет проводить
временно-разрешённые эксперименты, отслеживая динамику электронных
процессов на фемтосекундных масштабах.
Тонкие пленки и интерфейсы
Синхротронные методы особенно полезны для изучения тонких пленок и
интерфейсов, где обычные методы спектроскопии часто не обеспечивают
необходимой чувствительности.
Особенности исследования интерфейсов:
- Использование угловой зависимости фотоэлектронного выхода для
контроля глубины анализа.
- Возможность селективного возбуждения слоёв через настройку энергии
фотонов.
- Исследование химического взаимодействия на границе раздела
материалов, включая образование новых фаз или межфазных соединений.
Химическое и электронное
разрешение
Синхротронная радиация позволяет различать атомные состояния одного
элемента по химическим сдвигам:
- Химические сдвиги: небольшие изменения энергии
основного уровня (core-level) отражают изменение валентной структуры и
химической среды атома.
- Электронная структура: угловая разрешённая
фотоэлектронная спектроскопия (ARPES) предоставляет информацию о зонной
структуре и плотности состояний на поверхности и вблизи
интерфейсов.
Влияние ультратонких
структур на спектры
При изучении наноструктур, тонких пленок и молекулярных адсорбций
синхротронная радиация позволяет выявлять:
- Квантовые эффекты confinement в тонких слоях.
- Межслойное взаимодействие и модификации электронного состояния.
- Анизотропию распределения электронов на поверхности и в интерфейсных
слоях.