La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) es una técnica ampliamente utilizada para determinar la estructura geométrica y / o electrónica local de la materia. [1] El experimento generalmente se realiza en instalaciones de radiación de sincrotrón , que proporcionan haces de rayos X intensos y sintonizables . Las muestras pueden estar en fase gaseosa, soluciones o sólidos. [2]
Fondo
Los datos XAS se obtienen ajustando la energía de los fotones , [3] utilizando un monocromador cristalino, a un rango en el que los electrones del núcleo pueden excitarse (0,1-100 keV). Los bordes se nombran, en parte, por el electrón del núcleo que se excita: los números cuánticos principales n = 1, 2 y 3, corresponden a los bordes K, L y M, respectivamente. [4] Por ejemplo, la excitación de un electrón 1s ocurre en el borde K , mientras que la excitación de un electrón 2s o 2p ocurre en un borde L (Figura 1).
Hay tres regiones principales que se encuentran en un espectro generado por datos XAS que luego se consideran técnicas espectroscópicas separadas (Figura 2):
- El umbral de absorción determinado por la transición a los estados desocupados más bajos:
- los estados en el nivel de Fermi en metales que dan un "borde ascendente" con una forma de arco tangente ;
- los excitones del núcleo ligado en aisladores con forma de línea Lorentziana (ocurren en una región anterior al borde a energías más bajas que las transiciones al nivel desocupado más bajo);
- La estructura de absorción de rayos X cercana al borde ( XANES ) introducida en 1980 y posteriormente en 1983, también llamada NEXAFS (estructura fina de absorción de rayos X de borde cercano) que está dominada por transiciones del núcleo a estados cuasi ligados (resonancias de dispersión múltiple) para fotoelectrones con energía cinética en el rango de 10 a 150 eV por encima del potencial químico, llamados "resonancias de forma" en los espectros moleculares, ya que se deben a estados finales de corta vida útil degenerados con el continuo con la forma de línea de Fano. En este rango son relevantes las excitaciones de múltiples electrones y los estados finales de muchos cuerpos en sistemas fuertemente correlacionados;
- En el rango de alta energía cinética del fotoelectrón, la sección transversal de dispersión con los átomos vecinos es débil, y los espectros de absorción están dominados por EXAFS (Estructura fina de absorción de rayos X extendida), donde la dispersión del fotoelectrón expulsado de los átomos vecinos puede aproximarse mediante eventos de dispersión únicos. En 1985, se demostró que la teoría de la dispersión múltiple se puede utilizar para interpretar tanto XANES como EXAFS ; por lo tanto, el análisis experimental que se centra en ambas regiones ahora se denomina XAFS .
XAS es un tipo de espectroscopía de absorción de un estado inicial del núcleo con una simetría bien definida; por lo tanto, las reglas de selección de la mecánica cuántica seleccionan la simetría de los estados finales en el continuo, que generalmente son una mezcla de múltiples componentes. Las características más intensas se deben a las transiciones permitidas por dipolos eléctricos (es decir, Δℓ = ± 1) a estados finales desocupados. Por ejemplo, las características más intensas de un borde K se deben a las transiciones del núcleo desde los estados finales 1s → p-like, mientras que las características más intensas del borde L 3 se deben a los estados finales 2p → d-like.
Metodología XAS se puede dividir en cuatro categorías experimentales que pueden dar resultados complementarios el uno al otro: de metal de borde K , de metal L-borde , ligando de borde K , y EXAFS.
El medio más obvio de mapear muestras heterogéneas más allá del contraste de absorción de rayos X es a través del análisis elemental por fluorescencia de rayos X, similar a los métodos EDX en microscopía electrónica. [5]
Aplicaciones
XAS es una técnica utilizada en diferentes campos científicos, incluida la física de materia molecular y condensada , [6] [7] [8] ciencia e ingeniería de materiales , química , ciencias de la tierra y biología . En particular, su sensibilidad única a la estructura local, en comparación con la difracción de rayos X , se ha aprovechado para estudiar:
- Sólidos amorfos y sistemas líquidos
- Soluciones sólidas
- Materiales de dopaje e implantación de iones para electrónica
- Distorsiones locales de celosías cristalinas.
- Compuestos organometálicos
- Metaloproteínas
- Racimos de metal
- Catálisis
- Dinámica vibratoria [ cita requerida ]
- Iones en soluciones
- Especiación de elementos
- Agua líquida y soluciones acuosas.
- Se utiliza para detectar fracturas óseas.
- Se utiliza para determinar la concentración de cualquier líquido en cualquier tanque.
Ver también
- Absorción de rayos X cerca de la estructura del borde (XANES)
- Espectroscopia de emisión de rayos X
Referencias
- ^ "Introducción a la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS)" , Espectroscopia de absorción de rayos X para las ciencias químicas y de materiales , Chichester, Reino Unido: John Wiley & Sons, Ltd, págs. 1-8, 2017-11-24, doi : 10.1002 / 9781118676165.ch1 , ISBN 978-1-118-67616-5, consultado el 28 de septiembre de 2020
- ^ Yano J, Yachandra VK (4 de agosto de 2009). "Espectroscopia de absorción de rayos X" . Investigación de la fotosíntesis . 102 (2–3): 241–54. doi : 10.1007 / s11120-009-9473-8 . PMC 2777224 . PMID 19653117 .
- ^ Popmintchev, Dimitar; Galloway, Benjamin R .; Chen, Ming-Chang; Dólar, Franklin; Mancuso, Christopher A .; Hankla, Amelia; Miaja-Avila, Luis; O'Neil, Galen; Shaw, Justin M .; Fan, Guangyu; Ališauskas, Skirmantas (1 de marzo de 2018). "Espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X de borde extendido y cercano utilizando supercontinua armónica de orden superior coherente ultrarrápida" . Cartas de revisión física . 120 (9): 093002. doi : 10.1103 / physrevlett.120.093002 . ISSN 0031-9007 . PMID 29547333 .
- ^ Kelly SD, Hesterberg D, Ravel B (2015). "Análisis de suelos y minerales mediante espectroscopia de absorción de rayos X" . Métodos de análisis de suelos Parte 5 — Métodos mineralógicos . Serie de libros SSSA. John Wiley & Sons, Ltd. págs. 387–463. doi : 10.2136 / sssabookser5.5.c14 . ISBN 978-0-89118-857-5. Consultado el 24 de septiembre de 2020 .
- ^ Evans, John (23 de noviembre de 2017). Espectroscopía de absorción de rayos X para las ciencias químicas y de los materiales (Primera ed.). Hoboken, Nueva Jersey. ISBN 978-1-118-67617-2. OCLC 989811256 .
- ^ Tangcharoen, T., Klysubun, W., Kongmark, C. y Pecharapa, W. (2014). Espectroscopía de absorción de rayos X sincrotrón y estudios de características magnéticas de ferritas metálicas (metal = Ni, Mn, Cu) sintetizadas por el método de autocombustión sol-gel. Physica status solidi (a), 211 (8), 1903-1911. https://doi.org/10.1002/pssa.201330477
- ^ Tangcharoen, Thanit, Wantana Klysubun y Chanapa Kongmark. "Espectroscopía de absorción de rayos X de sincrotrón y estudios de distribución de cationes de nanopartículas de NiAl2O4, CuAl2O4 y ZnAl2O4 sintetizadas por el método de autocombustión sol-gel". Revista de estructura molecular 1182 (2019): 219-229. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2019.01.049
- ^ Rawat, Pankaj Singh, RC Srivastava, Gagan Dixit y K. Asokan. "Modificaciones de ordenamiento estructural, funcional y magnético en óxido de grafeno y grafito por irradiación de iones de oro de 100 MeV". Vacío 182 (2020): 109700. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109700
enlaces externos
- Zhang M (15 de agosto de 2020). "XANES - Teoría" . Proyecto LibreTexts .
- Newville M (25 de julio de 2008). "Fundamentos de XAFS" (PDF) . Chicago, IL: Universidad de Chicago.