La técnica de onda estacionaria de rayos X (XSW) se puede utilizar para estudiar la estructura de superficies e interfaces con alta resolución espacial y selectividad química. Iniciada por BW Batterman en la década de 1960, [1] la disponibilidad de luz de sincrotrón ha estimulado la aplicación de esta técnica interferométrica a una amplia gama de problemas en la ciencia de superficies. [2] [3]
Principios básicos
Un campo de onda estacionaria de rayos X (XSW) se crea por la interferencia entre un haz de rayos X que incide en una muestra y un haz reflejado. La reflexión puede ser generada en la condición de Bragg para una red cristalina o una multicapa de ingeniería superred ; en estos casos, el período del XSW es igual a la periodicidad de los planos reflectantes. La reflectividad de rayos X de la superficie de un espejo en ángulos de incidencia pequeños también se puede utilizar para generar XSW de largo período. [4]
La modulación espacial del campo XSW, descrita por la teoría dinámica de la difracción de rayos X , sufre un cambio pronunciado cuando la muestra se escanea a través de la condición de Bragg. Debido a una variación de fase relativa entre los haces entrantes y reflejados, los planos nodales del campo XSW cambian a la mitad del período XSW. [5] Dependiendo de la posición de los átomos dentro de este campo de ondas, la absorción de rayos X específica del elemento medida varía de manera característica. Por lo tanto, la medición de la absorción (a través de la fluorescencia de rayos X o el rendimiento de fotoelectrones ) puede revelar la posición de los átomos en relación con los planos reflectantes. Se puede pensar que los átomos absorbentes "detectan" la fase del XSW; por tanto, este método supera el problema de fase de la cristalografía de rayos X.
Para el análisis cuantitativo, la fluorescencia normalizada o el rendimiento de fotoelectrones es descrito por [2] [3]
,
dónde es la reflectividad y es la fase relativa de los haces interferentes. La forma característica de se puede utilizar para derivar información estructural precisa sobre los átomos de la superficie porque los dos parámetros (fracción coherente) y (posición coherente) están directamente relacionados con la representación de Fourier de la función de distribución atómica. Por lo tanto, con una cantidad suficientemente grande de componentes de Fourier que se miden, los datos XSW se pueden usar para establecer la distribución de los diferentes átomos en la celda unitaria (formación de imágenes XSW). [6]
Consideraciones experimentales
Las mediciones XSW de superficies monocristalinas se realizan en un difractómetro . El cristal se balancea a través de una condición de difracción de Bragg, y se miden simultáneamente la reflectividad y el rendimiento XSW. El rendimiento de XSW generalmente se detecta como fluorescencia de rayos X (XRF). La detección XRF permite mediciones in situ de interfaces entre una superficie y entornos gaseosos o líquidos, ya que los rayos X duros pueden penetrar estos medios. Si bien XRF proporciona un rendimiento XSW específico del elemento, no es sensible al estado químico del átomo absorbente. La sensibilidad del estado químico se logra mediante la detección de fotoelectrones , que requiere instrumentación de vacío ultra alto .
Las mediciones de posiciones atómicas en o cerca de superficies monocristalinas requieren sustratos de muy alta calidad de cristal. El ancho intrínseco de una reflexión de Bragg, calculado por la teoría de difracción dinámica, es extremadamente pequeño (del orden de 0,001 ° en condiciones de difracción de rayos X convencionales). Los defectos cristalinos como la mosaicidad pueden ampliar sustancialmente la reflectividad medida, lo que oscurece las modulaciones en el rendimiento XSW necesarias para localizar el átomo absorbente. Para sustratos ricos en defectos, como los monocristales metálicos, se utiliza una geometría de incidencia normal o de reflexión inversa. En esta geometría, se maximiza el ancho intrínseco de la reflexión de Bragg. En lugar de balancear el cristal en el espacio, la energía del rayo incidente se sintoniza a través de la condición de Bragg. Dado que esta geometría requiere rayos X incidentes suaves, esta geometría generalmente usa la detección XPS del rendimiento XSW.
Aplicaciones seleccionadas
Aplicaciones que requieren condiciones de vacío ultra alto :
- Fisisorción y quimisorción estudios [2] [3]
- Difusión de dopantes en cristales [7]
- Superredes y caracterización de cuasi-cristales
Aplicaciones que no requieren condiciones de vacío ultra alto:
- Películas de Langmuir-Blodgett
- Monocapas autoensambladas
- Modelo de catalizadores heterogéneos [8]
- Interfaces enterradas
Ver también
Referencias
- ^ BW Batterman y H. Cole (1964). "Difracción dinámica de rayos X por cristales perfectos". Reseñas de Física Moderna . 36 (3): 681. doi : 10.1103 / RevModPhys.36.681 .
- ^ a b c J. Zegenhagen (1993). "Determinación de la estructura superficial con ondas estacionarias de rayos X". Informes de ciencia de superficie . 18 (8/7): 202–271. doi : 10.1016 / 0167-5729 (93) 90025-K .
- ^ a b c DP Woodruff (2005). "Determinación de la estructura de la superficie mediante ondas estacionarias de rayos X". Informes sobre avances en física . 68 (4): 743. doi : 10.1088 / 0034-4885 / 68/4 / R01 .
- ^ MJ Bedzyk, GM Bommarito, JS Schildkraut (1989). "Ondas estacionarias de rayos X en la superficie de un espejo reflectante". Cartas de revisión física . 62 (12): 1376-1379. doi : 10.1103 / PhysRevLett.62.1376 . PMID 10039658 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ J. Als-Nielsen y D. McMorrow (2001). Elementos de la física de rayos X moderna . John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-0471498582.
- ^ L. Cheng, P. Fenter, MJ Bedzyk y NJ Sturchio (2003). "Solución de expansión de Fourier de distribuciones de átomos en un cristal utilizando ondas estacionarias de rayos X". Cartas de revisión física . 90 (25): 255503. doi : 10.1103 / PhysRevLett.90.255503 . PMID 12857143 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ P. Hoenicke; et al. (2010). "Caracterización del perfil de profundidad de implantes de unión ultra superficial". Química analítica y bioanalítica . 396 (8): 2825–32. doi : 10.1007 / s00216-009-3266-y . PMID 19941133 .
- ^ Z. Feng, C.-Y. Kim, JW Elam, Q. Ma, Z. Zhang, MJ Bedzyk (2009). "Observación directa a escala atómica de la dinámica catiónica inducida por redox en un catalizador monocapa con soporte de óxido: WO x / α-Fe 2 O 3 (0001)". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 131 (51): 18200–18201. doi : 10.1021 / ja906816y . PMID 20028144 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
Otras lecturas
Zegenhagen, Jörg; Kazimirov, Alexander (2013). La técnica de rayos X de onda estacionaria . World Scientific . doi : 10.1142 / 6666 . ISBN 978-981-2779-00-7.