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Espectroscopia de absorción de rayos X.

Figura 1: Transiciones que contribuyen a los bordes XAS
Figura 2: Tres regiones de datos XAS para K-edge

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 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 del fotón , [3] utilizando un monocromador cristalino, a un rango en el que los electrones del núcleo puedan excitarse (0,1-100 keV). Los bordes reciben, en parte, el nombre mediante el cual se excita el electrón central: 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):

  1. El umbral de absorción determinado por la transición a los estados desocupados más bajos:
    1. los estados en el nivel de Fermi en metales dan un "borde ascendente" con forma de arco tangente ;
    2. los excitones centrales unidos en aisladores con forma de línea lorentziana (ocurren en una región previa al borde a energías más bajas que las transiciones al nivel desocupado más bajo);
  2. La estructura de absorción de rayos X de borde cercano ( XANES ), introducida en 1980 y posteriormente en 1983 y también llamada NEXAFS (estructura fina de absorción de rayos X de borde cercano), que está dominada por transiciones centrales a estados cuasi ligados (múltiples resonancias de dispersión). ) 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 vida corta que degeneran en el continuo con la forma de línea de Fano. En este rango son relevantes las excitaciones multielectrónicas y los estados finales de muchos cuerpos en sistemas fuertemente correlacionados;
  3. 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 puede utilizarse 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 espectroscopia de absorción a partir de un estado inicial central 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 suelen ser una mezcla de múltiples componentes. Las características más intensas se deben a las transiciones permitidas por los dipolos eléctricos (es decir, Δℓ = ± 1) a estados finales desocupados. Por ejemplo, las características más intensas de un borde K se deben a transiciones centrales desde estados finales tipo 1s → p, mientras que las características más intensas del borde L 3 se deben a estados finales tipo 2p → d.

La metodología XAS se puede dividir en términos generales en cuatro categorías experimentales que pueden dar resultados complementarios entre sí: borde K de metal , borde L de metal , borde K de ligando y EXAFS.

El medio más obvio para mapear muestras heterogéneas más allá del contraste de absorción de rayos X es mediante el análisis elemental mediante 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 molecular y de la materia 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:

Ver también

Referencias

  1. ^ "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 a 8, 2017-11-24, doi :10.1002/9781118676165.ch1, ISBN 978-1-118-67616-5, recuperado el 28 de septiembre de 2020
  2. ^ Yano J, Yachandra VK (4 de agosto de 2009). "Espectroscopia de absorción de rayos X". Investigación sobre la fotosíntesis . 102 (2–3): 241–54. Código bibliográfico : 2009PhoRe.102..241Y. doi :10.1007/s11120-009-9473-8. PMC 2777224 . PMID  19653117. 
  3. ^ Popmintchev, Dimitar; Galloway, Benjamín R.; Chen, Ming-Chang; Dólar, Franklin; Mancuso, Christopher A.; Hankla, Amelia; Miaja-Ávila, Luis; O'Neil, Galeno; Shaw, Justin M.; Fan, Guangyu; Ališauskas, Skirmantas (1 de marzo de 2018). "Espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X de borde cercano y extendido utilizando supercontinua armónica coherente ultrarrápida de alto orden". Cartas de revisión física . 120 (9): 093002. Código bibliográfico : 2018PhRvL.120i3002P. doi : 10.1103/physrevlett.120.093002 . hdl : 20.500.12708/17936 . ISSN  0031-9007. PMID  29547333.
  4. ^ 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 .
  5. ^ Evans, John (23 de noviembre de 2017). Espectroscopia de absorción de rayos X para las ciencias químicas y de materiales (Primera ed.). Hoboken, Nueva Jersey. ISBN 978-1-118-67617-2. OCLC  989811256.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )
  6. ^ 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. Estado físico Solidi A, 211(8), 1903-1911.https://doi.org/10.1002/pssa.201330477
  7. ^ Tangcharoen, Thanit, Wantana Klysubun y Chanapa Kongmark. "Espectroscopia de absorción de rayos X 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
  8. ^ Rawat, Pankaj Singh, RC Srivastava, Gagan Dixit y K. Asokan. "Modificaciones estructurales, funcionales y de orden magnético en óxido de grafeno y grafito mediante irradiación de iones de oro de 100 MeV". Vacío 182 (2020): 109700.https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109700
  9. ^ Ljungberg, Mathias (diciembre de 2017). "Efectos vibratorios en la absorción de rayos X y la dispersión de rayos X inelástica resonante utilizando un esquema semiclásico". Revisión Física B. 96 (21): 214302. arXiv : 1709.06786 . Código Bib : 2017PhRvB..96u4302L. doi : 10.1103/PhysRevB.96.214302. S2CID  119210376 . Consultado el 21 de abril de 2023 .

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