Ondas estacionarias de rayos X

La técnica de ondas estacionarias de rayos X (XSW) se puede utilizar para estudiar la estructura de superficies e interfaces con alta resolución espacial y selectividad química. BW Batterman, pionero en la década de 1960 [ ^1], ha estimulado la aplicación de esta técnica interferométrica a una amplia gama de problemas en la ciencia de superficies. ^{[2] [3]}

Principios básicos

Principio de las mediciones de ondas estacionarias de rayos X

Un campo de ondas estacionarias de rayos X (XSW) se crea por la interferencia entre un haz de rayos X que incide sobre una muestra y un haz reflejado. La reflexión puede generarse en la condición de Bragg para una red cristalina o una superred multicapa diseñada ; en estos casos, el período de la XSW es ​​igual a la periodicidad de los planos reflectantes. La reflectividad de rayos X de una superficie de espejo en pequeños ángulos de incidencia también puede usarse para generar XSW de período largo. ^[4]

La modulación espacial del campo XSW, descrita por la teoría dinámica de 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 rayos entrantes y reflejados, los planos nodales del campo XSW se desplazan a la mitad del período XSW. ^[5] Dependiendo de la posición de los átomos dentro de este campo de ondas, la absorción específica del elemento medida de rayos X varía de una 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 lo 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 se describe mediante ^{[2] [3]} ${\displaystyle Y_{p}}$

${\displaystyle Y_{p}(\Omega )=1+R+2C{\sqrt {R}}f_{H}\cos(\nu -2\pi P_{H})}$,

donde es la reflectividad y es la fase relativa de los rayos que interfieren. 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 midan, los datos XSW se pueden utilizar para establecer la distribución de los diferentes átomos en la celda unitaria (imágenes XSW). ^[6] ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle Y_{p}}$ ${\displaystyle f_{H}}$ ${\displaystyle P_{H}}$

Rendimiento característico de XSW (líneas rojas) a través de la condición de Bragg para un átomo absorbente en la posición . La reflexión de Bragg, calculada mediante la teoría de difracción dinámica, se muestra en verde. ${\displaystyle \mathbf {H} =hkl}$ ${\displaystyle \mathbf {H} \cdot \mathbf {r} }$

Consideraciones experimentales

Las mediciones de XSW de superficies monocristalinas se realizan en un difractómetro . El cristal se hace oscilar a través de una condición de difracción de Bragg y se miden simultáneamente la reflectividad y el rendimiento de 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 la XRF brinda un rendimiento de XSW específico del elemento, no es sensible al estado químico del átomo absorbente. La sensibilidad al estado químico se logra utilizando la detección de fotoelectrones , que requiere instrumentación de ultra alto vacío .

Las mediciones de posiciones atómicas en superficies monocristalinas o cerca de ellas requieren sustratos de una calidad cristalina muy alta. El ancho intrínseco de una reflexión de Bragg, calculada mediante la teoría de difracción dinámica, es extremadamente pequeño (del orden de 0,001° en condiciones convencionales de difracción de rayos X). Los defectos de los cristales, 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 retrorreflexión. 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 haz incidente se ajusta a través de la condición de Bragg. Dado que esta geometría requiere rayos X incidentes suaves, normalmente utiliza la detección XPS del rendimiento XSW.

Aplicaciones seleccionadas

Aplicaciones que requieren condiciones de ultra alto vacío :

• Estudios de fisisorción y quimisorción ^{[2] [3]}
• Difusión de dopantes en cristales ^[7]
• Caracterización de superredes y cuasicristales

Aplicaciones que no requieren condiciones de ultra alto vacío:

• Películas de Langmuir-Blodgett
• Monocapas autoensambladas
• Modelos de catalizadores heterogéneos ^[8]
• Interfaces enterradas

Véase también

• Lista de métodos de análisis de superficies

Referencias

1. 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.
2. J. Zegenhagen (1993). "Determinación de la estructura superficial con ondas estacionarias de rayos X". Surface Science Reports . 18 (7/8): 202–271. doi :10.1016/0167-5729(93)90025-K.
3. DP Woodruff (2005). "Determinación de la estructura superficial mediante ondas estacionarias de rayos X". Informes sobre el progreso en física . 68 (4): 743. doi :10.1088/0034-4885/68/4/R01. S2CID  122085105.
4. MJ Bedzyk ; GM Bommarito; JS Schildkraut (1989). "Ondas estacionarias de rayos X en una superficie de espejo reflectante". Physical Review Letters . 62 (12): 1376–1379. doi :10.1103/PhysRevLett.62.1376. PMID  10039658.
5. J. Als-Nielsen y D. McMorrow (2001). Elementos de la física moderna de rayos X. John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-0471498582.
6. 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". Physical Review Letters . 90 (25): 255503. doi :10.1103/PhysRevLett.90.255503. PMID  12857143.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
7. 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. S2CID  6443446.
8. Z. Feng, C.-Y. Kim, JW Elam, Q. Ma, Z. Zhang, MJ Bedzyk (2009). "Observación directa a escala atómica de la dinámica de cationes inducida por rédox en un catalizador monocapa soportado por 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.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )

Lectura adicional

Zegenhagen, Jörg; Kazimirov, Alexander (2013). La técnica de ondas estacionarias de rayos X. World Scientific . doi : 10.1142/6666. ISBN. 978-981-2779-00-7.