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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 el borde K

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 se realiza generalmente en instalaciones de radiación de sincrotrón , que proporcionan haces de rayos X intensos y ajustables . Las muestras pueden estar en fase gaseosa, en solución o en 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 pueden ser excitados (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 y 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 del núcleo ligado en aisladores con una forma de línea lorentziana (se encuentran en una región de pre-borde a energías inferiores a las transiciones al nivel desocupado más bajo);
  2. La estructura de absorción de rayos X en el borde cercano ( XANES ), introducida en 1980 y posteriormente en 1983 y también denominada NEXAFS (estructura fina de absorción de rayos X en el borde cercano), que está dominada por transiciones de 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, llamadas "resonancias de forma" en los espectros moleculares ya que se deben a estados finales de vida corta degeneran con 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 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 átomos vecinos puede aproximarse mediante eventos de dispersión individuales. En 1985, se demostró que la teoría de dispersión múltiple puede usarse para interpretar tanto XANES como EXAFS ; por lo tanto, el análisis experimental centrado en ambas regiones ahora se llama XAFS .

La 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 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 transiciones permitidas por dipolo eléctrico (es decir, Δℓ = ± 1) a estados finales desocupados. Por ejemplo, las características más intensas de un borde K se deben a transiciones centrales de estados finales similares a 1s → p, mientras que las características más intensas del borde L 3 se deben a estados finales similares a 2p → d.

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

El medio más obvio para 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

La difracción de rayos X (XAS) es una técnica que se utiliza en diferentes campos científicos , entre ellos la física molecular y de la materia condensada, [6] [7] [8] la ciencia y la ingeniería de los materiales , la química , las ciencias de la Tierra y la biología . En particular, su sensibilidad única a la estructura local, en comparación con la difracción de rayos X , se ha aprovechado para estudiar:

Véase 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 los materiales , Chichester, Reino Unido: John Wiley & Sons, Ltd, págs. 1–8, 24 de noviembre de 2017, doi : 10.1002/9781118676165.ch1, ISBN 978-1-118-67616-5, consultado el 28 de septiembre de 2020
  2. ^ Yano J, Yachandra VK (4 de agosto de 2009). "Espectroscopia de absorción de rayos X". Photosynthesis Research . 102 (2–3): 241–54. Bibcode :2009PhoRe.102..241Y. doi :10.1007/s11120-009-9473-8. PMC 2777224 . PMID  19653117. 
  3. ^ Popmintchev, Dimitar; Galloway, Benjamin R.; Chen, Ming-Chang; Dollar, 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 por absorción de rayos X de borde cercano y extendido utilizando supercontinuo armónico de alto orden coherente ultrarrápido". Physical Review Letters . 120 (9): 093002. Bibcode :2018PhRvL.120i3002P. doi : 10.1103/physrevlett.120.093002 . hdl : 20.500.12708/17936 . Revista de Biología Molecular y  Genética  .
  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. Recuperado 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 los materiales (Primera edición). Hoboken, NJ. ISBN 978-1-118-67617-2.OCLC 989811256  .{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )
  6. ^ Tangcharoen, T., Klysubun, W., Kongmark, C. y Pecharapa, W. (2014). Espectroscopia de absorción de rayos X de 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
  7. ^ Tangcharoen, Thanit, Wantana Klysubun y Chanapa Kongmark. "Estudios de espectroscopia de absorción de rayos X de sincrotrón y distribución de cationes de nanopartículas de NiAl2O4, CuAl2O4 y ZnAl2O4 sintetizadas mediante el método de autocombustión sol-gel". Journal of Molecular Structure 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 ordenamiento magnético en óxido de grafeno y grafito mediante irradiación de iones de oro de 100 MeV". Vacuum 182 (2020): 109700. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109700
  9. ^ Ljungberg, Mathias (diciembre de 2017). "Efectos vibracionales en la absorción de rayos X y dispersión inelástica resonante de rayos X utilizando un esquema semiclásico". Physical Review B . 96 (21): 214302. arXiv : 1709.06786 . Bibcode :2017PhRvB..96u4302L. doi :10.1103/PhysRevB.96.214302. S2CID  119210376 . Consultado el 21 de abril de 2023 .

Enlaces externos