1、擴展擴展X射線吸收譜精細結構射線吸收譜精細結構Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) Introduction擴展X射線吸收譜精細結構（Extended X-ray absorption fine structure, EXAFS）是X射線吸收限高能側30eV至約1000eV范圍內吸收系數隨入射X光子能量增加而起伏振蕩的現象，近年來它被廣泛應用于測定多原子氣體和凝聚態物質吸收原子周圍的局域結構吸收原子周圍的局域結構，成為結構分析的一種新技術。 原理一般教科書中給出的X射線吸收系數隨波長變化的曲線除在K、L1、L11、L111等吸收限處吸

2、收發生突變外，其余部分是平滑的；這平滑部分可用Victoreen公式來表述：43DC吸收系數與波長的關系吸收系數與波長的關系K吸收邊可是實際上更精確的測量表明，在吸收限高能側附近，隨樣品的成分和狀態不同會顯示不同的振蕩現象。對于單原子氣體，只在極靠近吸收限處有振蕩；對于多原子氣體、液體和固體，振蕩擴展到約1000eV左右。 原理30eV以內的振蕩稱為吸收譜近限結構（X-ray absorption near structure）301000eV的振蕩稱為擴展X射線吸收譜精細結構（Extended X-ray Absorption Fine Structure EXAFS）。兩者都是吸收原子周圍

3、的鄰原子對出射光電子散射引起的，但理論細節不完全相同。 原理出射光電子波受到周圍近鄰原子的背散射：背散射光電子波峰將與出射光電子波發生干涉：相長干涉使吸收增加，相消干涉使吸收下降。這樣就使吸收曲線出現振蕩 EXAFS的產生的產生原理 增加入射X光子的能量將使光電子波長變短，出射與散射光電子波之間的干涉結果也就不同； 當散射原子的種類、數量及其與吸收原子的距離不同時，EXAFS細節也將出現差異，因此它包含著吸收原子周圍近鄰原子短程結構信息。 原理EXAFS函數通常EXAFS用一參量 表示，它表示 X射線吸收系數的歸一化的振蕩部分。式中：k 是出射光電子的波矢的模， ， e為光電子波長； 為 的平

4、滑變化部分，在物理上相當于孤立原子的吸收系數； 為扣除背底以后的K吸收限高能側吸收系數。)(/)()()(kkkkxooK)(kx)(ko)(kK)(kKek/2根據根據EXAFS的產生機理，可以預計的產生機理，可以預計 將與將與下列因素有關：下列因素有關：1、與吸收原子周圍的第、與吸收原子周圍的第 j 近鄰原子殼層中近鄰原子殼層中的同種原子數的同種原子數Nj、距離、距離 Rj 及原子散射因及原子散射因數數 fj (2k) 有關。這一部分可表示為：有關。這一部分可表示為： )2(NkfRjjjEXAFS函數)(kEXAFS函數2、與散射光電子的位相改變有關。位相改、與散射光電子的位相改變有關。

5、位相改變包含兩部分：光程差引起的位相差及出射變包含兩部分：光程差引起的位相差及出射和散射引起的相移。這一部分可表示為：和散射引起的相移。這一部分可表示為：)(22sinkkRjjEXAFS函數 3、與第、與第 j 殼層原子的漫散分布程度有關。殼層原子的漫散分布程度有關。它包含熱振動和原子無序分布的影響。設它包含熱振動和原子無序分布的影響。設j 為對為對 Rj 的均方根偏離，這個影響可表示為的均方根偏離，這個影響可表示為Debye-Waller溫度因數型的項溫度因數型的項)2exp(22jKEXAFS函數4 4、與出射光電子保持原狀態的傳播距離有關。、與出射光電子保持原狀態的傳播距離有關。這個因

6、數為：這個因數為：)(22sin)/2exp()2exp()2(4)(222kkRRkkfRNkhmkxjjjjjjjjijR2exp)(22sin)/2exp()2exp()2(4)(222kkRRkkfRNkhmkxjjjjjjjj吸收原子周圍的第吸收原子周圍的第 j 近鄰原子殼層中近鄰原子殼層中的同種原子數。的同種原子數。原子散射因數原子散射因數吸收原子吸收原子的距離的距離RjDebye-Waller因子因子出射光電子出射光電子平均自由程平均自由程光程差引起的位相差及光程差引起的位相差及出射和散射引起的相移出射和散射引起的相移EXAFS的數據采集與處理)(/)()()(kkkkxooK（

7、1）求 - E曲線（2）扣除背景（3） 擬合（4）Ek轉換（5）求（6）獲得結構參數)(kx)(kK其它原子的吸收，通過Victoreen公式擬合。oEXAFS的數據采集與處理)(/)()()(kkkkxooK（1）求 - E曲線（2）扣除背景（3） 擬合（4）Ek轉換（5）求（6）獲得結構參數o)(kx)(kK 是自由原子的吸收，一般取中線。oEXAFS的數據采集與處理)(/)()()(kkkkxooK（1）求 - E曲線（2）扣除背景（3） 擬合（4）Ek 轉換（5）求（6）獲得結構參數o)(kx)(kK)(220EEmkEXAFS的數據采集與處理)(/)()()(kkkkxooK（1）求

8、 - E曲線（2）扣除背景（3） 擬合（4）Ek 轉換（5）求（6）獲得結構參數o)(kx)(kK理論計算擬合法：理論計算擬合法：先擬定被研究物質的結構模型，給出結構參數，然后根據理論公式計算相應的EXAFS譜。將理論計算與實驗測定的EXAFS譜進行比較，獲得結構參數。標樣法：用結構已知并與待定結構相近的一種物質作為標樣，通過測定試樣和標樣的EXAFS譜來確定未知結構。應用舉例（在玻璃中的應用）20GaF3-15InF3-20CdF2-15ZnF2-20PbF2-10SnF2晶化前后樣品及三方相GaF3的Ga-K吸收邊的XAFS應用舉例（在玻璃中的應用）應用舉例（在玻璃中的應用）晶化前后樣品及

9、三方相GaF3的k3 以及徑向分布函數)(kx晶化前后玻璃樣品中Ga的配位情況沒有發生明顯變化應用舉例（在玻璃中的應用）晶化前后樣品及三方相ZnF2的Zn-K吸收邊的XAFS應用舉例（在玻璃中的應用）晶化前后樣品及四方相ZnF2的k3 以及徑向分布函數)(kx晶化前后玻璃樣品中Zn的配位情況發生明顯變化，結構的無序度增大EXAFS譜方法的特點局域性：局域性：由于XAFS對應著原子的近鄰結構，它不要求被研究的物質具有晶格周期性，因而它除了用于研究晶態物質的原子近鄰結構外，對非長程有序的物質，例如：非晶、氣態、溶態及熔態物質的原子近鄰結構研究同樣有效，較之常規X射線衍射的應用范圍要廣闊得多。EXA

10、FS譜方法的特點元素選擇性：元素選擇性：由于不同元素吸收邊的位置不同，因此通過調節入射X射線的能量，可以分別是測量不同元素的K或L吸收邊，從而可以選擇性地研究多元樣品中不同元素的近鄰環境。另外，由于不同元素背散射振幅的差別，原則上可以用來區分背散射原子的種類。EXAFS譜方法的特點敏感性：敏感性：利用高強度的同步輻射光源及熒光XAFS技術，可以測定樣品中含量很低的元素的近鄰結構。因而很適用于摻雜物質中，雜質原子的近鄰環境研究。取向性：取向性：利用偏振的X射線源并考慮多重散射效應，可以研究樣品中原子的配位鍵角及原子排列的空間取向。在某些情況下，能夠獲得遠配位層的原子結構信息或配位鍵角信息。 EXAFS譜方法的特點廣泛性：廣泛性：除常規的EXAFS技術（透射法和熒光法）以外，還衍生出許多相關的EXAFS技