Využitie metodík SAXS, ASAXS a XANES na štúdium a charakterizáciu štruktúry látok

1. Využitie metodík SAXS, ASAXS a XANES na štúdium a charakterizáciu štruktúry látok RNDr. Adriana Zeleňáková, PhD. Prírodovedecká fakulta UPJŠ Katedra fyziky kondenzovaných látok Košice, 17.12.2008

2. SAXS, ASAXS a XANES SAXS - Small-angle X-ray scattering XANES- X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy ASAXS - Anomalous Small-angle X-ray scattering XAS- Röntgenová absopčná spektroskopia- súbor metód, ktoré študujú interakciu vzoriek s XRD žiarením Prináša unikátne informácie o chemickom a fyzikálnom stave prvkov, atómov Pri prechode XRD žiarenia látkou dochádza k absorpcii žiarenia Absorpcia- dôsledok neelastických zrážok elektrónov s XRD žiarením

3. Elektromagnetické žiarenie • Vzniká pri interakcii urýchlených elektrónov s magnetickým poľom • Pokiaľ trajektória nabitej častice (e- alebo e+) sa mení z priamočiarej na zakrivenú, častica vyžaruje fotóny. Pri relativistických rýchlostiach sú fotóny emitované v úzkom kuželi ktorého smer je tangenta k miestu ohybu. • Podobné cyklotrónovému žiareniu, ale generované pri urýchľovaní ultrarelativistických častíc pomocou MP Synchrotrónové žiarenie

4. Synchrotrónové žiarenie- Synchrotrón

5. Synchrotrónové žiarenie- Synchrotrón • Zdroje magnetického poľa • bending magnets • insertion devices (undulators or wigglers) • free electron lasers

6. Synchrotrónové žiarenie Vo vysoko-energetickom kruhovom urýchľovači rozsah emitovaného žiarenia sa rozprestiera od infračerveného po tvrdé RTG.

7. Vlastnosti synchrotrónového žiarenia • vysoká intenzita 2. široké a spojité energetické spektrum 3. je vysoko kolimované s malou divergenciou 4. je vysoko polarizované 5. je emitované vo veľmi krátkych pulzoch (kratších ako nanosekunda)

8. European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble, France • Synchrotron Radiation Source, Daresbury, England • Desy, Hamburg, Germany • Elettra, Trieste, Italy • Brazilian Synchrotron Light Laboratory • Lawrence Berkeley Laboratory • Large Hadron Collider (LHC), which has been built at the European Laboratory for High Energy Physics (CERN) Synchrotróny a fotónová fyzika

9. Synchrotróny a fotónová fyzika

11. PETRA III - Nový zdroj synchrotronného žiarenia 3. generácie e-/e+ energia = 6 GeV Imax = 100 mA (200 mA) emitancia 1.0 nm.rad počet nezávislćh undulátorov = 13 dĺžky undulátorov 2 m, 5m, 20 m maximálna intenzita žiarenia 1021s/0.01%BW intenzita koherentného žiarenia 1011s/0.01%BW

12. Synchrotróny a fotónová fyzika • Structural analysis of crystalline and amorphous materials • Powder diffraction analysis • Crystallography of proteins and other macromolecules • Small angle X-ray scattering • X-ray absorption spectroscopy • Tomography • in phase contrast mode • Photolithography for MEMS structures as part of the LIGA process. • High pressure studies • residual stress analysis • X-Ray Multiple Diffraction

13. Lineárny urýchľovač: • XFEL – Free Electron Laser • Pracujúci na princípe SASE • (Self Amplified Spontaneous Emission) • Pozostávajúci z • radio frekvenčného foto-katódového elektr. dela • supravodivých rezonančných akcelerátorov (Nb kavít, pracujúcich pri teplotách -271oC) • pozdĺžnych kompresorov elektrónového zväzku • undulátorov Tunel uložený v hĺbke 6-11m ktorého celková dĺžka bude 3.3 km 10 experimentálnych stanovíšť Žiarenie  od 60 do 0.85 Å Intenzita 4 rady vyžšia ako najintenzívnejšie dnešné zdroje. Doba pulzu menej ako 100fs začiatok prevádzky r. 2012 predpokladané náklady 684M€

14. Využitie synchrotrónového žiarenia

15. Využitie synchrotrónového žiarenia-charakterizácia nanomateriálov DNA nanočip Fullerény 1nm CNT 2nm

16. Využitie synchrotrónového žiarenia

17. SAXS - Small-angle X-ray scattering • Technika „malouhlového rozptylu“, ktorá využíva elastický rozptyl RTG- žiarenia na nehomogenitách vzorky v nm rozmeroch. • Realizuje sa pri veľmi malých uhloch (0.1 - 10°). • Toto uhlové rozmedzie poskytuje informáciu o tvare a veľkosti častác, makromolekúl, o charakteristickej dĺžke usporiadaných materiálov, o veľkosti pórov a iné. • SAXS podáva štruktúrne informácie o makromolekulách s rozmermi 5 - 25 nm, a o usporiadaných systémoch do veľkosti 150 nm

18. SAXS - Small-angle X-ray scattering • SAXS • Priemerná veľkosť častíc • Tvar častíc • Distribúcia veľkosti častíc • Pomer medzi povrchom a objemom

20. SAXS - Small-angle X-ray scattering DESY-Hasylab/B1, Hamburg (10), (11), and (20) in hexagonal p6mm a = 121 Å = 12.1nm

21. HRTEM mikroskopia Veľkosť pórov ~7 nm

22. SAXS - Small-angle X-ray scattering

23. XANES- X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy • Zaoberá sa oblasťou bezprostredného okolia absorpčnej hrany • Dáva informáciu o povrchu materiálu na základe vyhodnotenia stavu nespárených elektrónov- poskytuje informácie o oxidačnom čísle • Pozície absorpčných hrán všetkých prvkov sú presne zmerané (v elektroneutrálnom stave) • V reálnej vzorke opisujeme: pozíciu a tvar absorpčnej hrany, prítomnosť alebo neprítomnosť píkov pred AH, tvar spektra bezprostredne za hranou • Parametre XANES závisia: Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL) Oxidačného stavu skúmaného prvku, podstaty chemických väzieb prvku s okolím, koordinačného čísla, hybridizácie orbitálov, štiepenia orbitálov v kryštálovom poli, od viacnásobných odrazov fotoelektrónu od atómov XANES signál s vysokou intenzitou je koncentrovaný do malého rozsahu energií

24. XANES- X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy Plutónium v oxidačných stavoch XAS-spectrum for the LIII edge of Uranium in the substance Calciumuranat( CaUO4

25. XANES (X-ray Absorption Near Edge Spectra WAXS (WideAngleXray Scattering) charakterizácia α-Fe2O3@SBA Fe K edge 7112 eV Kalibrácia merania: 1st inflection points of Fe, Ni and Se foils d~7 nm

26. ASAXS - Anomalous Small-angle X-ray scattering SAXS: Intenzita rozptylu je úmerná štvorcu elektrónovej hustoty ASAXS: V blízkosti absorpčnej hrany zavisí energia rozptylu od komplexných rezonančných faktorov, ktoré ovplyvňujú intenzitu rozptylu Rezonančné faktory f´a f´´ popisujú interakcie medzi rovnakými a nerovnakými rozptylovými elementmi ASAXS: špecifický rozptylový kontrast získaný pri meraní v blízkostí energií absorpčnej hrany prvku

27. ASAXS - Anomalous Small-angle X-ray scattering FePt Fe2O3/SiO2 ASAX spektrum: Tvarový a štruktúrny faktor Tvar častíc, veľkosť častíc, objem častíc