Нанокомпозиты на основе оксидов 3d-металлов. Исследования морфологии и структуры методами электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом может приводить к целому ряду процессов (рис. 4). Так в результате поглощения рентгеновского излучения веществом электроны внутренних оболочек атомов могут переходить как на дискретные уровни системы, так и в область непрерывного спектра. Переход электрона на свободные дискретные уровни приводит к резкому возрастанию поглощения рентгеновского излучения. В спектрах начинают наблюдаться дискретные линии, которые и получили название ближней тонкой структурой спектра рентгеновского поглощения. Энергетическое положение таких дискретных линий поглощения является характеристической величиной для каждого химического элемента, что позволяет однозначно определять химический элемент по положению порога возбуждения. Метод рентгеновской спектроскопии поглощения дает возможность исследования всех химических элементов, начиная с лития, а также веществ в любом агрегатном состоянии.

Рис. 4. Основные процессы, протекающие в веществе при поглощении рентгеновского излучения

На рис. 5 представлена принципиальная схема экспериментальной установки для получения рентгеновских спектров поглощения с использованием синхротронного излучения. Существует несколько методов регистрации рентгеновских спектров поглощения: на прохождение и по выходу флуоресценции, вторичных, фото- или Оже- электронов.

Рис. 5. Схема установки для получения рентгеновских спектров поглощения с применением синхротронного излучения

Первый метод состоит в измерении падающего на образец излучения и прошедшего сквозь него. Тогда линейный коэффициент рентгеновского поглощения определяют по формуле

где I₀ и I_t – соответственно интенсивность падающего излучения и излучения, прошедшего через образец. В другом случае измеряют интенсивность физических процессов, происходящих в результате взаимодействия излучения с образцом. В методе регистрации выхода флуоресценции коэффициент поглощения будет определяться формулой

Измерение спектра поглощения производится по точкам, в каждой точке необходимо использовать строго монохроматизированное рентгеновское излучение, однако получить такое излучение с большим набором различных длин волн в реальности невозможно. Поэтому при регистрации экспериментальных спектров используют полосу узкого диапазона длин волн, вырезанную из первичного пучка монохроматором. Причем ширина этой линии должна быть сравнима с естественной шириной линии характеристического химического элемента.

Для регистрации XAFS спектров могут применяться различные детекторы, но все они должны обладать высокой линейностью и хорошей статистикой счета. В случае регистрации спектра методом на прохождение используются два детектора, представляющие собой ионизационные газонаполненные камеры пролетного типа, состав газовой смеси в них и их длина подбирается таким образом, чтобы, пройдя первую камеру (регистрация интенсивности первичного монохроматического пучка), излучение теряло не более 20 % интенсивности, а в камере детектора, регистрирующего интенсивность прошедшего пучка, излучение практически полностью поглощалось. Измерение спектров методом регистрации выхода флуоресценции требует применения детекторов с высоким спектральным разрешением, которое необходимо для отделения флуоресцентного излучения от других, возникающих в результате взаимодействия первичного излучения с образцом. Таковыми являются энергодисперсионные полупроводниковые детекторы. Применение таких детекторов повышает точность и чувствительность измерений, но удорожает проведение экспериментов, потому что требуется охлаждение детекторов до криогенных температур. Кроме того, они обладают низкой скоростью счета.

Каждый из методов получения рентгеновских спектров имеет свою область применения. Так, например, метод на прохождение является наиболее быстрым, простым и точным при измерениях тонких, гомогенных образцов с высокой концентрацией исследуемого элемента, в тоже время режим регистрации флуоресценции увеличивает время съемки, но дает возможность исследования толстых образцов, образцов с малой концентрацией исследуемого элемента. Регистрация выхода электронов из исследуемого образца – полного электронного тока или Оже-электронного тока – позволяет повысить чувствительность метода XAFS к поверхностным слоям образца благодаря тому, что глубина выхода электронов не превышает 50–100 Е.

Для успешного эксперимента важен выбор оптимальных параметров съемки. Параметрами, определяющими точность и надежность получаемых данных, являются шаг сканирования и длительность измерений на каждом шаге (экспозиция). Выбор этих параметров не является однозначным. Так, увеличивая экспозицию, получают высокую точность, но одновременно увеличивается время съемки и в то же самое время повышается вероятность флуктуаций шума измерительной электроники. Для достижения нужной статистики в одном и том же режиме регистрируют несколько спектров и результаты складывают.