ondas estacionarias de rayos X

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

Un campo de onda estacionaria 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 reflectante con ángulos de incidencia pequeños también puede utilizarse para generar XSW de período largo. ^{[ 4 ]}

La modulación espacial del campo XSW, descrita por la teoría dinámica de la difracción de rayos X , experimenta un cambio pronunciado cuando la muestra se escanea a través de la condición de Bragg. Debido a una variación de fase relativa entre los haces incidente y reflejado, los planos nodales del campo XSW se desplazan en la mitad del período XSW. ^{[ 5 ]} Dependiendo de la posición de los átomos dentro de este campo de onda, la absorción de rayos X específica de cada elemento varía de manera característica. Por lo tanto, la medición de la absorción (mediante fluorescencia de rayos X o rendimiento fotoelectrónico ) puede revelar la posición de los átomos con respecto a 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, se utiliza la fluorescencia normalizada o el rendimiento fotoelectrónico.${\displaystyle Y_{p}}$se describe en ^{[ 2 ] [ 3 ]}

dónde${\displaystyle R}$es la reflectividad y${\displaystyle \nu }$es la fase relativa de los haces interferentes. La forma característica de${\displaystyle Y_{p}}$se puede utilizar para obtener información estructural precisa sobre los átomos de la superficie porque los dos parámetros${\displaystyle f_{H}}$(fracción coherente) y${\displaystyle P_{H}}$(posición coherente) están directamente relacionadas con la representación de Fourier de la función de distribución atómica. Por lo tanto, con un número suficientemente grande de componentes de Fourier medidas, los datos XSW pueden utilizarse para establecer la distribución de los diferentes átomos en la celda unitaria (imagen XSW). ^{[ 6 ]}

Las mediciones de ondas superficiales de rayos X ( XSW ) en superficies de monocristales se realizan en un difractómetro . El cristal se somete a una condición de difracción de Bragg, y se miden simultáneamente la reflectividad y el rendimiento de XSW. El rendimiento de XSW se detecta generalmente mediante fluorescencia de rayos X (XRF). La detección por XRF permite realizar mediciones in situ de las interfaces entre una superficie y entornos gaseosos o líquidos, ya que los rayos X duros pueden penetrar estos medios. Si bien la XRF proporciona un rendimiento de XSW específico para cada elemento, no es sensible al estado químico del átomo absorbente. La sensibilidad al estado químico se logra mediante la detección de fotoelectrones , que requiere instrumentación de ultra alto vacío .

Las mediciones de posiciones atómicas en superficies de monocristales o cerca de ellas requieren sustratos de muy alta calidad cristalina. El ancho intrínseco de una reflexión de Bragg, calculado mediante la teoría de difracción dinámica, es extremadamente pequeño (del orden de 0,001° en condiciones convencionales de difracción de rayos X). Los defectos cristalinos, como la mosaicidad, pueden ampliar sustancialmente la reflectividad medida, lo que enmascara las modulaciones en el rendimiento de XSW necesarias para localizar el átomo absorbente. Para sustratos con muchos defectos, como los monocristales metálicos, se utiliza una geometría de incidencia normal o de retroreflexión. En esta geometría, se maximiza el ancho intrínseco de la reflexión de Bragg. En lugar de hacer oscilar el cristal en el espacio, la energía del haz incidente se ajusta mediante la condición de Bragg. Dado que esta geometría requiere rayos X incidentes suaves, normalmente se utiliza la detección de rendimiento de XSW mediante XPS.

Aplicaciones que requieren condiciones de ultra alto vacío :

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

Aplicaciones que no requieren condiciones de ultra alto vacío:

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

• Lista de métodos de análisis de superficies

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