Új utak a röntgensugárzással való atomi szintű anyagszerkezet meghatározásban Faigel Gyula Bevezető
MTA SZFKI 2006
Röntgensugárzással való szerkezet-meghatározás: Hagyományos diffrakciós módszerek Új röntgen sugárforrások: Hagyományos röntgenforrások Szinkrotronok, Szabad elektron lézerek Intenzív röntgenforrások adta új lehetőségek: Diffrakció: Extrém kísérleti körülmények között Felületi diffrakció Új módszerek: Mágneses röntgen szórás EXAFS, Holográfia
A röntgensugárzáshoz kapcsolódó kutatásokért odaítélt Nobel díjak 1901 Fizika: W.L. Röntgen, A róla elnevezett sugárzás felfedezéséért 1914 Fizika: M.T. F. von Laue, A röntgensugár kristályokon létrejövő diffrakciójának felfedezéséért 1915 Fizika: Sir W.H. Bragg és Sir W.L. Bragg, A kristályszerkezet röntgensugár-módszerrel történő analízisének felfedezéséért 1927 Fizika: A.H. Compton, C.T.R. Wilson a róla elnevezett hatás felfedezéséért (rugalmatlan röntgen szórás, Compton szórás) 1936 Fizika: P. J. W. Debye A molekulák szerkezetének röntgen- és elektrondiffrakciós kísérletekkel való meghatározásában végzett kutatásaiért 1962 Kémia: M. F. Perutz, G.J.C. Kendrew, Globuláris fehérjék szerkezetének vizsgálatában elért eredményeikért (hemoglobin, mioglobin).
A röntgensugárzáshoz kapcsolódó kutatásokért odaítélt Nobel díjak 1962 Orvostudomány: F.H.C. Crick, J.D. Watson, M.H.F. Wilkins, a nukleinsavak szerkezetének meghatározásáért és azért, hogy ezen anyagok jelentőségét felismérték az élő anyagban való információ átadásban. 1964 Kémia: C.D.C. Hodgkin, Fontos biomolekulák szerkezetének röntgen technikával való meghatározásáért (B12). 1976 Kémia: W.N. Lipscomb Jr., A boránok szerkezetének és kötési feltételeinek meghatározásáért 1985 Kémia: H.A. Hauptman és J. Karle, A röntgendiffrakcióból való kristályszerkezet meghatározó módszer ( a direkt módszer) kidolgozásáért 1988 Kémia: J.Deisenhofer, R.Hume, H. Michel, A fotoszintetikus reakciócentrum háromdimenziós szerkezetének meghatározásáért.
Egy atom a cellában
Egy molekula a cellában
A C-vitamin molekula és elhelyezkedése a rácsban
Távolságmérés hullámokkal
Bragg törvény
Diffrakciós képek információ tartalma Probléma a mérési technikából eredő információveszteség: "fázisprobléma„ |Fhkl|2 a mérés csak a szerkezeti tényező nagyságát határozza meg, a fázisa elveszik nem lehet Fourier transzformációval visszanyerni az elektronsűrűséget qhkl
Egykristály diffrakció
Diffrakciós képek információ tartalma Probléma a mérési technikából eredő információveszteség: "fázisprobléma„ |Fhkl|2 a mérés csak a szerkezeti tényező nagyságát határozza meg, a fázisa elveszik nem lehet Fourier transzformációval visszanyerni az elektronsűrűséget pordiffrakció esetén "vetítés„ qhkl → |qhkl|
qhkl
a mérés a 3 dimenziós reciproktér 1 dimenziós alterében zajlik → nem lehet az azonos szórási szögbe eső reflexiók intenzitását szeparálni intenzitás / beütésszám
Egykristály diffrakció
szórási szög / 2θ
Pordiffrakció
Diffrakciós képek információ tartalma Probléma a mérési technikából eredő információveszteség: "fázisprobléma„ |Fhkl|2 a mérés csak a szerkezeti tényező nagyságát határozza meg, a fázisa elveszik nem lehet Fourier transzformációval visszanyerni az elektronsűrűséget pordiffrakció esetén "vetítés„ qhkl → |qhkl|
qhkl
a mérés a 3 dimenziós reciproktér 1 dimenziós alterében zajlik → nem lehet az azonos szórási szögbe eső reflexiók intenzitását szeparálni
modell→ mérési eredmény szimulálása→ összehasonlítás egykristálydiffrakció: Patterson, Fourier és direkt módszer 10–20 atomos szerkezetek meghatározása pordiffrakció: profilillesztő módszerek, Rietveld módszer ismert szerkezet paramétereinek finomítása
intenzitás / beütésszám
A megoldást általában indirekt kiértékelési módszerek adják:
Egykristály diffrakció
szórási szög / 2θ
Pordiffrakció
A mérés vázlata
Hagyományos röntgenforrás
Röntgencső
Nagyfeszültségű tápegység
Szinkrotron sugárforrás v<
v~c
European Synchrotron Radiation Facility
A röntgenforrások energiaspektruma
Hullámhossz Å
Szinkrotronok energiaspektruma
Röntgen cső energiaspektruma
Sugárforrások összehasonlítása
Szinkrotronsugárzás
Hagyományos röntgen generátor
Időben
impulzusszerű (100ns, 1ns)
folytonos
Térben
irányított
mindenfelé sugároz
Polarizáció
lineáris (szabályozható)
polarizálatlan
Intenzítás
nagy
kicsi
Fényesség
nagyon nagy 1012-1018
kicsi 108
Lineáris gyorsítóra épülő szabad elektron lézer
Linac Coherent Light Source
Az első szabadelektron lézer forrás 1.5 – 15 angstrom hullámhossz tartományra
-Az LCLS-hez felhasználják a már meglévő SLAC gyorsítót - A pénzügyi támogatást jóváhagyták - 2006-ban kezdődik az építés -Az első kísérleteket 2008-ra tervezik - Későbbi fejlesztés lehetősége nyiott
A Standfordi 50 GeV-es Lineáris gyorsító
Mit nyújtanak a szabadelektron lézerek? A források fényessége 1.0E+30
Szabadelektron lézer
Időbeli lefutás Szinkrotron
1.0E+25
Fényesség
1.0E+20 1.0E+15 1.0E+10
100ns
ESRF
1ns
Bessy Forgó anódos
Szabadelektron lézer 10µs
19 00 19 30 19 60 19 90 20 20
1.0E+05 Hagyományos 1.0E+00
Év Nagy intenzitás és fényesség
100fs Igen rövid impulzushossz
Extrém kísérleti körűlmények, p
Fázisátmentek a Li-ban a nyomás függvényében (bcc (7.5 Gpa) →fcc (38-44 Gpa) →trigonal (>44 Gpa) →köbös I-43d )
Li szerkezete 44 GPa felett
Extrém kísérleti körülmények, p, T FeSi szerkezetének nyomás és hőmérsékletfüggése
Nagynyomású, magashőmérsékletű mérőcella FeSi p-t fázisdiagramja
NiAl (110)-on növesztett ultravékony Al2O3 réteg szerkezete Üreszközök korrózióvédelme, igen aktiv katalitikus anyag, memoria chipek alkotója O
Felülnézet
oldalnézet
Mért és számolt Patterson térkép
Mért és illesztett szerkezeti tényezők
Al
Ni
FePt nanorészecskék szerkezeti és mágneses jellemzése
Az abszorpciós él finomszerkezetét (EXAFS, XANES) és röntgen mágneses dikroizmust (XMCD) mértek a minták szerkezeti és mágneses jellemzéséhez. Nedves kémiával előállított 6 nm átmérőjű Fe50Pt50 részecskéket vittek fel Si szubsztrátumra, és H plazma kezelésnek vettették alá, majd 600 oC –os hőkezelésnek. Ennek hatására keményebb mágnesek lettek a részecskék.
Röntgen holográfia
detektor
Fluoreszcens sugárzás
E > Eabs Rtg.forrás minta
Belső forrással működő holográfia Larry Bartel (1972, gázokra) és Ábrahám Szőke (1986, szilárd anyagokra) javasolták elsőként, hogy a minta egyes atomjait használhatjuk pontszerű forrásként.
A
Az ESRF-nél felépített kísérleti berendezésünk
CoO hologramja különböző energiákon 6925 eV
13861 eV
17444 eV
18915 eV
CoO rekonstruált 3D képe
M. Tegze, G. Faigel, S . Marchesini, M. Belakhovsky, and A. I. Chumakov Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 4847
Atomi elrendeződés kvázi kristalyokban - Diffrakcióval nem kapunk képet a kvázi kristályok atomi rendjéről Az indexelés problematikus Fázis tisztaságot és kristály minőséget is nehéz tartani -Több lehetséges atomi dekoráció is lehetséges - A modelépítés alapja Kémiai megkötések Közelítő kristályos szerkezetek -Hogyan igazolhatjuk a modelleket?
Al70.4Pd21Mn8.6 kvázi kristály hologramja E = 16 keV energián
Háttérlevonás utáni nyers adat
Szimmetrizált hologram
Al70.4Pd21Mn8.6 kvázi kristály S. Marchesini, F. Schmithüsen, M. Tegze, G. Faigel, Y. Calvayrac, M. Belakhovsky, J. Chevrier, and A. S. Simionovici Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 4723
Atomi szerkezet modellje M. Boudard et al., J. Phys. Condens. Matter 4 (1992) 10149 koordinációs héj
atomok száma
távolság [Å]
Atom fajta
Holografikus súly
Mikrotomográfiás mérések Al szivacson
Az anyag roncsolódási mechanizmusának vizsgálata
Különböző Al szivacsok cellaméretének statisztikus jellemzése
Mikrotomográfiás mérések erőművekből származó légköri szennyező porszemcséről
Rb
Fluorescens analízissel és Compton szórással kiegészített tomográfiás Mn mérések, lehetőséget adnak az elemanalízisre is.
Fe
Mit hoz a jövő? -Atomi illetve molekuláris szintű folyamatok részleteinek vizsgálata a ps fs időskálán - Egyedi atomfürtök szerkezetének meghatározása az 1000 atomos nagyságrendben - A kvantummechanika alapjait érintő mérések, nem lineáris röntgenanyag kölcsönhatás vizsgálata - Az anyag extrém állapotainak mint pl. a “sűrű meleg anyag” vizsgálata -? És még sok olyasmi amit előre nem is tudunk.
