Új utak a röntgensugárzással való atomi szintű anyagszerkezet meghatározásban Faigel Gyula MTA SZFKI 2006

Átírás

1 Új utak a röntgensugárzással való atomi szintű anyagszerkezet meghatározásban Faigel Gyula MTA SZFKI 2006 Bevezető 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

2 A röntgensugárzáshoz kapcsolódó kutatásokért odaítélt Nobel díjak 1962 Kémia: M. F. Perutz, G.J.C. Kendrew, Globuláris fehérjék szerkezetének vizsgálatában elért eredményeikért (hemoglobin, mioglobin) 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

3 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 Kémia: C.D.C. Hodgkin, Fontos biomolekulák szerkezetének röntgen technikával való meghatározásáért (B 12 ) 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.

4 Egy atom a cellában

5 Egy molekula a cellában

6 A C-vitamin molekula és elhelyezkedése a rácsban

7 Távolságmérés hullámokkal

8 Bragg törvény

9 Diffrakciós képek információ tartalma Probléma a mérési technikából eredő információveszteség: "fázisprobléma F hkl 2 a mérés csak a szerkezeti tényező nagyságát határozza meg, a fázisa elveszik nem lehet Fourier transzformációval visszanyerni az elektronsűrűséget q hkl Egykristály diffrakció

10 Diffrakciós képek információ tartalma Probléma a mérési technikából eredő információveszteség: "fázisprobléma F hkl 2 a mérés csak a szerkezeti tényező nagyságát határozza meg, a fázisa elveszik nem lehet Fourier transzformációval visszanyerni az elektronsűrűséget pordiffrakció esetén "vetítés q hkl q hkl a mérés a 3 dimenziós reciproktér 1 dimenziós alterében zajlik nem lehet az azonos szórási szögbe eső reflexiók intenzitását szeparálni q hkl Egykristály diffrakció intenzitás / beütésszám szórási szög / 2θ Pordiffrakció

11 Diffrakciós képek információ tartalma Probléma a mérési technikából eredő információveszteség: "fázisprobléma F hkl 2 a mérés csak a szerkezeti tényező nagyságát határozza meg, a fázisa elveszik nem lehet Fourier transzformációval visszanyerni az elektronsűrűséget pordiffrakció esetén "vetítés q hkl q hkl a mérés a 3 dimenziós reciproktér 1 dimenziós alterében zajlik nem lehet az azonos szórási szögbe eső reflexiók intenzitását szeparálni q hkl Egykristály diffrakció A megoldást általában indirekt kiértékelési módszerek adják: modell mérési eredmény szimulálása összehasonlítás egykristálydiffrakció: Patterson, Fourier és direkt módszer atomos szerkezetek meghatározása pordiffrakció: profilillesztő módszerek, Rietveld módszer ismert szerkezet paramétereinek finomítása intenzitás / beütésszám szórási szög / 2θ Pordiffrakció

12 A mérés vázlata

13 Hagyományos röntgenforrás Röntgencső Nagyfeszültségű tápegység

14 Szinkrotron sugárforrás v<<c v~c European Synchrotron Radiation Facility

15 A röntgenforrások energiaspektruma Hullámhossz Å Szinkrotronok energiaspektruma Röntgen cső energiaspektruma

16 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 kicsi 10 8

17 Lineáris gyorsítóra épülő szabad elektron lézer Linac Coherent Light Source Az első szabadelektron lézer forrás angstrom hullámhossz tartományra -Az LCLS-hez felhasználják a már meglévő SLAC gyorsítót - A pénzügyi támogatást jóváhagyták ban kezdődik az építés -Az első kísérleteket 2008-ra tervezik - Későbbi fejlesztés lehetősége nyiott

18 A Standfordi 50 GeV-es Lineáris gyorsító

19 Mit nyújtanak a szabadelektron lézerek? Fényesség A források fényessége 1.0E+30 Szabadelektron lézer 1.0E E+20 ESRF 1.0E+15 Bessy 1.0E+10 Forgó anódos 1.0E+05 Hagyományos 1.0E Év Nagy intenzitás és fényesség Időbeli lefutás Szinkrotron 100ns 1ns Szabadelektron lézer 10µs 100fs Igen rövid impulzushossz

20 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

21 Extrém kísérleti körülmények, p, T FeSi szerkezetének nyomás és hőmérsékletfüggése Nagynyomású, magashőmérsékletű mérőcella FeSi p-t fázisdiagramja

22 NiAl (110)-on növesztett ultravékony Al 2 O 3 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

23 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 Fe 50 Pt 50 részecskéket vittek fel Si szubsztrátumra, és H plazma kezelésnek vettették alá, majd 600 o C os hőkezelésnek. Ennek hatására keményebb mágnesek lettek a részecskék.

24 Röntgen holográfia detektor Fluoreszcens sugárzás E> E abs Rtg.forrás minta

25 Belső forrással működő holográfia Larry Bartel (1972, gázokra) és Ábrahám Szőke (1986, szilárd anyagokra) javasolták elsőként, hogy a minta egyes atomjait használhatjuk pontszerű forrásként.

26 Az ESRF-nél felépített kísérleti berendezésünk A

27 CoO hologramja különböző energiákon 6925 ev ev ev ev

28 CoO rekonstruált 3D képe M. Tegze, G. Faigel, S. Marchesini, M. Belakhovsky, and A. I. Chumakov Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 4847

29 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?

30 Al 70.4 Pd 21 Mn 8.6 kvázi kristály hologramja E = 16 kev energián Háttérlevonás utáni nyers adat Szimmetrizált hologram

31 Al 70.4 Pd 21 Mn 8.6 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) koordinációs héj atomok száma távolság [Å] Atom fajta Holografikus súly

32 Mikrotomográfiás mérések Al szivacson Az anyag roncsolódási mechanizmusának vizsgálata Különböző Al szivacsok cellaméretének statisztikus jellemzése

33 Mikrotomográfiás mérések erőművekből származó légköri szennyező porszemcséről Rb Mn Fluorescens analízissel és Compton szórással kiegészített tomográfiás mérések, lehetőséget adnak az elemanalízisre is. Fe

34 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.