X-ray 吸收光譜之原理簡介

本實驗將製備完成樣品於國家同步輻射研究中心（National Synchrotron

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Radiation Research Center，NSRRC）中之 6m high energy spherical grating monochromator（6m HSGM）光束線 BL20A[12]、BL17C 和 BL08B 等光束 線，進行 X 光吸收光譜量測。

一般而言，在 X 光的能量區段中，物質對越高能量光子的吸收度越低(亦 即高能量的 X 光具有較大的穿透力)，因此物質的吸收係數對 X 光能量作圖，

大致呈現遞減的趨勢，然而在吸收曲線上存在一些躍昇段，乃因入射能量 恰好足夠將某一元素原子的內層電子激發而造成吸收係數突然增加所致。

基本上，我們將 X 光吸收光譜分為兩個區域，分別為 X 光吸收邊緣結 構(X-ray Absorption Near Edge Structure , XANES)與延伸 X 光吸收細微結構 (EXAFS)，以下我們將針對此兩種光譜結構做介紹。[9]

3.3.2 (a) XANES 原理簡介

X 光吸收邊緣結構(X-ray Absorption Near Edge Structure , XANES)，其能 譜範圍從吸收原子之吸收邊緣以上至 40eV 之間，由於受偶極選擇律限制，

其內層原子能態與次高(低)之角量子層電子能態有關。由於 XANES 包含吸 收原子之束縛力及其周圍原子排列有關，可利用其推測吸收原子的結構對 稱性以及其有效電荷分佈等資訊，XANES(又稱 Kossel 結構)雖然表現出更 多的電子結構訊息，但其理論仍尚未完整。

XANES (X-ray absorption near edge structure )主要為分析材料空軌域電 子組態（電洞）之工具，特別是 O 的 K edge (O 的 1s 到 2p 空軌域的吸收) ，

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由光譜中的幾個特定能量上，可了解能帶載子分佈之情形。從 XANES 光譜 分析中可量測兩種數據：全電子產率（Total electron yield）與 X 光螢光產 率（X-ray fluorescence yield），如圖 3-1。

由全電子產率可得知樣品表面的特性，因為當 X-ray 照射樣品時會激發 內部光電子往樣品的表面移動，但由於電子與電子間的庫倫作用力之牽制，

會使較深層電子不容易被激發，只有靠近表層的電子被激發，藉由電流計 檢測其光電流，可知樣品表面的特性。相對於全電子產率，X 光螢光產率 是用來了解材料整體結構的特性分析，因為 X-ray 將光電子激發後會留下空 軌域，外層的電子將會佔據此空軌域將放出光子而產生螢光。螢光是由光 子所組成，故不會受到庫倫作用力之牽制，因此可探測較深層之電子結構，

實驗上常利用 X 光螢光產率是來作樣品整體結構的特性分析。

圖 3-1 X 光吸收光譜之電子及螢光產率原理圖：X 光打入樣品激發內層電子 躍遷至空軌域，外層電子掉至內層電洞因而產生螢光 。

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3.3.2(b) HSGM 裝置簡介

如圖 3-2 為國家同步輻射研究中心（National Synchrotron Radiation Research Center ， NSRRC ） 中 之 6m high energy spherical grating monochromator（6m HSGM）光束線 BL20A 光學系統設計圖。

圖 3-2 6m HSGM 光束線光學系統配置圖。

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圖 3-3 光子能量與銅的吸收截面關係圖。[10]

3.3.2(c) NSRRC BL17C 光束線配置

如圖 3-4 所示為國家同步輻射研究中心（National Synchrotron Radiation Research Center，NSRRC）BL17C 光束線上重要組件之配置，各組件相關 的調節馬達名稱則標於上方。[11]

圖 3-4 BL17C1 光束線之重要組件配置，相關的調節馬達名稱列於各組件上，括弧內的 數字表示與光源之距離 (單位為公尺)。

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