奈米材料之X光吸收光谱检测和分析.doc

■ PAGE 644 ■ 物理雙月刊（廿三卷六期）2001年12月 奈米材料之X光吸收光譜檢測與分析 楊宗燁1、林鴻明1*、吳泉毅1、林中魁2 1大同大學材料科學與工程系 2逢甲大學材料科學系 *e-mail: hmlin@mse.ttu.edu.tw 摘 要 利用同步輻射光源對奈米材料進行X光吸收光譜研究，包括X光近緣結構(可以用來檢測材料中特定原子之電子組態)及延伸X光吸收精細結構(可用來測定原子之區域結構)兩大部份。在本文中我們介紹了X光吸收光譜的基本原理，並以本研究群對一些奈米材料之研究，如氣凝合成法合成二元之奈米AgNi粉末及奈米TiO2、WO3粉末做實例說明。經由X光吸收光譜在原子短程結構及電子組態上之優點，與傳統XRD長程有序分析及TEM等結果相互配合，可使我們更加了解奈米材料之結構特性。 關鍵詞：AgNi、TiO2、WO3、奈米微粒、煆燒、XANES、EXAFS。 一、前言 奈米材料之定義是指其晶粒大小介於1至100 奈米(10-9 m)間之材料，由於其具有與一般結晶或非晶質相不同之原子結構，其與傳統材料之性質亦因此而有所不同，如光學、磁性、熱傳、擴散、機械等性質；同時因其晶粒小，可使原本無法混合之金屬(或聚合物)形成合金或複合材料〔1,2,3〕。。由於這些不同於傳統塊材或粉末材料之優異物理化學性質，奈米材料在國際間已為一重要之學術領域，工業上之應用也日趨重要。 奈米材料之檢測，傳統上以X光繞射分析(X-ray Diffraction, XRD)、穿透式電子顯微鏡(TEM)、掃瞄式電子顯微鏡(SEM)等為主；若以XRD進行結構分析，由於奈米材料之晶粒小，常無法得到足夠的繞射峰強度，雖然TEM可以提供結構分析，但畢竟所能檢測之材料僅佔整體之一部份。 同步輻射是一種光源，其本質與傳統之X光相同，均為電磁波，它的產生是由電子束在光速下進行圓周運動而發射出來的。其產生之高亮度X光(或UV光)，已被廣泛地應用在物理化學等各研究領域上。利用同步輻射光源對材料進行X光吸收光譜研究，主要包括X光近緣結構(X-ray Absorption Near-Edge Structure，簡稱為XANES)及延伸X光吸收精細結構(Extended X-ray Absorption Fine Structure，簡稱為EXAFS)。其中XANES可以用來檢測材料中特定原子之電子組態，而EXAFS可被用來測定原子之區域結構(Local Structure)，得知原子與其鄰近原子間之距離、種類及數目等。X光吸收光譜可發揮其在原子短程結構及電子組態上之優點，與傳統XRD長程有序分析及TEM等結果相互配合，可使我們更加了解奈米材料之結構特性。 二、原理 當物質受到Ｘ光照射而吸收Ｘ光，我們可以用吸收係數μ，來表示其吸收的程度；若是以Io表示入射X光之強度，I表示出射光強度，樣品厚度為x，μ表示材料單位厚度對X光之吸收，則可以下式來表示其相互之關係： 若Ｘ光的能量改變，即使物質中的原子不吸收，因為散射等因素，測得之出射光強度仍會比入射光強度減小，這種現象會隨Ｘ光能量增強而逐漸平滑地降低，構成吸收光譜的底線。當Ｘ光的能量逐漸增強至物質中所含原子之吸收限(Absorption Edge)，原子的內層電子開始吸收Ｘ光的光子，躍遷至外層之空軌域，造成吸收係數激增，即形成所謂的X光近緣結構(XANES)，其範圍約從原子之吸收限以上約50 eV左右，如圖(一)所示為Ti原子之X光吸收光譜，不同原子其吸收限之能量隨亦不同，且其近緣結構會受中心原子之對稱性、氧化數、及所鍵結之鄰近原子影響。簡而言之，X光近緣結構(XANES)可以檢測材料中特定原子之電子組態。 圖(一)：Ti K吸收限之X光吸收光譜。 當Ｘ光的能量繼續提高，內層電子終於躍遷至連續層，形成光電子，而離開原來之吸收原子，若吸收原子的緊鄰另有原子存在，則射出之光電子與之作用而折返，因此出射的光電子與折返的光電子間即產生干繞現象(Interference)，吸收係數的大小隨相差的改變而逐漸變化，呈現週期性變化，這種變化從近緣區以上約1000 eV的範圍內都可發現，這範圍的吸收光譜即稱為延伸X光吸收精細結構(EXAFS)，如圖(一)所示。利用EXAFS技術，可以決定原子之區域結構，即一個原子與其四周緊鄰的原子之間的距離、原子的種類及數目等都可以測定〔4,5,6〕。 三、實驗方法 奈米材料之X光吸收光譜研究主要在新竹之同步輻射研究中心(Synchrotron Radiation Research Center，簡稱為SRRC)之1-9KeV (B15B)及Wiggler C (17C)進行。這些光束線皆為使用雙晶分光儀DCM(Double Crystal Monochromator)之高能量解析度(能量解