Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten...

35
Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte Relaxationszeit T 0

Transcript of Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten...

Page 1: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder GasenKorrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen

L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954)

mittlere Dichte

Relaxationszeit T0

Page 2: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Inelastische und quasielastische StreuungInelastische und quasielastische Streuung

M. Bée, Chem. Phys. 292, 121 (2003)

Page 3: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Energie- und Impulsüberträge von Neutronenspektrometern

Energie- und Impulsüberträge von Neutronenspektrometern

M. Bée, Chem. Phys. 292, 121 (2003)

Flugzeitspektroskopie(time-of-flight)

Rückstreu-spektrometer(backscattering)

Neutronen-Spin-Echo-Spektrometer

Page 4: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Struktur von KaliumamidStruktur von Kaliumamid

monoklinkubisch

M. Müller, Dissertation (Kiel 1996)

Page 5: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

M. Müller, Dissertation (Kiel 1996)

Quasielastische Streuung: KaliumamidQuasielastische Streuung: Kaliumamid

monoklin

Page 6: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

M. Müller, Dissertation (Kiel 1996)

Quasielastische Streuung: KaliumamidQuasielastische Streuung: Kaliumamid

monoklin

kubisch

Page 7: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Neutronen-FlugzeitspektrometerNeutronen-Flugzeitspektrometer

IN6 (ILL)

Page 8: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

X-ray absorption spectroscopyin materials science

X-ray absorption spectroscopyin materials science

Martin MüllerInstitut für Experimentelle und Angewandte Physik

der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

• Photoelectric absorption

• XANES

• EXAFS

• Instrumentation

• Examples

Page 9: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Uses of X-ray spectroscopyUses of X-ray spectroscopy

• element-specific• diluted or concentrated systems can be studied• study of disordered systems possible• wide temperature and pressure range

XAFS: X-ray absorption fine structure

local technique:

Page 10: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Photoelectricabsorption

Photoelectricabsorption

(a) ionisation energy of inner shell smaller than

X-ray energy⇓

photoemissionof core electron

(b,c) two possiblesecondary processes

to fill the hole

Page 11: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

zeIIT μ−==0

aAm

AN σρμ ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

Transmission and absorption cross sectionTransmission and absorption cross section

transmitted intensity decays exponentially with thickness:

absorptioncoefficient

absorptioncross-section

Avogadro‘s numberatomic mass number

mass density

Page 12: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

3−∝ Eaσ

4Za ∝σ

Absorption edgesAbsorption edgesgeneral behaviourof cross-section:

sudden increase in absorbance at ionisation energyof core electron= absorption edge

Page 13: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Absorption edgesAbsorption edges

electronstates

nomenclatureof edges

Page 14: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Fine structure of absorption edgesFine structure of absorption edges

example: krypton

K edge

2D crystalgas

X-ray Absorption Near-Edge Structure

Extended X-ray Absorption Fine Structure

≈ 40 eV

XAFS

Page 15: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

**

*

RgDsMtHsBhSgDbRfLrRaFr

RnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLuBaCs

XeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRb

KrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaK

ArClSPSiAlMgNa

NeFONCBBeLi

HeH

**

*

NoMdFmEsCfBkCmAmPuNpUPaThAc

YbTmErHoDyTbGdEuSmPmNdPrCeLa

XANES only

EXAFS difficult

K-edge EXAFS

L3/K-edge EXAFS

L3-edge EXAFS

XAFS accessible elementsXAFS accessible elements

Page 16: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

X-ray absorption spectroscopyin materials science

X-ray absorption spectroscopyin materials science

• Photoelectric absorption

• XANES

• EXAFS

• Instrumentation

• Examples

Page 17: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Mn compound: shift of edge position

Energy shift of edge positionEnergy shift of edge position

energy to eject core electron depends on charge it experiences:edge energy depends on oxidation state

Page 18: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

electron might also beexcited into

bound states

Pre-edge peaksPre-edge peaks

Page 19: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Pre-edge peaksPre-edge peaks

9.03 8.95

← Energy (keV)

K Edge ~1.38Å1s→4p

Abso

rptio

n

1s→4s

1s→3d

CuCl2 . 2H2O

CuCl

E (eV)

depend on geometry:• oxidation state• site symmetry• surrounding ligands• nature of bonding

Page 20: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

XANES white linesXANES white lines

E (eV)

in transition metals:area of white lineindicates number of empty d-states

Page 21: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

XANES fingerprintingXANES fingerprinting

XANES characteristic of chemical environment and valence state:• fingerprinting• phase analysis by linear combination of known species

unknownS spectrum

known references(oxidation numbers

0, 2, 4, 6)

high sensitivityto electronic states!

Page 22: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

X-ray absorption spectroscopyin materials science

X-ray absorption spectroscopyin materials science

• Photoelectric absorption

• XANES

• EXAFS

• Instrumentation

• Examples

Page 23: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Principle of EXAFS oscillations

Principle of EXAFS oscillations

AnimationAnimation

Interference of wavefunctionsof photoelectron and of backscattered electrons(from neighbouring atoms)

Page 24: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Parameters accessible with EXAFSParameters accessible with EXAFS

• type of atoms surrounding central absorber (Z ± 3)• number of atoms surrounding absorber (± 20%)• distances absorber – scatterer (accuracy 0.1 Å)

Page 25: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

EXAFS data analysisEXAFS data analysis

)()()(

))((0

0

EEE

Eqμ

μμχ χ −

=

KEmq ωhh

−=2

22

EXAFS signal: isolated atom

in material of interest

electron wave vector

Fourier transform:radial distribution function

one shell

CdTe nanocrystals

Page 26: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

The EXAFS formula …The EXAFS formula …

many shells

CdTe bulk

• sum over j neighbouring shells• goal: extract radii Rj and

occupation numbers Nj• damping due to loss (mean free

path Λ) and disorder (Debye-Wallerfactor)

• phase shifts• backscattering amplitude

difficult…

Page 27: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

X-ray absorption spectroscopyin materials science

X-ray absorption spectroscopyin materials science

• Photoelectric absorption

• XANES

• EXAFS

• Instrumentation

• Examples

Page 28: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Absorption spectrometerAbsorption spectrometer

IC: ionisation chamber

fixed-exit double crystal monochromator

(fast scanning withpiezos: QEXAFS)

θ

θ

scanning

Page 29: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

EXAFS / XANES in one shot: DEXAFSEXAFS / XANES in one shot: DEXAFS

polychromator:bent Si(111) crystal

energy dispersiontranslated into positiondependence on detector

„white“synchrotronradiation

energy-dispersive

Page 30: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Bent crystal polychromator @ ID24 (ESRF)Bent crystal polychromator @ ID24 (ESRF)

Page 31: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Alternatives to transmission

measurements

Alternatives to transmission

measurements

fluorescence(high sensitivity)

Auger yield(if fluorescence

yield low)

Page 32: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

X-ray absorption spectroscopyin materials science

X-ray absorption spectroscopyin materials science

• Photoelectric absorption

• XANES

• EXAFS

• Instrumentation

• Examples

Page 33: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Homogeneous catalytic reaction mechanismsHomogeneous catalytic reaction mechanisms

ESRF Highlights 2004

Cu(II) catalyst (arylation)

• XANES time resolution: 10-200 ms• combination with UV-vis spectroscopy

XANES

UV-vis

Page 34: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Adsorbate-induced phase change in Rh catalystsAdsorbate-induced phase change in Rh catalysts

ESRF Highlights 2002

car exhaust catalytic converters:NO converted to N2

Rh nanoparticles rapidlychange upon exposure to NO

Rh metal

Rh2O3 oxide

time-resolved EXAFS study

Page 35: Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen · Korrelationsfunktionen in Flüssigkeiten oder Gasen L. Van Hove, Phys. Rev. 95, 249 (1954) mittlere Dichte ... monoklin. M.

Synchronizing IR spectroscopy and XAFS Synchronizing IR spectroscopy and XAFS

ESRF Highlights 2006

sub-second EXAFS and IR time resolution

again de-NOx Rh catalyst: many different components

IR EXAFS

Rh(NO)2

NO- (bent)

NO on metal

NO+ (linear)

Rh metal

Rh2O3oxide