高级光源处的软X射线光谱仪

当材料中的电子被X射线激发时，材料可以通过重新发射光子和电子来返回基态。分析发射光子的能量并将其与激发光子的能量进行比较一直是研究材料电子结构的最直接方法之一。这些基于光子的技术包括X射线吸收光谱（XAS，部分荧光屈服​​模式PFY-XAS），X射线发射光谱（XES）和谐振无弹性X射线散射光谱（RIXS）。[1]根据激发光子的能量，它们可以提供占用和空地的预测状态密度（PDOS），基本激发（声音，镁，轨道激发）等的信息。，确定物理和化学特性。光子光谱镜被广泛用于世界各地的同步加速器设施中，现在他们正在使用基于实验室的软X射线源发现越来越多的应用科学应用。bob综合app官网登录

在软X射线状态（低于2 KEV的光子能量）中，反射光栅通常用于分析光子的能量。在这里，我们展示了基于光栅的软X射线光谱仪的新型设计，该设计利用Andor Ikon CCD检测器（DO 936-BN）。[2]

图1：示意图，显示了Hettrick-uderwood光学方案。

模块化X射线光谱仪（MXS）

光谱仪使用两个光学元件的Hettrick-uder Wood Optical方案（见图1）：一个球形镜，用于将从样品发射的X射线聚焦到检测器上，并组合一组不同的线间距（VLS）平面光栅，用于将光子分配给光子与光子分配给光子不同的能量，成像球形镜创建的虚拟源，并纠正两个光学元素的畸变。光谱仪设计为具有中等分辨能力的模块化（定义为分辨率的能量，或E/？e）。它由三个主要组成部分组成：一个具有上述光学元件的光学室，一个探测器组件，其中CCD附着在该元件上，以及将光谱仪连接到实验端积上的安装机制。该光谱仪的CAD模型如图2所示2.500 eV光子能量。

RIXS电池阴极材料LI（NI，CO，MN）O₂

尽管使用Andor CCD具有适度的能量分辨率，但Hettrick-Urder Wood Optical方案具有较大的平面成像能力。此外，针对高吞吐量进行了优化的光学设计使研究人员能够在短得多的实验时间内记录非常弱（小的横截面）RIXS光谱。如图3所示，在劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的高级光源（ALS）梁线8.0上，对电池阴极材料（NI，CO，MN）O2进行了实验。

图3：（a）在900 eV激发光子能量以300秒（黑色）和60秒（红色，通过5倍的5倍）测量时间以900 eV激发光子能量采集的lini1/3co1/3mn1/3O2的XES光谱。（b）通过MN L2,3边缘扫描的激发光子能量的RIX映射（从635 eV到660 eV）。弹性线和局部DD激发分别以粉红色和白色虚线标记。垂直宽线是非共鸣的荧光特征。[2]

在图3（a）中，我们显示了正常的XES光谱，其激发光子能量调谐到900 eV，远高于该材料中过渡金属元件（Ni，Co和Mn）的共振。如人们所见，光谱窗口近400 eV，从〜500 eV到900 eV。在这个能量窗口中，可以同时记录来自关键过渡金属元件Ni，Co和MN的X射线排放。此外，这些光谱特征可以在暴露时间仅1分钟内解决，高统计频谱仅需5分钟即可获取。发射强度足够强，以至于L_2,3- m₁也可以观察到衰减通道。该光谱仪的这种增强的检测效率使XES成为材料研究中通常使用的XAS的可行技术。

当激发光子能量调谐到元素吸收边缘时，在这种情况下说Mn L2,3边缘（从Mn 2p过渡_1/2、3/2对于3D状态），共振增强使RIXS光谱中可见的局部局部激发特征较弱。在图3（b）中，我们显示了一个RIXS映射由RIXS光谱组成，该光谱从635 eV到660 eV（126个光谱）采取的0.2 eV激发能步骤。每个光谱的获取时间为2分钟，整个地图大约需要4个小时才能完成。尽管花了这么长时间在少数选定的激发光子能量下在RIXS光谱上生产地图[这是每次频谱的漫长获取时间，这是记录RIXS光谱的常见做法]，但人们已经可以看到RIXS地图。在地图中可以很容易地识别几个光谱特征：强对角线是弹性峰（发射光子能量等于激发光子能量或零能量损失），并且几条平行线是MN 3D之间的拉曼样跃迁轨道（称为DD激发，是3D轨道之间的光学禁止过渡）。强烈的垂直条纹，强度在Mn L上方增强₃吸收边缘是MN 3D带过渡的正常荧光。荧光和DD激发可以在MN吸收边缘互相混合，从而使它们在像XAS这样的能量集成探针中很难区分（在发射能量上集成；或在此地图中水平）。但是在RIXS地图中清楚地看到它们。

最近，这一发现要求重新审查使用能量积分光子检测器记录的XAS光谱的解释，因为某些光谱特征可以来自增强的局部激发，而不是原始带的跃迁。[3]尽管如此，它表明了使用RIX映射研究相关的功能材料的重要性，在这些功能材料中，光谱线形解释在阐明潜在的电子结构中起着关键作用。

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参考

1. L.J.P.Ament等人，《现代物理学评论》 83，705（2011）
2. Y.-D。Chuang等人，《科学仪器评论》 88，013110（2017）
3. V. Bisogni等人，《自然传播》 7，13017（2016）