學術干貨| 看高大上的同步輻射如何玩轉材料科學

在許多材料類的頂級期刊上，你可能會經常看到運用同步輻射對材料的各種結構與性能進行表征，顯得非常高大上。在中國有三個同步輻射的光源，即合肥同步輻射光源、上海同步輻射光源和北京同步輻射光源。自這三個同步輻射建成以來取得了一系列的成功，包括鐵基超導、納米材料的合成等領域。

這三個同步輻射光源是國家耗巨資修建的，對于我國材料科學、理論物理、結構生物學等相關領域的發展起到了至關重要的作用。

今天小編就對同步輻射的基本構造及其在材料科學中的應用做一點介紹。

• 同步輻射是什么鬼？

同步輻射是速度接近光速(v≈c)的帶電粒子在磁場中沿弧形軌道運動時放出的電磁輻射，稱為"同步輻射"或"同步加速器輻射"。同步輻射是具有從遠紅外到X光范圍內的連續光譜、高強度、高度準直、高度極化、特性可精確控制等優異性能的脈沖光源，可以用以開展其它光源無法實現的許多前沿科學技術研究。于是在幾乎所有的高能電子加速器上，都建造了"寄生運行"的同步輻射光束線及各種應用同步光的實驗裝置。

至今，同步輻射裝置的建造及在其上的研究、應用，經歷了三代的發展。上海的同步輻射光源就是屬于三代光源，亮度比最亮的第二代光源至少高100倍，比通常實驗室用的最好的X光源要亮一億倍以上。它使得同步輻射應用從過去靜態的、在較大范圍內平均的手段擴展為空間分辨的和時間分辨的手段，這就為眾多的學科和廣泛的技術應用領域帶來前所未有的新機遇。

• 同步輻射的構造

一、同步輻射發生裝置

1、注入器
(1)直線加速器(Linac)：初步加速,幾十至幾百MeV,產生電子,形成電子束團

(2)增強器（Booster）：用同步加速器進一步加速電子達到需要值， 可達GeV

2、電子儲存環（storage ring）

一定能量電子在環內穩定運轉，發射同步輻射；由磁聚焦結構、高頻加速諧振腔、束流傳輸束線、插入件（扭擺器、波蕩器）及真空室構成。

二、光束線

作用：對原始白色輻射進行加工以滿足實驗對波長、尺寸等的要求，并把輻射從發射點引導到實驗裝置的整個光路

三、實驗站

進行不同類型同步輻射實驗的譜儀設備；

可同時安裝幾十至一百多實驗站，利用不同的光進行不同的實驗〔對X實驗要有防護小屋〕；

同步輻射裝置是一個大科學裝置，可供各種專業的科學家和技術人員數百人同時進行各種研究，24小時不停運轉。

• 同步輻射在材料科學中的應用

應用1：同步輻射X射線光電子能譜（PES）

原理：入射光能量超過一定閾值時，會有電子從物體中發射出來。

可以對元素及價態分析、能帶色散關系的實驗測定（角分辨光電子譜）。

應用2：自旋分辨光電子能譜

不僅可分析光電子的發射角和能量，尚可研究鐵磁體價態的自旋態。作為自旋偏振電子源，研究磁的相變及表面磁化等。

應用3：同步輻射X射線吸收譜（XANES和EXAFS）

XANES: X射線吸收近邊結構XANES（X-Ray Absorption Near Edge Structure）是自吸收邊到其上50eV的吸收截面，此過程可以由一個多體配分函數來描述，在一級近似下（即忽略芯能級空穴勢能效應），單電子吸收截面可以分解為與能量有關的原子躍遷矩陣元M(E)?和態密度 D(E)的乘積，即S (E)~M(E)D(E) 。因此，能夠直接提供固體中電子未占據態的能帶結構信息，以及電子軌道雜化、電荷轉移、電子軌道和自旋相互作用等電子結構信息。

EXAFS：局域結構

XANES：局域結構+電子態

應用4：同步輻射X射線小角散射(SAXS)

SAXS測量的分辨可達到9-11 ?。可探測樣品內電子密度起伏，研究樣品內缺陷和顆粒的尺寸、形狀及其分布。與常規X光相比，同步輻射光波長在大范圍內連續可調，且準直性好，研究的尺度范圍和 分辨均優于常規X光。

圖?SAXS實驗過程

應用5：同輻射X射線反射(XRR)

XRR是一種很好的非損傷性研究薄膜的工具，基于表面和界面的全反射，能夠得到以下信息：樣品表面的電子密度深度剖面圖 、薄膜厚度 、表面和界面粗糙度 、單層薄膜、多層薄膜的密度等信息。能夠應用到非晶、晶體和液體。利用較強的同步光源，得到較好的實驗數據。

圖?XRR過程中的光路

應用6：同步輻射 XRD和掠入射衍射(GIXRD)

利用高亮度和小發散等非凡的特性，可做常規X射線衍射儀無法勝任的許多XRD工作：

高分辨XRD ：高角度分辨、高能量分辨、高空間分辨等；實時XRD：高時間分辨；原位XRD ：高溫、高壓、超高壓等；掠入射衍射(GIXRD)：表面、界面。對于研究一些納米晶的成核與生長機理，材料的相變過程等方面有著及其重要的應用。

掠入射衍射(GIXRD)：

利用X射線在材料表面的全反射現象來研究材料的表層結構和成分分布，通過調節X射線的掠入射角來調整X射線的穿透深度，對材料的表面和表層(10-1000?)信息敏感，可有效地提取表面層的微弱信號。

可開展表面的單原子吸附層，清潔表面的重構,表面下約1000埃深度的界面結構以及表面非晶層的結構，表面層中或表面外吸附原子的深度分布等研究。

圖 掠入射X射線衍射實驗排置和光路原理圖

應用7：同步輻射X射線形貌術(XRT)

X射線形貌術是利用X射線在晶體中傳播及衍射的動力學原理，根據晶體中完美部分和不完美部分衍射襯度的變化和消光規律，研究晶體微觀結構缺陷。優點:直觀地對較大塊晶體及其器件作非破壞性的整體內部觀察。缺點:是曝光時間長，分辨率沒有電鏡高。

不僅克服了常規X射線形貌術曝光時間長的缺點，也可提高形貌像的分辨率，尤其重要的是它為研究材料的結構相變和晶體生長中缺陷的形成、遷移及再結晶等動態變化過程提供了可能，從而為X射線形貌術這一古老技術注入了新的活力。

?

應用8：同步輻射X射線熒光分析(XRF)

XRF原理:原子的XRF能量等于躍遷的兩個殼層間的能級差,與該元素之間具有特征性的對應關系，因而XRF分析可用于鑒別痕量元素。

利用現代同步輻射X射線光源的強度高、準直性好、偏振度強、能量范圍寬廣及可調等優點， XRF分析這一古老的技術又成為當代痕量元素無損分析的先進手段。

本文由材料人編輯部學術組淡年華供稿，材料牛編輯整理。

如你也有學術干貨，那么請你“才氣外露”，一起傳播材料知識，優秀稿件一經錄用，我們會奉上稿酬，私信管理員“淡年華（QQ:601416321）”報名哦！

歡迎加入材料人編輯部學術組，一起進行材料頂刊學術動態的跟蹤和報道以及SCI相關知識科普等。加入方式：加入材料人MOF學術交流群（120199039）。歡迎各大課題組到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com