Resonante Röntgenstreuung

Die Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie umfasst unter anderem die Photoabsorption. Ist die Energie der Röntgenstrahlung größer als die element- und schalenspezifische Ionisierungsenergie eines Elektrons, wird ein Photon absorbiert und das Elektron aus dem Atomverband herausgeschlagen. Das Atom befindet sich in einem angeregten Zustand (Ion). Das entsprechende Element wird als Absorber bezeichnet, die sprunghaft ansteigende Absorption an diesen spezifischen Energien als Absorptionskante.

Röntgenographische Messungen im Bereich der Absorptionskanten der zu untersuchenden Verbindung werden als „resonante“ Streuversuche bezeichnet. Diese Methoden können meist nur an einem Synchrotron angewendet werden, da dort die Energie der Photonen aus einem weiten Bereich gewählt werden kann.

 

Röntgen-AbsorptionsspektroskopieAbsorptionsspektroskopie mit und ohne Feinstruktur, Verdeutlichung der Einteilung in Nah- und Fernkantenbereich. Messung an Ti-K-Kante von SrTiO3.


 

X-ray Absorption Fine Structure – XAFS

Die Untersuchung der Abhängigkeit der Absorption von der eingestrahlten Energie wird als Röntgenabsorptionsspektroskopie (engl. X-ray Absorption Spectroscopy – XAS) bezeichnet. Die Messung geschieht entweder in Transmission (Durchstrahlung) oder indirekt über Fluoreszenz oder Elektronenausbeute. Die Methode X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) analysiert die feinen Oszillationen (Feinstruktur), die in der Nähe einer Absorptionskante auftreten. Es wird dabei in Nahkanten- und Fernkantenbereich unterschieden:

  • X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy (XANES):
    • auch Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS)
    • bis ca. 30 eV oberhalb der Kante
    • dominiert durch Mehrfachstreueffekte
    • Informationen über elektronische Eigenschaften des Absorbers, wie formelle Oxidationszustände und chemische Koordination
  • Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS):
    • ab ca. 30 eV oberhalb der Kante
    • dominiert durch Einfachstreuprozesse
    • Informationen über Nachbarschaft des Absorbers, wie Abstände, Koordinationszahlen und Nachbarelemente

 

Beugung eines RöntgenstrahlsBeugung eines Röntgenstrahls k an einer Probe, bei Erfüllung der Bragg-Bedingung für den Reflex q.

 

Diffraction Anomalous Fine Structure – DAFS

Die Methode Diffraction Anomalous Fine Structure (DAFS) ist der XAFS stark verwandt. Auch hier wird die Intensität in Abhängigkeit von Energie E bzw. Impuls k des Röntgenstrahls gemessen. Der Unterschied besteht darin, dass hier die Bragg-Intensität eines gewählten kristallographischen Reflexes q genutzt wird. Dadurch wird die Methode zusätzlich zur Elementsensitivität auch lagespezifisch. Liegt ein Element im Kristall auf zwei unterschiedlichen Symmetrielagen vor, so kann mit dieser Methode zwischen beiden Positionen unterschieden werden.

 

Anisotropy of Anomalous Scattering – AAS

Eine weitere Besonderheit resonanter Röntgenbeugung ist eine verstärkte Abhängigkeit der Intensität eines Reflexes q von der Polarisation der Röntgenstrahlung. Ändert man die Polarisation der Photonen bezüglich der Probe – z. B. durch Rotation um die Netzebenennormale – erhält man, abhängig von der Symmetrie des resonanten Atoms, charakteristische sinusförmige Oszillationen. Diese Anisotropie kann in manchen Fällen dazu genutzt werden, Phaseninformationen über die Atomstreuamplitude zu erhalten.

 

Forbidden Reflection near Edge Diffraction – FRED

Eine Konsequenz der Anisotropie in resonanter Streuung (AAS) ist, dass die resonanten Atome nicht mehr als kugelsymmetrisch angesehen werden können, wie es gewöhnlich in der Röntgenstreuung und Kristallographie geschieht. Dies hat insbesondere zur Folge, dass kristallographische Auslöschungsregeln nicht mehr greifen, wenn sie auf Translationssymmetrien beruhen, die mit einer Rotation kombiniert wurden, wie es bei Schraubenachsen und Gleitspiegelebenen der Fall ist. Die so im resonanten Fall zusätzlich auftretenden Reflexe werden auch verbotene Reflexe genannt und treten nur unter resonanten Bedingungen – meist in einem engen Energiebereich von ca. 20...40 eV um die Kante – auf und zeigen somit eine starke Energieabhängigkeit.