学术干货| 看高大上的同步辐射如何玩转材料科学

在许多材料类的顶级期刊上，你可能会经常看到运用同步辐射对材料的各种结构与性能进行表征，显得非常高大上。在中国有三个同步辐射的光源，即合肥同步辐射光源、上海同步辐射光源和北京同步辐射光源。自这三个同步辐射建成以来取得了一系列的成功，包括铁基超导、纳米材料的合成等领域。

这三个同步辐射光源是国家耗巨资修建的，对于我国材料科学、理论物理、结构生物学等相关领域的发展起到了至关重要的作用。

今天小编就对同步辐射的基本构造及其在材料科学中的应用做一点介绍。

• 同步辐射是什么鬼？

同步辐射是速度接近光速(v≈c)的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，称为"同步辐射"或"同步加速器辐射"。同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。于是在几乎所有的高能电子加速器上，都建造了"寄生运行"的同步辐射光束线及各种应用同步光的实验装置。

至今，同步辐射装置的建造及在其上的研究、应用，经历了三代的发展。上海的同步辐射光源就是属于三代光源，亮度比最亮的第二代光源至少高100倍，比通常实验室用的最好的X光源要亮一亿倍以上。它使得同步辐射应用从过去静态的、在较大范围内平均的手段扩展为空间分辨的和时间分辨的手段，这就为众多的学科和广泛的技术应用领域带来前所未有的新机遇。

• 同步辐射的构造

一、同步辐射发生装置

1、注入器
(1)直线加速器(Linac)：初步加速,几十至几百MeV,产生电子,形成电子束团

(2)增强器（Booster）：用同步加速器进一步加速电子达到需要值， 可达GeV

2、电子储存环（storage ring）

一定能量电子在环内稳定运转，发射同步辐射；由磁聚焦结构、高频加速谐振腔、束流传输束线、插入件（扭摆器、波荡器）及真空室构成。

二、光束线

作用：对原始白色辐射进行加工以满足实验对波长、尺寸等的要求，并把辐射从发射点引导到实验装置的整个光路

三、实验站

进行不同类型同步辐射实验的谱仪设备；

可同时安装几十至一百多实验站，利用不同的光进行不同的实验〔对X实验要有防护小屋〕；

同步辐射装置是一个大科学装置，可供各种专业的科学家和技术人员数百人同时进行各种研究，24小时不停运转。

• 同步辐射在材料科学中的应用

应用1：同步辐射X射线光电子能谱（PES）

原理：入射光能量超过一定阈值时，会有电子从物体中发射出来。

可以对元素及价态分析、能带色散关系的实验测定（角分辨光电子谱）。

应用2：自旋分辨光电子能谱

不仅可分析光电子的发射角和能量，尚可研究铁磁体价态的自旋态。作为自旋偏振电子源，研究磁的相变及表面磁化等。

应用3：同步辐射X射线吸收谱（XANES和EXAFS）

XANES: X射线吸收近边结构XANES（X-Ray Absorption Near Edge Structure）是自吸收边到其上50eV的吸收截面，此过程可以由一个多体配分函数来描述，在一级近似下（即忽略芯能级空穴势能效应），单电子吸收截面可以分解为与能量有关的原子跃迁矩阵元M(E) 和态密度 D(E)的乘积，即S (E)~M(E)D(E) 。因此，能够直接提供固体中电子未占据态的能带结构信息，以及电子轨道杂化、电荷转移、电子轨道和自旋相互作用等电子结构信息。

EXAFS：局域结构

XANES：局域结构+电子态

应用4：同步辐射X射线小角散射(SAXS)

SAXS测量的分辨可达到9-11 Å。可探测样品内电子密度起伏，研究样品内缺陷和颗粒的尺寸、形状及其分布。与常规X光相比，同步辐射光波长在大范围内连续可调，且准直性好，研究的尺度范围和 分辨均优于常规X光。

图 SAXS实验过程

应用5：同辐射X射线反射(XRR)

XRR是一种很好的非损伤性研究薄膜的工具，基于表面和界面的全反射，能够得到以下信息：样品表面的电子密度深度剖面图 、薄膜厚度 、表面和界面粗糙度 、单层薄膜、多层薄膜的密度等信息。能够应用到非晶、晶体和液体。利用较强的同步光源，得到较好的实验数据。

图 XRR过程中的光路

应用6：同步辐射 XRD和掠入射衍射(GIXRD)

利用高亮度和小发散等非凡的特性，可做常规X射线衍射仪无法胜任的许多XRD工作：

高分辨XRD ：高角度分辨、高能量分辨、高空间分辨等；实时XRD：高时间分辨；原位XRD ：高温、高压、超高压等；掠入射衍射(GIXRD)：表面、界面。对于研究一些纳米晶的成核与生长机理，材料的相变过程等方面有着及其重要的应用。

掠入射衍射(GIXRD)：

利用X射线在材料表面的全反射现象来研究材料的表层结构和成分分布，通过调节X射线的掠入射角来调整X射线的穿透深度，对材料的表面和表层(10-1000Å)信息敏感，可有效地提取表面层的微弱信号。

可开展表面的单原子吸附层，清洁表面的重构,表面下约1000埃深度的界面结构以及表面非晶层的结构，表面层中或表面外吸附原子的深度分布等研究。

图 掠入射X射线衍射实验排置和光路原理图

应用7：同步辐射X射线形貌术(XRT)

X射线形貌术是利用X射线在晶体中传播及衍射的动力学原理，根据晶体中完美部分和不完美部分衍射衬度的变化和消光规律，研究晶体微观结构缺陷。优点:直观地对较大块晶体及其器件作非破坏性的整体内部观察。缺点:是曝光时间长，分辨率没有电镜高。

不仅克服了常规X射线形貌术曝光时间长的缺点，也可提高形貌像的分辨率，尤其重要的是它为研究材料的结构相变和晶体生长中缺陷的形成、迁移及再结晶等动态变化过程提供了可能，从而为X射线形貌术这一古老技术注入了新的活力。

应用8：同步辐射X射线荧光分析(XRF)

XRF原理:原子的XRF能量等于跃迁的两个壳层间的能级差,与该元素之间具有特征性的对应关系，因而XRF分析可用于鉴别痕量元素。

利用现代同步辐射X射线光源的强度高、准直性好、偏振度强、能量范围宽广及可调等优点， XRF分析这一古老的技术又成为当代痕量元素无损分析的先进手段。

本文由材料人编辑部学术组淡年华供稿，材料牛编辑整理。

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