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作成： 2001/11/20 村松 康司
データ番号 ：040258
シンクロトロン放射光を用いた軟X線発光分光法
目的 ：物質の軟X線スペクトロスコピーと電子構造・化学状態の解析
放射線の種別 ：エックス線
放射線源 ：シンクロトロン
フルエンス（率）：
利用施設名 ：Lawrence Berkeley National Laboratory, Advanced Light Source (ALS)
Brookhaven National Laboratory, National Synchrotron Light Source (NSLS)
高エネルギー加速器機構放射光実験施設 (PF)、SPring-8 など
照射条件 ：材料分析,材料開発
概要 ：
軟X線発光分光法は物質の電子構造や化学状態を解析する手法である。特に高輝度なシンクロトロン放射光を励起線として用いた軟X線発光分光法からは元素および電子軌道を選択した詳細な電子構造情報を得ることができる。さらに、本法によって得られるスペクトル微細構造を解析することにより化学状態分析にも力を発揮する。
詳細説明 ：
物質にX線を照射すると,その物質を形作る原子とX線との相互作用によってX線、電子、イオン、分子などが放出される。これらを詳細に調べることにより、物質の電子構造や化学状態に関する情報を得ることができる。このうち、軟X線発光分光法は放出される軟X線(数10eV〜数千eV)を検知する方法であり、このエネルギースペクトルを解析することにより、電子軌道エネルギーや電子密度に関する情報が得られる。また、化学状態が異なる環境にある原子では軌道エネルギーがわずかに変化するため、観測されるエネルギースペクトルはシフトする。これをケミカルシフトとよび、このシフト量から化学状態を評価することができる。
従来の(軟X線領域の)蛍光X線分光法は発光X線の蛍光成分を化学分析に利用する方法であるが、軟X線発光分光法は蛍光成分の他に非弾性X線散乱成分なども測定する方法である。本法の原理を図1に示す。
図1 X線の吸収過程と発光過程の模式図。左図(a)は通常のX線吸収過程と蛍光X線発光過程を示す。右図(b)は、単色化したX線(放射光)を励起線として用い、吸収端近傍に内殻電子を励起した場合のX線吸収過程とそれにひきつづく非弾性X線散乱の過程を示す。
蛍光X線分光法は、電子銃からの電子線やX線管球からのX線などエネルギーが比較的高くかつ単色性が低い励起線を用いた分光計測装置で行われるのが一般的であり、古くから化学分析に利用されてきた。しかし最近、高輝度のシンクロトロン放射光(以下、放射光と略す)を励起線として用いることができるようになると、X線発光測定の精度が上がるとともに励起状態を選択的に指定することも可能となり(選択励起実験)、一光子過程である蛍光X線の他に二光子過程である非弾性X線散乱も観測できるようになった。
さらに、分光検出系の進歩によって微弱な発光X線信号を高分解能で効率よく検出できるようになり、エネルギースペクトルの微細構造をより詳細にとらえることも可能となった。このような豊富かつ詳細な情報を含む軟X線発光スペクトルを理論計算と比較して解析することにより、対象とする物質の電子構造や化学状態を明らかにすることができる。
一般に,放射光を用いた軟X線発光分光測定は,放射光を単色化する分光器と集光鏡などから成る放射光ビームラインに接続された軟X線分光計測装置を用いて行う。回折格子を分散素子とする軟X線分光計測装置はローランド円マウントに基づく凹面回折格子を用いたものと、結像面を任意に制御できる不等間隔刻線回折格子を用いたものに大別される。どちらの方式を採用するかは利用条件や研究対象によるが、いずれの方式でもエネルギー分解能(E/ΔE)はおおよそ数百?千程度である。検出系には二次元位置敏感型検出器を結像面に沿って配置する方式が一般的であり、マイクロチャンネルプレートと組み合わせた半導体位置検出器やCCDカメラが用いられる。
放射光を用いた軟X線発光分光法の研究例としては、電子遷移過程の理解を目的とする基礎的な研究として、希ガス,軽元素物質,半導体,強相関電子系などを対象とした報告がある。また,材料表面に吸着した分子や、様々な機能材料を対象とした材料評価・状態分析の報告も多数ある。最近の高輝度放射光源と分光計測装置の技術進展はめざましく、軟X線発光分光法が扱える材料系は今後ますます広がるものと期待できる。
コメント ：
原論文1-4は電子遷移過程に関する基礎的な知見を記述した論文であり、放射光を用いた軟X線発光分光法の選択励起実験によって得られた新しい物性情報を提供する。原論文5-7は材料の評価・状態分析に本法を活用した論文であり、材料開発に有益な情報を与える。放射光を用いた軟X線発光分光法はもちろん放射光実験施設でなければできない分光計測手法であるが,最近は世界中で高輝度放射光源の建設が活発に進められており、本法がより身近な手法になることが期待される。
参考資料１ Reference 1：
Threshold studies of multivacancy process in the Kb region of argon
R. D. Deslattes、 R .E. La Villa、 P. L. Cowan、 and A. Henins
National Bureau of Standard
Phys. Rev. A 27 (No. 2) 923-933 (1983)
参考資料２ Reference 2：
Angle-resolved soft x-ray fluorescence and absorption study of graphite
P. Skytt、 P. Glans、 D. C. Mancini、 J.-H. Guo、 N. Wassdahl、 J. Nordgren、 and Y. Ma
Uppsala University、 University of Washington、 and Pacific Northwest Laboratories
Phys. Rev. B 50 (No. 15)、 10457-10461 (1994)
参考資料３ Reference 3：
Probing the graphite band structure with resonant soft-x-ray fluorescence
J. A. Carlisle、 E. L. Shirley、 E. A. Hudson、 L. J. Terminello、 T. A. Callcott、 J. J. Jia、 D. L. Ederer、 R. C. C. Perera、 and F. J. Himplsel
Lawrence Livermore National Laboratory、 University of Tennessee、 Tulane University、 Lawrence Berkeley National Laboratory、 and IBM Research Division、 Thomas J. Watson Research Center
Phys. Rev. Lett.、 74 (No. 7) 1234-1237 (1995).
参考資料４ Reference 4：
Soft-x-ray-emission studies of YNi2B2C and LaNi2B2C: Observation of the B2p and C2p partial density of states
S. Shin、 A. Agui、 M. Watanabe、 M. Fujisawa、 Y. Tezuka、 T. Ishii、 K. Kobayashi、 A. Fujimori、 M. Hinomaru、 and H. Takagi
University of Tokyo
Phys. Rev. B 52 (No. 21)、 15082-15085 (1995)
参考資料５ Reference 5：
Local probing of the surface chemical bonding using x-ray emission spectroscopy
A. Nilsson、 N. Wassdahl、 M. Weinelt、 O. Karis、 T. Wiell、 P. Bennich、 J. Hasselstrom、 A. Fohlish、 J. Stohr、 and M. Samant
Uppsala University and IBM Research Division、 Almaden Research Center
Appl. Phys. A 65、 147-154 (1997)
参考資料６ Reference 6：
Sulfur L2、3 and zinc M2、3 soft-x-ray fluorescence spectra in CdS and ZnS
L. Zhou、 T. A. Callcott、 J. J. Jia、 D. L. Ederer、 and R. C. C. Perera
University of Tennessee、 Tulane University、 and Lawrence Berkeley National Laboratory
Phys. Rev. B 55 (No. 8)、 5051-5061 (1997)
参考資料７ Reference 7：
High resolution soft x-ray emission spectra of crystalline carbon nitride films deposited by electron cyclotron resonance sputtering
Y. Muramatsu、 Y. Tani、 Y. Aoi、 E. Kamijo、 T. Kaneyoshi、 M. Motoyama、 J. J. Delaunay、 T. Hayashi、 M. M. Grush、 T. A. Callcott、 D. L. Ederer、 C. Heske、 J. H. Underwood、 and R. C. C. Perera
NTT Lifestyle and Environmental Technology Laboratories、 Ryukoku University、 Hyogo Prefectural Institute of Industrial Research、 University of Tennessee、 Tulane University、 and Lawrence Berkeley National Laboratory
Jpn. J. Appl. Phys.、 38、 5143-5147 (1999)
キーワード：シンクロトロン放射光、軟X線 蛍光X線、 X線吸収、 電子構造
synchrotron radiation, soft x-ray, fluorescence x-ray, x-ray absorption, electronic structure
分類コード：040501, 040502, 040503
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