X射線吸收精細結(jié)構(gòu)在材料科學中的應用

王 宇, 李 炯, 張 碩, 馬靜遠, 汪麗華, 魏向軍, 黃宇營, 姜 政

(中國科學院上海應用物理研究所 上海光源，上海 201204)

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特約專欄

X射線吸收精細結(jié)構(gòu)在材料科學中的應用

王 宇, 李 炯, 張 碩, 馬靜遠, 汪麗華, 魏向軍, 黃宇營, 姜 政

(中國科學院上海應用物理研究所 上海光源，上海 201204)

X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(XAFS)方法是隨著同步輻射發(fā)展起來的獨特技術(shù)，是研究材料局域原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的一種重要方法。相比于X射線衍射，XAFS僅僅對于吸收原子周圍局域結(jié)構(gòu)敏感，樣品可以是固體、液體甚至是氣體。概述了XAFS的基本原理及幾種常用的實驗方法，結(jié)合上海光源的XAFS光束線站成果，介紹了近年來不同XAFS方法在催化、能源、納米和半導體等材料科學熱門研究領(lǐng)域的最新進展，展示了目前XAFS方法在材料科學研究中所發(fā)揮的重要作用。最后根據(jù)國內(nèi)同步輻射光源和相關(guān)XAFS研究方法的進一步發(fā)展，展望了XAFS技術(shù)在材料科學研究中的應用前景。

材料科學；同步輻射；XAFS； 時間分辨的XAFS；原位XAFS

1 前 言

X射線穿過厚度為d的樣品后，其強度I0會因為樣品的吸收而衰減為I，由此可以定義樣品的X射線吸收系數(shù)：

(1)

X射線吸收譜就是測量X射線吸收系數(shù)隨X射線能量的變化曲線。吸收邊之后，會出現(xiàn)一系列的擺動或者振蕩，這種小結(jié)構(gòu)一般為吸收截面的百分之幾，即X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(X-Ray Absorption Fine Structure，XAFS)[1]，XAFS譜僅僅對目標原子的近鄰結(jié)構(gòu)敏感而不依賴長程有序結(jié)構(gòu)，合理地分析XAFS譜，能夠獲得關(guān)于材料的局域幾何結(jié)構(gòu)(如原子的種類、數(shù)目以及所處的位置等)以及電子結(jié)構(gòu)信息，在物理、化學、生物、材料、環(huán)境等眾多科學領(lǐng)域有著重要意義。XAFS方法對樣品的形態(tài)要求不高，可測樣品包括晶體、粉末、薄膜以及液體等，同時又不破壞樣品，可以進行原位測試，具有其它分析技術(shù)無法替代的優(yōu)勢[2]。

XAFS譜主要包括兩部分：X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)和擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(EXAFS)，如圖1所示[2]。

圖1 Mo單質(zhì)的K邊X射線吸收譜[2]Fig.1 Mo K-edge XAFS spectrum for Mo-foil [2]

EXAFS的能量范圍大概在吸收邊后50 eV到1000 eV，來源于X射線激發(fā)出來的內(nèi)層光電子在周圍原子與吸收原子之間的單電子單次散射效應的結(jié)果。20世紀70年代，Sayers等[3]基于單電子單次散射的理論(如圖2a)推出的理論表達式通過傅立葉變換后，發(fā)現(xiàn)傅立葉空間上的峰的位置剛好對應著吸收原子周圍近鄰配位原子的位置，而峰的高度則與配位原子的種類和數(shù)量相關(guān)，這一推論也得到了實驗證實。這個工作的完成，證實了EXAFS的短程有序理論，即EXAFS信號的產(chǎn)生是由鄰近原子對光電子的散射而對光電子的終態(tài)波函數(shù)進行調(diào)制而形成的。自此，EXAFS分析方法能夠廣泛地應用于各個領(lǐng)域的研究，能夠定量的得到吸收原子周圍的局域結(jié)構(gòu)信息，為EXAFS的應用發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)[4]。XANES包含了吸收邊前約10 eV至吸收邊后約50 eV的范圍，其主要來源于X射線激發(fā)出的內(nèi)殼層光電子在周圍原子與吸收原子之間的單電子多重散射效應(如圖2b)，理論處理相對EXAFS要復雜很多，發(fā)展則相對比較緩慢。雖然在20世紀70年代已經(jīng)能夠利用多重散射效應來解釋XANES，但真正發(fā)展起來應該是在80年代[5]。隨著對XANES的認識的提高，XANES解析也逐漸成為了重點發(fā)展對象。

圖2 光電子單次散射(a)和多重散射(b)示意圖[3]Fig.2 Schematics for XAFS processes: (a) single scattering and (b) multiple scattering [3]

XAFS成為受眾多領(lǐng)域科學家歡迎的結(jié)構(gòu)測定工具，主要是由于XAFS具有以下的特點：

(1)XAFS現(xiàn)象來源于吸收原子周圍最鄰近的幾個配位殼層原子的貢獻，主要取決于短程有序作用，不依賴晶體結(jié)構(gòu)，因此可用于非晶態(tài)材料的研究，像催化劑上活性中心、表面層結(jié)構(gòu)、生物酶中金屬蛋白和無定形材料的研究，甚至溶液的研究等，比通常X射線衍射的應用要更加廣泛。

(2)X射線吸收邊具有原子特征，可以調(diào)節(jié)X射線光子能量到某一特定原子的吸收邊處，只測量感興趣原子的局域環(huán)境，而不受其它元素原子的干擾。對不同種類的原子，可由吸收邊位置不同分別研究，進而得到更全面的信息。

目前國內(nèi)共有兩條正在運行的XAFS光束線站，分別位于北京同步輻射裝置(BSRF)和上海光源(SSRF)，中國科學技術(shù)大學的國家同步輻射實驗室(NSRL)二期工程中也建立過XAFS光束線站(U7C光束線站)。國家同步輻射實驗室[6]是我國第一個國家實驗室以及第一臺專用型同步輻射裝置，也是我國重要的同步輻射研究中心，為國內(nèi)外科學家提供性能優(yōu)良的研究平臺。儲存環(huán)能量800 MeV，XAFS光束線站使用三極6T的超導Wiggler插入件，使用Si(111)雙晶單色器，可以提供最高15 keV的X射線。北京同步輻射裝置[7]是我國大型公共科學儀器之一，是我國材料科學、物理、化學、生命科學以及環(huán)境科學等交叉學科的重要研究基地，為我國的科學發(fā)展做出了很大的貢獻。目前已經(jīng)建有多條光束線和同步輻射實驗站，儲存環(huán)的電子能量為2.5 GeV，其中1W1B-XAFS光束線是BSRF的XAFS專用光束線，它是從一個七周期永磁Wiggler 1W1中引出，采用Si(111)雙晶單色器對入射X射線進行單色化。上海光源(SSRF)[8]是2009年新建成的第三代同步輻射光源，性能指標可以和世界上其他先進的同步輻射光源媲美。BL14W1光束線站是一條通用的高性能X射線吸收光譜實驗裝置，它從38級Wiggler引出，實驗站有Si(111)和Si(311)兩種雙晶單色器，可進行透射、熒光、掠入射、快時間分辨、高低溫原位XAFS等實驗。BL14W1光束線站目前已穩(wěn)定運行了7年，使得國內(nèi)的XAFS實驗變得更加便捷，被越來越廣泛地應用于各個學科的研究之中。

2 XAFS實驗方法

XAFS實驗主要使用透射法、熒光法和全電子產(chǎn)額法，其中透射法是最早使用也是應用最多的實驗方法。透射法的原理是直接通過對入射X射線和透過樣品后剩余X射線強度進行測量，計算出樣品對入射X射線的吸收；熒光法的原理是芯態(tài)電子吸收X射線光子能量后被激發(fā)為光電子后，因為芯態(tài)空穴的產(chǎn)生導致了熒光X射線的出現(xiàn)，其強度與吸收成正比，因此對熒光X射線的測量，也能夠正確地反映出樣品對入射X射線的吸收情況。由于熒光X射線的能量是固定的，因此實驗中可以采用濾波片、具有能量分辨的固體探測器或分析晶體來減少背底，這樣能在很大程度上提高信噪比。熒光法很適合于低濃度樣品的XAFS實驗，特別是生物環(huán)境體系中的一些樣品。全電子產(chǎn)額法與熒光法類似，是通過測量樣品目標元素被激發(fā)后產(chǎn)生的二次電子和俄歇電子形成的電流來獲得XAFS信號，樣品要求導電。

2.1 透射法

透射法的實驗原理圖如圖3a所示[9,10]。經(jīng)雙晶單色器后，入射的X射線成為波長可調(diào)的單色光。利用前后電離室分別測量通過厚度d的樣品前后X射線強度I0和I1，利用式(1)就可以計算得到樣品吸收系數(shù)μ(E)。透射法通常用于待測元素質(zhì)量百分比含量大于5%的樣品。

實驗過程中，前電離室吸收的入射光強I0約為20%的時候信噪比較好。一般情況下，根據(jù)待測元素的吸收邊能量的不同，前后電離室需要通入不同比例的氣體，從而保證適當?shù)墓庾颖晃铡?/p>

2.2 熒光法

熒光法的實驗方法如圖3b所示[9,10]。熒光法利用熒光探測器收集到的樣品發(fā)出的熒光信號，除以前電離室的信號I0來獲得吸收系數(shù)，如式(2)所示：

下雨天和早晨有露水時不宜套袋。套袋前，要預先將袋口潮濕軟化，防止袋口割傷果頂。方法一：前一天晚上，將袋口在水盆中蘸1厘米，然后將袋子整齊放好，或在土地上倒上足夠的水，待地表面無水后，將袋口面向地面整齊放一夜，第二天使用。套袋時先把袋子撐圓，兩邊底角透氣口張開，袋底朝上由上往下套，果柄置于縱向切口基部，幼果懸于袋中，將袋口橫向折疊，最后把袋口扎絲捏成V形夾緊。套袋的具體順序：先冠上、后冠下，先內(nèi)堂、后外圍。套袋時，劣質(zhì)果和病蟲果要摘去不套，好果要全部套完，爭取不留光果，以便果園管理和病蟲防治。

(2)

為了保證熒光探測器有最大的接收角，同時散射光強度最小，樣品與入射的X射線成45°角，熒光探測器與樣品也成45°角，并且垂直于入射的X射線的方向。熒光法主要適合測量待測元素含量濃度較低或絕對量較少的樣品。熒光法常使用的探測器為Lytle探測器和固體探測器。對于待測元素濃度不是特別低的樣品(大于千分之一)，可以使用Lytle探測器。Lytle本質(zhì)上是一個加了濾波片和索拉狹縫的氣體電離室，索拉狹縫的存在是為了減少雜散光對熒光計數(shù)率的影響。實驗中根據(jù)要探測元素的不同，為了減少散射的X射線對熒光信號造成影響，要在探測器前放置合適的濾波片，濾波片一般選擇待測元素的熒光能量和入射X射線能量之間有吸收邊的元素單質(zhì)薄片。具體到K吸收邊，濾波片材料一般采用Z-1號元素作為濾波片即可(Z為測試元素序號，4d元素選擇Z-2號元素作為濾波片)。

當待測元素的濃度很低(幾十個ppm以下甚至幾個ppm)，Lytle探測器就很難收集到信噪比較好的XAFS數(shù)據(jù)了，這時就需用固體探測器來作為熒光探測器。固體探測器是以半導體材料為探測介質(zhì)，工作區(qū)域為半導體的耗散層，它最大的優(yōu)點之一是具有很好的能量分辨能力。因此在XAFS實驗中，能夠濾除掉非需要的信號，包括散射、其它元素的熒光信號等，極大地減少背底干擾。因此固探非常適合那些體系復雜的樣品。

圖3 XAFS透射法實驗示意圖(a)和XAFS熒光法實驗示意圖(b) [9,10]Fig.3 Schematic experimental set-ups for XAFS experiment: (a) transmission method and (b) fluorescence method[9,10]

2.3 全電子產(chǎn)額法

全電子產(chǎn)額法(TEY)是通過測量樣品的電流來獲得XAFS信號[9,10]。在這種模式下進行測量，從樣品中出射的所有電子都將被收集作為信號，這些電子包括彈性光電子、俄歇電子和一些非彈性電子。俄歇電子的數(shù)量遠遠多于二次電子，所以在TEY模式下測量的有用信息主要是俄歇電子。在這些電子中的俄歇電子和其他二次電子也與吸收系數(shù)μ(E)成正比，因此可以通過探測二次電子和俄歇電子來獲得XAFS信號。全電子產(chǎn)額方法的優(yōu)點是裝置簡單，有一定的表面分析能力，缺點是樣品要求導電，有較大的背底，不適合于高濃度厚樣品。

3 XAFS方法在材料科學中的應用

3.1 常規(guī)XAFS方法在材料科學中的應用

XAFS譜僅對目標原子的近鄰結(jié)構(gòu)敏感而不依賴長程有序結(jié)構(gòu)，通過對XAFS譜的解析能夠獲得關(guān)于材料中目標元素的局域原子結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)信息，對于不具有周期性結(jié)構(gòu)的樣品有著重要意義，目前XAFS方法已經(jīng)成為催化和材料研究領(lǐng)域的一種重要表征手段[11-22]，以上海光源BL14W1光束線站為例，如圖4所示[1]，目前材料、催化等相關(guān)領(lǐng)域的用戶數(shù)量已占總用戶數(shù)的一半以上。

圖4 上海光源BL14W1光束線站用戶歷年發(fā)表的文章數(shù)量和影響因子大于5的文章數(shù)量(a)，BL14W1光束線站用戶歷年發(fā)表的影響因子大于5和一區(qū)文章所占的比例(b)和BL14W1光束線站用戶的學科分布(c)[1]Fig.4 Numbers of papers and the papers (IF>5) that published by BL14W1 beamline users in SSRF per year(a), proportions of papers that published on IF>5 journals and TOP journals per year(b), and subject distribution of BL14W1 beamline users (c) [1]

單原子催化劑可以最大限度提高催化材料的金屬原子利用率，因此逐漸成為近幾年催化領(lǐng)域的研究熱點。但其由于含量較低，沒有晶態(tài)的長程結(jié)構(gòu)，常規(guī)表征比較困難，XAFS成為此類材料不可或缺的表征手段。例如中科院大連化物所張濤課題組[11]以氧化鐵為載體成功制備出首例具有實用意義的“單原子”鉑催化劑，利用XAFS方法(熒光模式)和高分辨電鏡技術(shù)證實了“單原子”鉑的存在，無任何亞納米或納米聚集體。該研究工作對于從原子水平理解多相催化具有重要意義，同時也為開發(fā)低成本高效貴金屬工業(yè)催化劑提供了可能。在這之后利用XAFS方法研究單原子催化劑取得了一系列突破性進展，成為了整個材料領(lǐng)域的研究熱點。廈門大學鄭南峰課題組[12]采用乙二醇修飾的超薄二氧化鈦納米片作為載體，應用光化學輔助的方法，成功地制備了鈀負載量高達1.5 wt%的單原子分散鈀催化劑，利用球差電鏡，XAFS方法(透射模式)等表征手段和密度泛函理論計算，證實紫外光照將表面乙二醇基激發(fā)生成乙二醇自由基，脫除鈀上的氯離子，同時以Pd-O鍵的形式將鈀原子錨定在載體上，形成了獨特的“鈀-乙二醇-二氧化鈦”的界面。

能源轉(zhuǎn)換過程中材料的電子結(jié)構(gòu)往往起著決定性的作用，XAFS結(jié)合DFT計算手段可以給出活性中心的特定價態(tài)，對理解能源轉(zhuǎn)換機理有著重要的作用。例如中國科學技術(shù)大學韋世強課題組[18,19]以過渡金屬氧化物CoOOH為模型材料，制備出一種原子級厚度的CoOOH超薄納米片光催化劑，大幅提升了可見光區(qū)的光生電荷分離效率和光催化產(chǎn)氫性。同步輻射XAFS和超快瞬態(tài)吸收譜等技術(shù)揭示了這一高活性CoOOH超薄納米片的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二維薄層結(jié)構(gòu)極大地抑制了光生載流子的復合，其表面的Co-O懸空鍵改變了Co 3d電子結(jié)構(gòu)和分布，降低了材料的活化能，從而顯著提高了CoOOH納米片光催化水分解產(chǎn)氫活性。

摻雜材料體系中起重要作用的往往是濃度極低的雜原子，其材料結(jié)構(gòu)常規(guī)表征極其困難，XAFS的原子選擇性能夠給出特定的摻雜原子周圍的局域原子電子結(jié)構(gòu)，對材料的構(gòu)效關(guān)系理解提供了有力依據(jù)。例如北京理工大學張加濤課題組[23]開發(fā)了一種低溫、高效的全新離子交換法，實現(xiàn)了異價金屬離子(如Ag+，Cu+等)在II-VI族半導體納米晶(尺寸范圍從量子點到微米片)中的深度、穩(wěn)定的取代性摻雜，進而實現(xiàn)了高效、高純度的摻雜發(fā)光，摻雜發(fā)光能夠穩(wěn)定一年以上，利用XAFS方法證明了Ag(I)、Cu(I)離子在II-VI族半導體納米晶中取代Cd的取代性摻雜，為通過此種新型離子交換法實現(xiàn)異價金屬離子在半導體納米晶中的取代性摻雜及普適性推廣提供了重要的實驗證據(jù)。稀磁半導體體系的磁性決定于磁性離子之間的磁相互作用，如何對這一磁相互作用進行調(diào)控是當前稀磁半導體研究領(lǐng)域的核心問題。中國科學技術(shù)大學韋世強課題組[24]首次提出可以通過形成量子點核殼結(jié)構(gòu)來調(diào)控摻雜磁性離子能級在帶隙間的相對位置，進而操縱磁相互作用的方法，在5 nm直徑的Co摻雜ZnO量子點外面包覆一層0.5 nm厚的半導體材料ZnS或Ag2S殼層以后，成功地將Co離子之間的反鐵磁相互作用轉(zhuǎn)變成鐵磁相互作用，利用XAFS方法證明包覆ZnS或Ag2S殼層引起的Co 3d能級在ZnO帶隙間位置的改變是導致ZnO量子點中摻雜Co離子間磁性相互作用轉(zhuǎn)變的微觀原因。

3.2 XAFS新方法在材料科學中的應用

隨著實驗裝置的不斷發(fā)展，XAFS方法學也在不斷地創(chuàng)新，例如時間分辨的XAFS包括快速掃描XAFS方法(QXAFS)、能量色散XAFS方法(DXAFS)、泵浦探測XAFS方法(Pump-Probe XAFS)、掠入射熒光XAFS和全反射熒光XAFS方法及高分辨XAFS方法等，并已經(jīng)在材料科學領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。

XAFS方法的一個重要優(yōu)勢是可以對樣品在各種實驗條件下(如高溫，低溫，氧化、還原氣氛等)進行原位實時測試，這在研究材料的相變、生長過程及催化劑催化性能、催化原理方面有很廣泛的應用。中國科學院大連化物所包信與課題組[14]將具有高催化活性的單中心低價鐵原子通過兩個碳原子和一個硅原子鑲嵌在氧化硅或碳化硅晶格中(0.5%Fe@SiO2體系)，形成高溫穩(wěn)定的催化活性中心，通過對納米0.5%Fe@SiO2體系開展了原位XAFS實驗，證明在催化劑活化前，具有明顯的Fe-O配位，而在催化劑活化后，變?yōu)镕e-C以及Fe-Si配位。該結(jié)果充分說明催化劑的性能來源于不飽和配位Fe原子的高活性。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所韓偉強課題組[25,26]利用改進多元醇的濕化學方法，合成了系列MSn5(M=Fe, Co, Fe0.5Co0.5)合金納米負極材料，作為鋰電池負極材料時，其理論容量為929 mAh/g-1，是報道的M-Sn(M為電化學惰性金屬)合金中理論比容量最高的材料，并利用原位XAFS、原位XRD 和電化學測試方法，對其充放電機理進行了深入探討。

時間分辨QXAFS方法能夠用于研究能源催化、環(huán)境科學和生命科學等領(lǐng)域中動力學過程的關(guān)鍵科學問題，可以在原來認識基礎(chǔ)上更加深入地理解材料的制備和工作等化學反應過程，這也是目前國際上XAFS方法發(fā)展的熱點。中科大韋世強課題組[27]利用QXAFS方法詳細研究了金納米顆粒在液相合成過程中的反應動力學過程，發(fā)現(xiàn)在弱還原劑反應條件下,初始成核階段經(jīng)歷還原生成Cl3-Au-AuCl3-二聚體，而后形成更復雜的AunCln+x團簇的新成核機理，并提出了金納米顆粒的初期成核、緩慢生長和最終聚集的三步生長機理。

掠入射XAFS方法的信號主要來自表面原子，通過改變掠入射角的大小可以達到一定范圍內(nèi)的深度分辨，特別適合用來研究材料的表面及界面結(jié)構(gòu)。了解五價As(V)在金屬氧化物/水界面處的局域結(jié)構(gòu)對于理解其在環(huán)境中的存在和運輸至關(guān)重要，2014年中科院生態(tài)中心的景傳勇課題組[28]利用掠入射XAFS研究As(V)在TiO2(110)表面的吸附結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)As(V)以四面體形式結(jié)合于TiO2(110)面，該結(jié)果有助于探索單晶表面的分子吸附機制。

4 結(jié) 語

目前在材料科學研究領(lǐng)域，XAFS方法已成為了研究材料的局域原子和電子結(jié)構(gòu)的一種重要表征手段，相關(guān)的實驗技術(shù)發(fā)展迅速。目前國際上的主要發(fā)展方向集中在快時間分辨XAFS方法(fs～ps)，高能量分辨率XAFS方法(～meV)、高空間分辨XAFS方法(～10 nm)原位XAFS結(jié)合多種外場(光、電、磁、溫度)條件表征及XAFS耦合其它表征(紅外、拉曼、質(zhì)譜、衍射)手段等。

隨著XAFS方法越來越廣泛的應用，目前國內(nèi)同步輻射XAFS光束線站的運行壓力也越來越大，機時嚴重供不應求。隨著今年上海光源二期光束線站工程開工建設(shè)，多條涵蓋了高能量分辨、高時間分辨、高空間分辨、寬能譜等前沿實驗方法的XAFS方法光束線站即將在6年內(nèi)相繼建成，此外，隨著未來北方光源和合肥新光源的建設(shè)計劃提上日程，將共同為國內(nèi)材料科學領(lǐng)域的用戶提供更為廣闊的XAFS研究平臺。

References

[1] Wang Qiwu(王其武), Liu Wenhan(劉文漢).X-RayAbsorptionFineStructureandApplication(X射線吸收精細結(jié)構(gòu)及其應用)[M]. Beijing: Science Press, 1994.

[2] Ma Lidun(馬禮敦), Yang Fujia(楊福家).IntroductiontoSynchrotronRadiationApplications(同步輻射應用概論)[M]. Shanghai: Fudan University Press, 2001, 287-292.

[3] Sayers D E, Stern E A, Lytle F W.PhysicalReviewLetters[J], 1971, 27(18):1204-1207.

[4] Winick H, Doniach S.SynchrotronRadiationResearch[M]. New York: Pienum Press, 1980.

[5] Bianconi A, Incoccia L, Stipcich S.EXAFSandNearEdgeStructure[M]. Berlin: Springer-Verlay, 1983.

[6] Liu Wenhan(劉文漢), Xu Faqiang(徐法強), Wei Shiqiang(韋世強),etal.Physics(物理)[J], 2000, 29(1):42-44.

[7] Xie Yaning(謝亞寧), Hu Tiandou(胡天斗), Liu Tao(劉 濤),etal.NuclearTechniques(核技術(shù))[J], 2004, 27(12):881-884.

[8] Yu H S, Wei X J, Li J,etal.NuclearScience&Techniques[J], 2015, 26(5):4-10.

[9] Lee P A, Citrin P H, Eisenberger P,etal.ReviewofModernPhysics[J], 1981, 53(4):769-806.

[10]Stern E A, Heald S M.BasicPrincipleandApplicationofEXAFS[M]. New York: North-Holland Physics Publishing, 1983: 995.

[11]Qiao B, Wang A, Yang X,etal.NatureChemistry[J], 2011, 3(8):634-641.

[12]Liu P, Zhao Y, Qin R,etal.Science[J], 2016, 352(6287):797-800.

[13]Yang F, Wang X, Zhang D,etal.Nature[J], 2014, 510(7506):522-4.

[14]Guo X, Fang G, Li G,etal.Science[J], 2014, 344(6184):616-9.

[15]Gao Z, Dong M, Wang G,etal.AngewandteChemieInternationalEdition[J], 2015, 54(31):9006-9010.

[16]Yan H, Cheng H, Yi H,etal.JournaloftheAmericanChemicalSociety[J], 2015, 137(33):10484-7.

[17]Ge H, Zhang B, Gu X,etal.AngewandteChemieInternationalEdition[J], 2016, 55(25):7081-7085. 352(6287):797-800.

[18]Huang J, Chen J, Yao T,etal.AngewandteChemie[J], 2015, 127(30):8722-8727.

[19]Huang J, Shang Q, Huang Y,etal.AngewandteChemieInternationalEdition[J], 2016, 55(6):2137-2141.

[20]Zhang B, Zheng X, Voznyy O,etal.Science[J], 2016, 352(6283): 333-337.

[21]Yang L, Guo G Q, Chen L Y,etal.PhysicalReviewLetters[J], 2012, 109(10):1-6.

[22]Sun Y, Sheng P, Di C,etal.AdvancedMaterials[J], 2012, 24(14):932-7.

[23]Liu J, Zhao Q, Liu J L,etal.AdvancedMaterials[J], 2015, 27(17):2753-2761.

[24]Yan W, Liu Q, Wang C,etal.JournaloftheAmericanChemicalSociety[J], 2014, 136(3):1150-5.

[25]Xin F, Wang X, Bai J,etal.JournalofMaterialsChemistryA[J], 2015, 3(13):7170-7178.

[26]Xin F X, Tian H J, Wang X L,etal.ACSAppliedMaterials&Interfaces[J], 2015, 7(15): 7912-7919.

[27]Yao T, Sun Z, Li Y,etal.JournaloftheAmericanChemicalSociety[J], 2010, 132(22):7696-701.

[28]Yan L, Hu S, Duan J,etal.JournalofPhysicalChemistryA[J], 2014, 118(26):4759-65.

(編輯 吳 琛)

專欄特約編輯陳凱

陳 凱：男，1983年生，博士，西安交通大學教授，博士生導師。2005年于北京大學獲學士學位，2009年于美國加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系獲博士學位，2007年2月～2009年8月在美國勞倫斯伯克利國家實驗室同步輻射光源擔任客座研究助理，2009年9月～2011年8月分別在美國加州大學伯克利分校和美國勞倫斯伯克利國家實驗室國家電鏡中心進行博士后研究工作。入選中組部“千人計劃”青年項目、教育部“新世紀人才”支持計劃、擔任上海光源線站工程微束白光勞厄衍射線站專家組成員、國際著名材料學雜志MRSBulletin客座編輯。主要從事同步輻射白光勞厄微衍射技術(shù)的軟硬件開發(fā)、發(fā)展及其在材料研究中的應用等相關(guān)工作。主持自然科學基金委面上項目，參與國家“973”計劃，國家重點研發(fā)計劃，自然科學基金委重點項目；申請發(fā)明專利5項，授權(quán)軟件著作權(quán)2件；發(fā)表論文被SCI收錄40余篇，引用1200余次，入選ESI高被引論文1篇。

特約撰稿人王同敏

王同敏：男，1971年生，博士，大連理工大學教授、博士生導師。國家杰出青年科學基金獲得者、科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、教育部新世紀優(yōu)秀人才?，F(xiàn)任遼寧省凝固控制與數(shù)字化制備技術(shù)重點實驗室主任。兼任中國材料研究學會常務理事、中國復合材料學會理事、中國機械工程學會鑄造分會理事、中國金屬學會電磁冶金與強磁場材料科學分會理事、上海光源和北京光源用戶委員會委員等。主要從事合金凝固行為與電磁控制研究，提出了電磁調(diào)控下同步輻射X射線原位可視化新方法。研究成果入選2010年度“上海光源代表性用戶成果”與2012年度“北京光源用戶成果Highlights”。以第一或第二完成人先后獲得2012年中國有色金屬工業(yè)科技一等獎、2014年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎、2015年國家技術(shù)發(fā)明二等獎、2015年全國鑄造行業(yè)優(yōu)秀青年人才獎、2016年日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎。發(fā)表SCI收錄論文114篇，EI收錄論文148篇，其中JCR分區(qū)冶金工程領(lǐng)域Top 5期刊論文19篇，Ⅰ區(qū)論文32篇。已授權(quán)發(fā)明專利14項。

特約撰稿人王沿東

王沿東：男，1966年生，教育部長江學者特聘教授、國家杰出青年基金獲得者，北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室教授、博士生導師。有十余年歐美國家大學與國家實驗室研究經(jīng)歷，1993～1997年曾數(shù)次赴法國在梅斯大學任6個月以上的客座教授，1998～2000年在瑞典烏普薩拉大學中子研究實驗室從事博士后研究，2001～2003年為美國橡樹嶺國家實驗室博士后，2005～2008年在美國田納西大學任客座教授。長期從事應用X射線與中子衍射研究金屬材料形變與相變行為，率先開展同步輻射高能X射線原位表征先進結(jié)構(gòu)與功能材料微結(jié)構(gòu)單元(應力與織構(gòu))的研究方向，在該領(lǐng)域作了大量開創(chuàng)性研究工作。在Science,NatureMaterials,PhysicalReviewLetters等期刊發(fā)表論文200余篇，SCI引用2000余次；研究工作被Science,MaterialsToday等予以專題評述或報道。在TMS年會上多次組織系列專題研討會，并在國際會議作特邀報告40余次。主持國家“973”計劃、“863”計劃、國家重大科研儀器研制項目、國家自然科學基金項目等10余項。

特約撰稿人張玉彬

張玉彬：男，1982年生，博士，高級研究員，博士生導師。2004年于清華大學土木工程系獲學士學位，2009年于清華大學材料系獲工學博士學位，2009年8月～2012年12月為丹麥Ris?國家實驗室博后，2012年12月～2015年11月，丹麥技術(shù)大學研究員，2015年12月至今丹麥技術(shù)大學高級研究員。主要從事應用同步輻射X射線對金屬材料形變熱處理過程中微觀組織結(jié)構(gòu)演化的研究。已發(fā)表論文60篇，其中SCI收錄43篇。

特約撰稿人姜 政

姜 政：男，1977年生，博士，研究員，博士生導師。現(xiàn)任上海光源X射線吸收譜學線站負責人、上海光源線站工程譜學分總體負責人、上海光源線站工程經(jīng)理助理、材料與能源科學研究部副主任，兼任北京同步輻射裝置用戶委員會委員。2000年于中國科學技術(shù)大學化學物理系獲學士學位，2005年于中國科學技術(shù)大學同步輻射及應用專業(yè)獲博士學位，同年進入中國科學院上海應用物理研究所上海光源工作，期間分別于2007年赴Australian Synchrotron作高級訪問學者，2013年赴Fritz Haber Institute DER MAX PLANCK Gesellschaft以及BESSYⅡHZB作高級訪問學者。主要從事同步輻射X射線吸收譜在納米催化、合金腐蝕材料以及離子液體中的研究以及X射線吸收譜學時間分辨相關(guān)技術(shù)研究。先后主持參與國際合作項目、國家“973”課題、自然科學基金等10多項，已發(fā)表學術(shù)論文100多篇，申請專利9項。

Applications of X-Ray Absorption Fine Structure in Materials Science

WANG Yu, LI Jiong, ZHANG Shuo, MA Jingyuan, WANG Lihua, WEI Xiangjun, HUANG Yuying, JIANG Zheng

(Shanghai Synchrotron Radiation Facility Co., Ltd, Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201204, China)

X-ray absorption fine structure (XAFS) is a very powerful technique to investigate the local electronic and geometrical structure around the photoabsorber, which is developed along with synchrotron radiation. Compared with x-ray diffraction (XRD), XAFS is solely sensitive to the local structure of atoms neighboring the absorbing one, and has been exploited for studying condensed matter, solution, even gas. In this review, the basic principle and several experiment methods of XAFS have been reported. Combined with scientific results of XAFS station (Beamline 14W1), we highlight recent applications of XAFS on catalytic materials, energy materials, nanomaterials, semiconductor materials and other hot fields of materials science research, as well as introduce the important roles XAFS played in materials science research. At last, possible applications of XAFS are discussed according to the developing trend of XAFS method at home.

materials science; synchrotron radiation; XAFS; time-resolved XAFS;insituXAFS

2017-01-04

國家自然科學基金項目(11275258, 11135008, 11405252)；科技部“973”計劃項目(2013CB933104)

王 宇，男，1984年生，副研究員

姜 政，男，1977年生，研究員，博士生導師 Email:jiangzheng@sinap.ac.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.03.05

O657.3

A

1674-3962(2017)03-0188-06