エックス線吸収微細構造

X線吸収微細構造（XAFS）とは

X線吸収微細構造（X-ray Absorption Fine Structure, XAFS）は、X線吸収スペクトルにおいて、X線の吸収端付近に現れる特有の構造を指します。この構造を解析することで、X線を吸収する原子の電子状態や、その周辺の原子配置に関する詳細な情報を得ることができます。XAFSは、物質が結晶構造を持つ必要がないため、結晶性物質だけでなく、非晶質物質や液体など、幅広い材料の分析に利用されています。

XAFSは、そのエネルギー領域によって大きく2つに分類されます。吸収端近傍に見られるXANES (X-ray Absorption Near Edge Structure)と、より高エネルギー領域に見られるEXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure)です。これらの領域を合わせてXAFSと総称します。XAFSは、X線吸収分光法(XAS) の一種であり、物質にX線を照射し、その吸収スペクトルを測定することで分析を行います。

X線吸収分光法（XAS）の基本

XASでは、物質にX線を照射し、入射X線のエネルギーを徐々に上げていくと、ある特定のエネルギーでX線の吸収係数が急激に増加します。これは、X線吸収原子の内殻電子が光電効果によって励起されるためです。この吸収係数が急激に上昇するエネルギーを「吸収端」と呼びます。吸収端のエネルギーは、吸収原子の種類や励起される内殻電子の量子数によって決まるため、物質の元素分析に利用できます。吸収端よりも高エネルギー領域では、吸収係数は徐々に減少しますが、その過程で微細な振動構造が現れます。この振動構造がXAFSです。

XAFSの測定には、連続的な波長を持ち、十分な強度を持つX線源が必要です。そのため、XAFS測定には主に放射光が用いられます。また、目的や測定方法に応じて、透過光の強度を測定するだけでなく、蛍光X線やオージェ電子の強度を測定する蛍光XAFS、電子収量XAFSなどの手法も用いられます。

XANES（エックス線吸収端近傍構造）

XANESは、吸収端の前後約50 eVのエネルギー領域に見られる構造です。この領域のスペクトルは、内殻電子が空軌道やバンドへ遷移するエネルギーに対応し、X線吸収原子の電子状態に関する情報を提供します。XANESの解析からは、原子の酸化状態や配位構造、局所構造の対称性などを知ることができます。

吸収端より低いエネルギー領域には「プリエッジ」と呼ばれるピークが現れることがあります。これは、電気双極子禁制遷移など、XANESとは異なるメカニズムによって生じます。

EXAFS（広域X線吸収微細構造）

EXAFSは、XANESよりも高エネルギー側、吸収端から約1000eVまでの領域に見られる構造です。EXAFS領域では、励起された内殻電子が原子から放出され、その光電子が周辺の原子によって散乱されます。この散乱波と元の光電子の干渉によって生じるのがEXAFSの振動構造です。

EXAFSの解析によって、X線吸収原子の周囲にある原子の種類、原子間距離、配位数などを知ることができます。これにより、物質の局所構造を原子レベルで詳細に調べることが可能になります。

XAFSの応用

XAFSは、多様な分野で広く応用されています。触媒、電池材料、半導体、ナノ材料、生体材料など、幅広い材料の構造解析や状態分析に利用されており、それぞれの分野における研究開発に不可欠な技術となっています。XAFSの解析結果は、これらの材料の性能向上や新材料の開発に貢献しています。

また、XAFSは、非破壊分析が可能であるため、文化財や環境試料の分析にも応用されています。試料を破壊することなく、その組成や構造を調べることができるため、貴重な試料を扱う際に非常に有効な分析手法です。

XAFSは、物質科学の進歩に不可欠なツールとして、今後も更なる発展が期待されています。

参考文献

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