同步辐射及其在无机材料中的应用进展
刘云鹏, 盛伟繁, 吴忠华
无机材料学报
2021, 36 ( 9):
901-918.
DOI:10.15541/jim20200703
同步辐射是环形加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁铁时, 沿电子轨道切线方向发射的电磁辐射。作为一类平台型科技基础设施, 同步辐射光源对无机材料的研究和发展起到了重要支撑作用。同步辐射实验技术已经成为现代科学技术不可或缺的研究手段, 无机材料研究是同步辐射技术的主要应用领域之一。相对于用于材料研究的常规光源来说, 同步辐射技术研究无机材料有以下优势: 1)获取的数据质量更高; 2)空间分辨和时间分辨的能力更强; 3)原位和材料服役环境更易模拟; 4)多尺度、多方面、多种类的结构信息同步获取; 5)探测新的结构特性更有可能。同步辐射实验技术有助于解决无机材料领域中的一些关键科学问题, 从而极大地推动了无机材料的研究进展。本文首先简要介绍了同步辐射光源的现状, 以及国内现有三个同步辐射装置: 北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)、上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)和国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)。然后, 从X射线衍射、散射、谱学、成像等四个方面, 列举了同步辐射技术在无机材料研究中的应用实例。最后, 对同步辐射光源和结构表征技术及其在无机材料中的应用进行了总结与展望。
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图17
同步辐射X射线纳米成像技术研究的Zn4Si2O7(OH)2·H2O颗粒的结构缺陷和形成过程[66]
正文中引用本图/表的段落
Qu等[66]用水热法分别合成了花状和海胆状的硅酸锌纳米颗粒。花状的硅酸锌纳米颗粒(锌硅石, Zn3Si4O10(OH)2·nH2O)具有新颖的粘土状层状结构, 而海胆状的硅酸锌(菱锌矿, Zn4Si2O7(OH)2·H2O)纳米颗粒具有高度结晶的锌矿石结构。利用X射线纳米成像技术研究了海胆状硅酸锌催化剂颗粒的结构和形貌, 结果提供了该颗粒内部其他方法难以观测的结构细节, 如一些棒状粒子不是以径向的方式组装到海胆状颗粒内部或者一些棒状粒子悬挂在规则的径向组装的其他棒状粒子之间。这一研究揭示了海胆状颗粒自组装过程中的结构缺陷, 如图17所示, 也为解释此种颗粒的形成机制和更好地发挥多孔状材料的特性奠定了研究基础。
(a) Excitation and (b) emission spectra of CaSi 10Al 2N 16: xEu ( x = 0.1%-8%) samples with inset showing the integral intensity (blue curve) and the Stokes shift (red curve) of those samples against Eu concentration (the sharp peaks in the range of 400-500 nm being caused by the Xe lamp equipped in the FLS 920 spectrophotometer); (c) Emission spectra of CaSi 10-nAl 2+nO nN 16-n: 0.5%Eu ( n=0-1) samples with inset showing the integral intensity versus n values (colorful figures are avaailable on websites) ... Applications of NFPS/SSRF BL01B1 Synchrotron Infrared Beamline Station 0 2018 Novel developments and applications of nanoscale synchrotron radiation microscopy 1 2019 ... 近年来, 同步辐射X射线成像(Synchrotron radiation-X-ray Imaging, SR-XRI)技术得到了飞速发展.在空间分辨率上, 硬X射线波段已经实现优于30 nm三维空间分辨率的同步辐射纳米成像, 软X射线波段的纳米成像空间分辨率也提高到10 nm的水平, 相干衍射成像甚至可实现X射线波长量级的空间分辨率.在实验技术上, 各种基于同步辐射光源的X射线成像方法[63]相继被提出并得到发展完善, 如X射线显微CT成像(Micro-CT)、基于波带片的纳米分辨全场成像(Transmission X-ray microscopy, TXM)、纳米分辨探针扫描成像(Nano-probe)、相干衍射成像(Coherent diffraction imaging, CDI)和几何放大投影成像(Projection microscopy)等.中国大陆现有的三个同步辐射装置都能开展X射线成像实验研究.值得一提的是, 同步辐射纳米成像技术已由早期的单一结构成像方法, 逐步发展出高分辨率、多尺度、三维结构、元素分布、化学成分、价态分析以及动态研究等多种结构信息的研究手段.同步辐射X射线成像技术与X射线谱学技术相结合而发展出来的谱学成像方法就是一个典型实例.X射线成像相关的先进实验技术已被广泛应用于无机材料领域的前沿研究中, 特别是应用于具有复杂形貌的特殊功能材料[64], 以及热门的能源材料[65]研究中. ... Three-dimensional imaging of a complex concaved cuboctahedron copper sulfide crystal by X-ray nanotomography 1 2008 ... 近年来, 同步辐射X射线成像(Synchrotron radiation-X-ray Imaging, SR-XRI)技术得到了飞速发展.在空间分辨率上, 硬X射线波段已经实现优于30 nm三维空间分辨率的同步辐射纳米成像, 软X射线波段的纳米成像空间分辨率也提高到10 nm的水平, 相干衍射成像甚至可实现X射线波长量级的空间分辨率.在实验技术上, 各种基于同步辐射光源的X射线成像方法[63]相继被提出并得到发展完善, 如X射线显微CT成像(Micro-CT)、基于波带片的纳米分辨全场成像(Transmission X-ray microscopy, TXM)、纳米分辨探针扫描成像(Nano-probe)、相干衍射成像(Coherent diffraction imaging, CDI)和几何放大投影成像(Projection microscopy)等.中国大陆现有的三个同步辐射装置都能开展X射线成像实验研究.值得一提的是, 同步辐射纳米成像技术已由早期的单一结构成像方法, 逐步发展出高分辨率、多尺度、三维结构、元素分布、化学成分、价态分析以及动态研究等多种结构信息的研究手段.同步辐射X射线成像技术与X射线谱学技术相结合而发展出来的谱学成像方法就是一个典型实例.X射线成像相关的先进实验技术已被广泛应用于无机材料领域的前沿研究中, 特别是应用于具有复杂形貌的特殊功能材料[64], 以及热门的能源材料[65]研究中. ... Emerging X-ray imaging technologies for energy materials 1 2020 ... 近年来, 同步辐射X射线成像(Synchrotron radiation-X-ray Imaging, SR-XRI)技术得到了飞速发展.在空间分辨率上, 硬X射线波段已经实现优于30 nm三维空间分辨率的同步辐射纳米成像, 软X射线波段的纳米成像空间分辨率也提高到10 nm的水平, 相干衍射成像甚至可实现X射线波长量级的空间分辨率.在实验技术上, 各种基于同步辐射光源的X射线成像方法[63]相继被提出并得到发展完善, 如X射线显微CT成像(Micro-CT)、基于波带片的纳米分辨全场成像(Transmission X-ray microscopy, TXM)、纳米分辨探针扫描成像(Nano-probe)、相干衍射成像(Coherent diffraction imaging, CDI)和几何放大投影成像(Projection microscopy)等.中国大陆现有的三个同步辐射装置都能开展X射线成像实验研究.值得一提的是, 同步辐射纳米成像技术已由早期的单一结构成像方法, 逐步发展出高分辨率、多尺度、三维结构、元素分布、化学成分、价态分析以及动态研究等多种结构信息的研究手段.同步辐射X射线成像技术与X射线谱学技术相结合而发展出来的谱学成像方法就是一个典型实例.X射线成像相关的先进实验技术已被广泛应用于无机材料领域的前沿研究中, 特别是应用于具有复杂形貌的特殊功能材料[64], 以及热门的能源材料[65]研究中. ... New hierarchical zinc silicate nanostructures and their application in lead ion adsorption 3 2012 ... Qu等[66]用水热法分别合成了花状和海胆状的硅酸锌纳米颗粒.花状的硅酸锌纳米颗粒(锌硅石, Zn3Si4O10(OH)2·nH2O)具有新颖的粘土状层状结构, 而海胆状的硅酸锌(菱锌矿, Zn4Si2O7(OH)2·H2O)纳米颗粒具有高度结晶的锌矿石结构.利用X射线纳米成像技术研究了海胆状硅酸锌催化剂颗粒的结构和形貌, 结果提供了该颗粒内部其他方法难以观测的结构细节, 如一些棒状粒子不是以径向的方式组装到海胆状颗粒内部或者一些棒状粒子悬挂在规则的径向组装的其他棒状粒子之间.这一研究揭示了海胆状颗粒自组装过程中的结构缺陷, 如图17所示, 也为解释此种颗粒的形成机制和更好地发挥多孔状材料的特性奠定了研究基础. ...
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