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SIRIUS, a nova fonte de luz síncrotron brasileira e suas potencialidades
Minicurso VI @ VIII Encontro de Física e Astronomia da UFSC
THIAGO J. A. MORI
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Mensagem final de ontem…
Síncrotrons:Produzem radiação de amplo espectroDiversas técnicas experimentaisMulti-disciplinar
SIRIUS:Um dos melhores síncrotronsUsuários a partir de 2020Laboratório nacional
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O que vem pela frente:
Aula 1: Introdução a luz síncrotron e Projeto SIRIUS(o que é, pra que serve, como funciona)
Aula 2: Introdução geral a técnicas de luz síncrotron (difração/espalhamento, espectroscopias, microscopias)
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Espectro eletromagnético:
https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_eletromagnético
Os aceleradoressão projetadospara produzirultravioleta e
raios X.
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Interação radiação-matériaRadiação interage com materiais;
Conhecendo fótons incidentes e interações, deduz-se informações sobre o material
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Interação radiação-matéria
Na faixa de energia até raios-X, consideramos que a radiação interage somente comos elétrons do material
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Interação radiação-matériaOs principais processos de interação na região de raios-X
Absorção fotoelétrica
Transferência de Energia
Espalhamento inelástico
Transferência de Momento e Energia
Espalhamento elástico
Transferência de Momento
XAS, XPS, XRF, XEOLARPES, XMCD
XRD, XRRSAXS, WAXS
RIXS, XRSCompton 7
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Sirius: linhas da primeira fase
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Técnicas para estudar materiais ( X ? ? ? )
Difração/espalhamento:Estrutura atômica
Imageamento/microscopia:Informações em espaço real
Espectroscopia :
Estrutura atômica e eletrônica Eu-4fO-2p
Eu-5d
Eu-5d
Eu-4fO-2p
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Espalhamento + Interferência = Difração
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Por que síncrotron? (alto brilho…)
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Por que síncrotron? (alto brilho…)
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Experimentos em condições extremas
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Por que síncrotron? (alto brilho…)
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Por que síncrotron? (alto brilho…)
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Por que síncrotron? (fótons com alta energia…)
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Tubo de Cu -> 8 keV SIRIUS -> até ~60 keV
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Por que síncrotron? (fótons com energia ajustável…)
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Possibilidade de medir em ressonância com bordas de absorção!
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Técnicas para estudar materiais ( X ? ? ? )
Difração/espalhamento:Estrutura atômica
Imageamento/microscopia:Informações em espaço real
Espectroscopia :
Estrutura atômica e eletrônica Eu-4fO-2p
Eu-5d
Eu-5d
Eu-4fO-2p
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Resumindo
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Ondas eletromagnéticas
𝐸 𝑥, 𝑡 = 𝐸0 𝑒𝑖(𝑘𝑥−𝜔𝑡)
Fótons
𝐸 = ℏ 𝜔 Ԧ𝑝 = ℏ 𝑘
Energia
(eV)
104 10610210-6 10010-1010-14
Espectro eletromagnético
ESPECTROSCOPIA se aproveita do fato de que todos átomos e moléculas absorvem e emitem luz em certos comprimentos de onda, para estudar a estrutura atômica e eletrônica de materiais.
https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum
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Modos normais de vibração e ressonância
https://en.wikipedia.org/wiki/Resonancehttps://en.wikipedia.org/wiki/Normal_modehttps://scrapbox.io/musicsurvey/Breaking_a_Wine_Glass_in_Python_By_Detecting_the_Resonant_Frequency
Vibrações possuem modos especiais com frequências de ressonância que dependem da massa e da constante de força.
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Modos normais de vibração e ressonância
Vibrações possuem modos especiais com frequências de ressonância que dependem da massa e da constante de força.
https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy
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M. J. Baker et al. “Using Fourier transform IR spectroscopy to analyze biological materials.”, Nature Protocols., vol. 9, p. 1771–91 (2014)
http://nptel.ac.in
Estrutura secundária(amide I)
Espectroscopia de infravermelho (IR)
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A estrutura dos átomosAlguns modelos atômicos
elétron está em órbita ao redor do núcleo
Bohr/Rutherford (1913)
Mecânica Quântica (Probabilidades)
Heisenberg, Schrödinger, Born, Neumann, Dirac, Pauli, Fermi…
(1925 →…)
elétron está em um orbital
Rutherford(1909)
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Átomos, modos normais e ressonânciaConsiderando os orbitais eletrônicos como ondas estacionárias, e
sabendo que transições eletrônicas entre orbitais possuem uma variaçãode energia bem específica, então podemos dizer que estas transições são
associadas a certos modos normais do átomo, ou seja, ressonância!
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Configuração Eletrônica: ferro
E=>7000 eV
E =>700 eV
Dis
tânc
ia d
o
núcl
eo
E => 80 eV
E=> 3 eV
Por isso precisamos ter várias linhas de
espectroscopia no SIRIUS!!
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Linhas do Sirius para espectroscopia
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EMA: 2.7-35KeV (XMCD/XAS/extreme conditions)
CARNAUBA: 2-12 KeV (X-Ray nano probe)
COLIBRI: 0.1-2 KeV (XAS/PEEM/XMCD)
XARU – 4-40 KeV (XANES/EXAFS)
IPÊ: 0.1-2.0 KeV (RIXS/XPS)
IMBUIA – 0.02-1 eV (nano FTIR)
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Processos em espectroscopia
1s
2s2p
vácuo
R-X
1s
2s2p
Elétron ejetado
1s
2s
2p
Elétron Auger
1s
2s2p
Fóton
Processos de excitação Processos de decaimento
28
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29
O que aprendemos com um espectro ?
De uma forma simples,o espectro fornece:• Posições• Larguras• Intensidades
XAS – X ray Absorption Spectroscopy
XAS – X ray Photemission Spectrocpy
XES – X ray Emission Spectroscopy
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30
Espectroscopia de fotoelétrons
Níveis de energia do Au (79)
4s
4p
3/2
4p
1/2
4f
4d
3/2
4d
5/2
valence band
core states
Ene
rgia
4f
4d5/2
4d3/2
4p3/2
4p1/2
4s
Energia
Inte
nsi
dad
eMedida de XPS
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Níveis de energia do Au (79)
Ene
rgia
4f
4d5/2
4d3/2
4p3/2
4p1/2
4s4s
4p3/2
4p1/2
4f
4d3/2
4d5/2
val
ence
ban
d
core
sta
tes
4f
4d3/24p3/2
4p1/2
4s
4d5/2
Intensidade
Espectroscopia de fotoelétrons
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XPS: Estados ocupados
Identificação de átomosQuantificação
Estado químico
Core levelsspin-orbitcouplingAuger electrons
ARPES
• Propriedades eletrônicas• Estados delocalizados
- isolantes- Semicondutores- condutores- condutividade elétrica- mobilidade e densidade de portadores de carga.
Espectroscopia de fotoelétrons
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A posição do pico é uma identidade de cada elemento
químico
Espectroscopia de absorção
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Bordas de absorção
Ouro Ferro
Variação da energia em função da borda
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35
teII −= 01
sam
ple
x-raysI0 I1
XANESX-ray Absorption
Near Edge Structure
EXAFSExtended X-ray
Absorption
Fine Structure
Espectroscopia de Absorção de Raios X
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XANES – Óxidos de Ferro
36
XANES – estados desocupados:
- Composição química
- Vizinhança química (distâncias)
- Estado de oxidação
- Coordenação
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(transição 2p → 3d)
XANES – Borda de absorção L para metais 3d:
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Além do elemento: Estrutura fina da borda K do carbono
Borda K do carbono
38
Inte
nsi
dad
e
DEL (eV)
02468
291.2 eV
XPS
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39
CaO
SrTiO3
[Ar] 3d6 [Ar] 3d0 4s0
XANES – Simetria localBorda de absorção L3,2 para óxidos 3d:
(transição 2p → 3d)
![Page 40: SIRIUS, a nova fonte de luz síncrotron brasileira e suas ...encontro.pgfsc.sites.ufsc.br/2020/wp-content/uploads/...Energia (eV) 10-14 10-10 - 100 10210 46 Espectro eletromagnético](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052811/608c304454e167244a347064/html5/thumbnails/40.jpg)
DICROÍSMO
40
E se a luz for polarizada?
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Dicroísmo linear de raios X - XLD
41
Orbitais com ligações pi and sigma em grafeno monocamada
![Page 42: SIRIUS, a nova fonte de luz síncrotron brasileira e suas ...encontro.pgfsc.sites.ufsc.br/2020/wp-content/uploads/...Energia (eV) 10-14 10-10 - 100 10210 46 Espectro eletromagnético](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022052811/608c304454e167244a347064/html5/thumbnails/42.jpg)
Dicroísmo circular magnético de raios X - XMCD
42
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Dicroísmo circular natural de raios X - XNCD
43
Quiralidade em amostras imperfeitas de HOPG
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Processos ressonantesEspectroscopia/Espalhamento/Microscopia com energia igual à borda de um elemento
Seletividade química, contrastes de dicroísmo, etc.
44
EspectroscopiasRPES, RXPS
RAES, RXES
Espalhamento/DifraçãoASAXS, SAD, MAD
R-XRD , R-SAXS, R-XRR
MicroscopiasSTXM, PEEM, TXM,
PTYCOGRAPHY
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Espalhamento inelástico de raios-X ressonante (RIXS)Que tal olharmos para os fótons emitidos após uma absorção ressonante?
Podemos acessar excitações eletrônicas locais e coletivas.
Regras de seleção dipolar não são obstáculo, mas seções de choque são muito baixas.
O momento do fóton pode ser usado para medir dispersão.
45
Excitações coletivas Excitações locais
eg
t2g
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(ħw1, ħk1)
(ħw2, ħk2)
ħw = ħw2 - ħw1
q = |k2 - k1|~ 2k1sin(2q/2) = (4p/l)sin(2q/2)
2q
Energia e Momento transferidos
Fornece informações sobre
dispersão de excitações eletrônicas!46
Espalhamento inelástico de raios-X
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RIXS em materiais correlacionados Dispersão de spinons e orbitons
Excitações eletrônicas exóticas resultantes de fortes correlações eletrônicas
47
3) Dispersão em momento
Nature 485 82 (2012)
resonance
2) Espectro ressonante1) Mapas de RIXS
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Bond stretching and breaking
Bond stretching
Measure potential energy surfaces for specific bonds
Potential Energy Surface (PES)
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Measuring Potential Energy Surfaces
C=O length
Ketone stretching
O1s =531 eV
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Técnicas para estudar materiais ( X ? ? ? )
Difração/espalhamento:Estrutura atômica
Imageamento/microscopia:Informações em espaço real
Espectroscopia :
Estrutura atômica e eletrônica Eu-4fO-2p
Eu-5d
Eu-5d
Eu-4fO-2p
50
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Imageamento por raios X
51
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Imageamento por raios X
Fotoemissão, absorção / Contrastes químicos, ferroelétrico, magnético, etc.
52
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Imageamento por raios X - Fourier
53
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Imageamento por raios X - Fourier
54
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Imageamento por raios X - Fourier
55
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Imageamento por raios X - Fourier
56
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Precisamos de coerência!
57
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Regimes de imageamento
58
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SIRIUS terá vários microscópios!
59
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Primeiras imagens de tomografia
60
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Primeiras imagens de tomografia
61
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Como é o acesso ao síncrotron?
62
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Programas de formação do CNPEM
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Perguntas? [email protected]
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Project Budget
Budget (up to 2020)
•Building 200 M US$•13 beamlines 120 M US$•Accelerator 110 M US$•Human Res 60 M US$•Infrastructure 30M US$
•Total 520 M US$
Integrated Resources (M US$)