X-ray Absorption Spectroscopy

X-ray Absorption Spectroscopy（XAS，X光吸收光譜）是一種強大且廣泛應用於材料科學、化學、物理與生物領域的分析技術。它的厲害之處在於它能提供原子等級的局部結構與電子態資訊，特別是在傳統繞射或光譜技術無法探測的情況下，仍然能有效獲得重要訊息。

• XAS 的基本原理：

當高能X光照射在樣品中某個特定元素的原子上，若X光能量剛好足以激發核心電子（例如1s電子）跳出原子軌域，便會在吸收光譜中產生一個吸收邊（absorption edge）。XAS 即是量測不同能量下的X光被樣品吸收的程度，以獲得與該原子有關的結構與化學資訊。

• XAS 可分為兩個區段：

XANES（X-ray Absorption Near Edge Structure）近邊結構

EXAFS（Extended X-ray Absorption Fine Structure）延伸精細結構

• XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure)可提供：

1. 氧化態 (Valence State):吸收邊位置隨氧化態升高而向高能移動，例如：Pt²⁺ 與 Pt⁴⁺ 的吸收邊不同。

2. 電子結構:包含未占據態的密度(如d軌域空態)，可推估金屬與配體之間的電荷轉移與鍵結性質。

3. 配位環境與對稱性:邊緣結構的形狀反映局部幾何，可分辨四面體 vs 八面體配位等結構差異。

•  EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure)可提供：

  1. 配位數(Coordination Number):中心原子周圍有幾個鄰近原子。

  2. 鍵長(Bond Length):中心原子與鄰近原子的平均距離，解析度可達0.01 Å。

  3. 結構無序程度(Debye-Waller factor):可了解熱振動、結構缺陷、非晶區域等對結構穩定性的影響。

•  XAS 的優勢

1. 元素選擇性：可針對樣品中的特定元素做分析，不受其他元素干擾（例如分析催化劑中極低濃度的Pt）。

2. 局部結構分析：即使樣品是非晶、奈米、液體或粉末，也能準確獲得局部結構資訊。

3. 原子解析尺度：可解析原子與周圍幾個Å內的環境，精確到0.01 Å的鍵長變化。

4. 原位/操作中觀察（in situ/operando）：能在實際工作條件（如高溫、高壓、電化學反應進行中）下即時觀察材料結構與電子態變化。

5. 應用廣泛：從催化劑設計、鋰電材料、腐蝕機制、生物金屬蛋白到地球科學礦物研究都有應用。

• 常見應用範例：

1. 催化劑研究：觀察反應過程中金屬中心的氧化態與配位數變化（如PtNi催化劑中Pt–Ni鍵形成）。

2. 電池材料：分析充放電過程中金屬氧化態與局部結構如何演化。

3. 環境科學：追蹤重金屬在土壤或水中的化學形態與結合形式。