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X-Ray Spectroscopy for the Characterization of Molecules and Materials

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X-Ray Spectroscopy for the Characterization of Molecules and Materials

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Academic year 2019/2020

Course ID
CHI0142
Teacher
Dott. Elisa Borfecchia (Lecturer)
Degree course
Scienza dei Materiali [LM-53]
Year
2nd year
Type
Basic
Credits/Recognition
4
Course disciplinary sector (SSD)
CHIM/02 - chimica fisica
Delivery
Class Lecture
Language
English
Attendance
Obligatory
Type of examination
Oral
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Sommario del corso

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Course objectives

The course aims at providing an overview on the potential of X-ray spectroscopy to characterize molecular species, materials and nanomaterials, together with the theoretical basis and the experimental know-how required to successfully apply such methods to multi-disciplinary research problems. The course will focus on X-ray absorption and emission methods in both the hard and soft X-ray domain, with an emphasis on their applications in chemistry, material science, and nanoscience. Through a final "hands-on" training, the course will also provide knowledge and skills about synchrotron large-scale-facility-based research and data pre-treatment and analysis/interpretation.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png  ALTERNATIVE TEACHING - The course objectives are unchanged

L'obiettivo del corso è di fornire una panoramica sulle potenzialità della spettroscopia a raggi X per la caratterizzazione di specie molecolari e materiali (eventualmente nanostrutturati) e sviluppare congiuntamente le basi teoriche e le competenze sperimentali necessarie per applicare tali metodi di analisi a problemi di ricerca di natura multi-disciplinare. Il corso sarà focalizzato sulle spettroscopie di assorbimento ed emissione, nei range energetici dei raggi X duri e morbidi, in particolare per applicazioni in chimica, scienza dei materiali e nanotecnologia. Attraverso un training pratico, il corso intende anche fornire conoscenze e competenze rispetto trattamento dati ed analisi di base per le spettroscopie discusse e le modalità di accesso alle facility internazionali di luce di sincrotrone ove tali medodi vengono applicati.

 

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Results of learning outcomes

  • Strenghtening of basic notions about: physical basis of radiation-matter interaction and their implementation in photon-in spectroscopies; X-ray sources and of the properties of the produced X-rays, related characterization opportunities.
  • Acquisition of theoretical and experimental knowledge required to apply and interpret X-ray absorption and emission spectroscopies to determine structural and electronic properties of molecular species and materials.
  • Critical understanding of the differences and complementarities between hard and soft X-ray spectroscopy
  • Acquisition of knowledge and know-how about: pre-treatment and basic analysis of XAS data; designing, proposing and performing experiments at large scale facilities

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png  ALTERNATIVE TEACHING - The results of learning outcomes are unchanged

  • Consolidamento di nozioni di base relative a: Basi fisiche dell'interazione radiazione-materia ed il loro utilizzo nella caratterizzazione spettroscopica di sistemi molecolari e materiali; Sorgenti di raggi X e proprietà dei raggi X prodotti, e relative opportunità nell'ambito della caratterizzazione
  • Acquisizione delle conoscenze e competenze teoriche e sperimentali richieste per applicare ed interpretare le tecniche spettroscopiche di assorbimento ed emissione di raggi X per determinare le proprietà elettroniche e strutturali d specie molecolari e (nano-)materiali.
  • Comprensione delle differenze e le complementarità connesse all'utilizzo di raggi X duri e morbidi e capacità di applicarle a problemi di caratterizzazione.
  • Acquisizione di conoscenze e competenze operative rispetto a: i) Pretrattamento ed analisi base di dati XAS; ii) Progettazione, proposta ed esecuzione di esperimenti presso large scale facilities di sincrotrone.
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Course delivery

 

The course (frontal lessons, 3 CFU) and the “hand-on” training modules (1 CFU) will be given in English.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png  ALTERNATIVE TEACHING - The lessons are delivered in "remote mode" for the whole perid of shut-down of the University facilities, according to the current governament regulations. In particular:

  • video-recordings of ALL the 12 frontal lessons are available, following the instructions in the "Teaching Material" section.
  • Video trainings and detailed instruction on laboratory activity are now available, following the instructions in the "Teaching Material" section.
  • Weekly Webex virtual discussion sessions with the students are organized: the scheduling is communicated by e-mail to the students enrolled to the course.
  • Students are encouraged to register to the course (essential to receive efficient updates by e-mail!) and to contact by e-mail the professor for any other matter.

Le lezioni frontali (3 CFU) e il modulo di laboratorio (1 CFU) saranno tenuti in inglese.

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Learning assessment methods

 

The final examination will consist in an oral exam, organized as follows:

  • Presentation (15/20 min, 10/15 slides) about one topic covered in (or relevant to) the course selected by the student (e.g., an X-ray spectroscopy technique, or a specific implementation of a technique, a research case-study/application field using X-ray spectroscopy, …)
    Starting from the topic presented, the student should be ready to address a general question about the topics covered in the lessons.
  • A digital laboratory logbook (.pdf file) reporting the activity carried out during the laboratory part of the course, has to be sent by e-mail to the professor 1 week before the exam date, at latest.
    The evaluation of the logbook (A, B, C marks) will represent a “bonus” with respect to the mark (X/30) obtained in the oral exam (A: + 2/30; B: + 1/30; C: + 0/30).
    Only in the case of non-delivery, the student will receive a penalty of -2/30 with respect to the mark obtained in the oral exam.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png  REMOTE EXAMS - If the June/July 2020 exam session will be held remotely, the oral exam will be carried out in teleconference mode via Webex: the students will share their screen to discuss their presentation and address the following general discussion. Specific instructions will follow in due time. The students are encouraged to contact the professor by e-mail at any time to fix a “virtual appointment” for advices and eventually support material about the topic selected for the exam.

La modalità di verifica dell'apprendimento consisterà in un esame orale.

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Program

  • Brief review about: (i) Interaction between radiation and matter and its use in the characterization of materials: Transmission, scattering, absorption; excitation and de-excitation processes; overview on photon-in spectroscopies, focusing on the X-ray spectral domain. (ii) X-ray sources, from X-ray tubes to synchrotrons and XFELs: how X-ray photons are produced, their key properties and implications for the characterization of materials.
  • X-ray Absorption spectroscopy (XAS) in the hard X-ray domain: basic principles, experimental requirements, setups, and detection schemes; XANES and EXAFS regions: theoretical background and accessible information.
  • Soft X‐Ray Absorption Spectoscopy (NEXAFS): General theoretical and experimental/sample environment considerations in comparison with hard X-ray methods; electronical/chemical sensitivity of K-edge spectra of light elements (C, N, O) and L-edge spectra of transition metals; polarization-dependent NEXAFS, experimental setups and state-of-the-art approaches to bridge the pressure gap.
  • X-ray Emission spectroscopy (XES): Basic theory of XES; chemical sensitivity of core-to-core and valence-to-core transitions to metal centers an their ligand environment; high-energy resolution XANES and resonant XES; experimental setups: source, spectrometers, detectors.
  • Time-resolved X-ray spectroscopy on different time-scales: Quick-EXAFS and energy dispersive EXAFS; Ultrafast XAS and XES using the laser-pump X-ray probe scheme.
  • Space-resolved X-ray spectroscopy: introduction to X-ray focusing optics; micro(nano)-spectroscopy & spectro-micro(nano)scopy approaches in the hard and soft X-ray domains.
  • Selected case studies about the application of X-ray spectroscopy: metal ions in porous frameworks.
  • Laboratory - “Hands-on" training on: (i) Optimizing samples for XAS and assessing the best XAS detection mode; (ii) Basic data treatment and interpretation of XAS data using ATHENA; (iii) XANES Linear Combination Fit (LCF) analysis with ATHENA; (iv) EXAFS fitting using ARTEMIS; (v) training activities on proposal writing to access large-scale facilities.

upload_upload_Coronavirus-2019-nCoV-CDC-23312_without_background.png  ALTERNATIVE TEACHING - The program of the course is substantially unchanged. The only change regards point (v) of laboratory training about proposal writing, initially designed as a team work activity and difficult to implement in remote-mode: this is replaced with a strenghtening of the training for points (i)-(iv), easier to be carried out individually with the aid of video-trainings.

  • Breve riepilogo di: (i) Interazione radiazione-materia ed applicazione dei principali meccanismi di interazione nell’ambito della caratterizzazione dei materiali: processi di trasmissione, scattering, assorbimento, eccitazione e decadimento, con particolare attenzione alla regione spettrale dei raggi X. (ii) Sorgenti di raggi X, dai tubi a raggi X a sincrotroni e XFEL: meccanismi di produzione dei fotoni X, proprietà principali della radiazione prodotta ed implicazioni nell’ambito della caratterizzazione di sistemi molecolari e materiali.
  • Spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) con raggi X duri: principi base della tecnica, requisiti sperimentali e relativi setup e schemi di rilevazione, regioni XANES ed EXAFS: basi teoriche e informazioni ottenibili.
  • Spettroscopia di assorbimento ed emissione di raggi X con raggi X morbidi: considerazioni generali sui requisiti sperimentali e le basi teoriche in confronto con quanto visto utilizzando raggi X duri. NEXAFS con raggi X morbidi: sensibilità chimico-elettronica degli spettri NEXAFS alle soglie K degli elementi leggeri (C, O, N) e alle soglie L dei metalli di transizione. Spettroscopia NEXAFS dipendente dalla polarizzazione. Complementarità con le medesime tecniche utilizzando raggi X duri. Setup sperimentali ed approcci avanzati per raccolta dati a pressione ambiente.
  • Spettroscopia di Emissione di raggi X (XES) con raggi X duri: principi base della tecnica; sensibilità chimica delle transizioni XES “core-to-core” e “valence-to-core” alle proprietà elettroniche di centri metallici ed ai rispettivi leganti; XANES ad alta risoluzione energetica (HERFD-XANES) e XES risonante (r-XES/RIXS); setup sperimentali: sorgente, spettrometro, detector.
  • Spettroscopia a raggi X risolta in tempo a diverse scale temporali: Approcci Quick-EXAFS ed EXAFS dispersivo; approcci “laser-pump X-ray probe” per caratterizzazione di sistemi fotoattivi su scala “ultra-fast”.
  • Spettroscopia a raggi X risolta in spazio: Introduzione alle ottiche ed alle metodologie di focalizzazione nel range spettrale dei raggi X; tecniche di micro(nano)-spettroscopia & spettro-micro(nano)scopia utilizzando raggi X duri e morbidi.
  • Esempi selezionati di applicazione della spettroscopia a raggi X: ioni di transizione in reticoli micro-porosi
  • Esercitazioni pratiche relative a: (i) Ottimizzazione del campione per misure XAS e valutazione del migliore metodo di rilevazione dello spettro; (ii) Trattamento e analisi qualitativa di dati XAS utilizzando il software ATHENA; (iii) Analisi di tipo "Linear Combination Fit" su data XANES utilizzando il software ATHENA; (iv) Semplici fit EXAFS utilizzando il software ARTEMIS; (v) elaborazione di proposal per accedere a large scale facilities dedicate alla produzione ed utilizzo di radiazione di sincrotrone.

Suggested readings and bibliography

Oggetto:

  • Lesson slides and video-recordings (sufficient to adequately prepare the exam)
  • Additional textbooks and suggested bibliography:
  • van Bokhoven, J. A.; Lamberti, C., X-Ray Absorption and X-Ray Emission Spectroscopy: Theory and Applications. Wiley: 2016.
  • Stöhr, J., NEXAFS Spectroscopy. Springer Berlin Heidelberg: 2013.
  • Calvin, S., XAFS for Everyone. Taylor & Francis: 2013.
  • Selected literature reviews and research papers, depending on the application case studies selected during the course also based on the feedback received by the class.

  • Registrazioni delle lezioni e slide proiettate a lezione (sufficienti a preparare adeguatamente l'esame)

  • Ulteriori testi consigliati:

  1. van Bokhoven, J. A.; Lamberti, C., X-Ray Absorption and X-Ray Emission Spectroscopy: Theory and Applications. Wiley: 2016.

  2. Stöhr, J., NEXAFS Spectroscopy. Springer Berlin Heidelberg: 2013.

  3. Calvin, S., XAFS for Everyone. Taylor & Francis: 2013.

  4. Review di letteratura, da individuare a seconda degli specifici esempi di applicazione selezionati anche considerando il feedback degli studenti nel corso delle lezioni 



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Last update: 13/04/2020 15:54
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