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同步辐射衍射数据精修

2023-03-02 18:02 作者:科学指南针  | 我要投稿

以下文章来源于XRD Refinement ,作者王小z


同步辐射简介

当高能电子在磁场中以接近光速运动时,如运动方向与磁场垂直,电子将受到与其运动方向垂直的洛仑兹力的作用而发生偏转。带电粒子作加速运动时都会产生电磁辐射,因此这些高能电子会在其运行轨道的切线方向产生电磁辐射。这种电磁辐射最早是在同步加速器上观测到的,因此就称作同步加速器辐射,简称同步辐射光。

据《宋会要》记载,早在公元 1054 年 7月,我国古代天文学家就观测到金牛座中天关客星附近出现异象:“昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日。”[1] 这是人类历史上第一次详细记载超新星爆发。这颗超新星爆发后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。现代天文学家确认该星云的辐射,正是爆炸产生的高能电子在星云磁场作用下的电磁辐射,也即同步辐射。

(蟹状星云(超新星SN 1054的残骸)。图片来自NASA/ESA)

同步辐射作为光源,其主要特点可归结为:

  • 亮度高,譬如 X 光强度可以达实验室转靶 X 光机的一万倍甚至一百万倍以上;

  • 光谱连续且范围宽,可从远红外到硬 X 射线;

  • 有时间结构,一般同步辐射光脉冲的脉宽为几十皮秒量级;

  • 高准直性。

通俗来讲,可以粗略将同步辐射粉末衍射数据看作是特定波长的、能量极高的、分辨率极高的粉末衍射数据处理。


Jade中物相鉴定

2.1 导入数据,直接拖入即可。

2.2 设置衍射波长,这里测试数据使用线站的波长为0.6887 Å。


2.3 S/M检索结果为P-3空间群的BaAl2Si2O8。接着去ICSD或者Findit等结构数据库下载对应的CIF文件,构建初始模型。

初始模型(pcr)

在获得对应的初始CIF后,进行初始结构模型构筑。3.1 Edpcr → cif-pcr

进入,默认选项即可。

3.2 Patterns。设置数据类型和相应的波长条件。

对于同步辐射数据,Lambda1 =Lambda2 。依据参考手册Lambda字段。

其余参数按照前面推文所述设定,具体意义可查看手册。保存即可得到初始的pcr文件         


图形参数修正

一个X射线粉末衍射图谱,主要由结构参数和图像参数两种不同特性的参数贡献。图谱的峰形和位置主要由图形参数决定,图谱积分强度主要由结构参数决定。精修时可分两步进行,先修正图形参数,第二步再修正结构参数。Fullprof提供了一种 Profile Matching模式,先对图形参数进行修正。设置Jbt = 2

4.1 设置Jbt =2,保存。设置精修轮数为20,运行如下:

放大区域,观察计算谱与差值线,可以看出计算峰位偏右,即晶胞参数过小。开始修正晶胞参数。


4.2 Cell Para. — Cell Para. + Zreo

经过多轮的晶胞参数零点修正,如下,衍射峰位置对齐程度明显改善,chi2数量级降低。

4.3 Bac. 1 + 2 + 3

简单背底,使用默认的多项式函数描述即可。此后,chi2 = 439。

4.4 FWHM → W


4.5 Eta_0 → W → U → W+U → Bac 1,2,3,4,5,6 (需多次)

此时,

U 0.044478

V -0.000916

W 0.000477


4.6 Bac.

此后,修峰型参数均变化不大,放大发现,选择的多项式拟合背底为直线;而在数据中2 — 16°背底为凸起宽包。此时,换背底函数。

两种方法:一为增加描述背底的多项式次数;二为手动修正背底,再进行拟合。这里选择手动背底方式,然后对Bac.拟合,结果如下:


结构参数修正

5.1 Scale

在图形参数修正基本完成后,开始对结构参数进行修正。修改Jbt = 0,修Scale因子。


5.2 Atoms Coord. + Overall B

结构参数,主要有原子坐标,占有率,温度因子等。依次对原子坐标进行修正,从重原子至轻原子。

并设置Al原子和Si原子在对称位置。(z坐标和为1)

pcr部分如下(由于编排原因,对文件间距进行了调整):

!Atom  Typ   X   Y   Z   Biso   Occ 

In Fin N_t Spc /Codes

Ba1  Ba   0.0000  0.0000  0.0000   0   0.15667

0   0   0    0 

0.00     0.00     0.00     0.00      0.00

Al1  Al    0.3333  0.6667  0.2887  0   0.33333

0   0   0    0  

0.00     0.00   -11.00     0.00     0.00

Si1  Si    0.3333  0.6667  0.7112  0   0.33333

0   0   0    0  

0.00     0.00    11.00     0.00      0.00

O1  O     0.3333  0.6667  0.5123  0   0.33333

0   0   0    0  

0.00     0.00    21.00     0.00      0.00

O2  O      0.9876  0.4351  0.2075  0   1.00000

0   0   0    0  

31.00    41.00    51.00     0.00    0.00


最终精修品质因子为:

Rp: 5.04;Rwp: 6.92;Rexp: 2.07;Chi2: 11.1;S = 3.34.

chi2偏大,个人认为主要原因有二:一为计数高的衍射强度(1.6 * 105),计数统计不再是主要的误差[2]**;其二为衍射数据存在第二相,在纵坐标为SQR表示方法下,可以看出,有很多第二相的衍射峰(绿色框)。该数据还可进行第二相处理,达到更好的效果!(**该原因目前有争议)


作图并给出结构数据表格:


[1] 维基百科。https://zh.wikipedia.org/wiki/SN_1054

[2] 梁敬魁. 粉末衍射法测定晶体结构[M]. 科学出版社, 2011.

学识有限,如有错误及不当之处敬请批评指正。

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