|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ANALIZA SIGNALA EXAFS Oglejmo si postopek luščenja strukturnega signala EXAFS na primeru kobaltovega absorpcijskega spektra μ(E), izmerjenega s sinhrotronsko svetlobo (slika 10). Kot smo pojasnili že v uvodnem poglavju, je signal EXAFS nad robom K posledica modulacije preseka za fotoefekt v lupini K. Iz celotne absorpcije moramo torej v prvem koraku izločiti prispevek lupine K:
Prispevke preostalih elektronskih lupin in morebitne prispevke drugih elementov v vzorcu Slika 10. Postopek luščenja signala EXAFS iz absorpcijskega spektra, prikazan na primeru absorpcijskega spektra kovinskega kobalta, ki je bil izmerjen s sinhrotronsko svetlobo v laboratoriju HASYLAB, DESY v Hamburgu Signal EXAFS izračunamo po definiciji:
.kjer je Slika 11. Spekter EXAFS kovinskega kobalta, izmerjen s sinhrotronsko svetlobo.
Primerjava meritev z modelom EXAFS Kovinski kobalt se v naravi pojavlja v kristalnih strukturah fcc ter hcp. V prvih dveh sosedskih lupinah imajo kobaltovi atomi v obeh kristalnih strukturah enako število atomov, v nadaljnjih lupinah pa se strukturi razlikujeta (tabela 2). Četrta in šesta lupina pri kristalni strukturi hcp se nahajata na enaki razdalji kot tretja in četrta lupina v strukturi fcc, vendar vsebujeta manjše število atomov. Poleg omenjenih lupin pa ima struktura hcp še dve dodatni lupini pri razdaljah, ki se ne ujemajo z nobeno lupino iz strukture fcc.
Slika 12. Absolutna vrednost Fourierove transformiranke modelskih spektrov EXAFS, za primer kobalta s kristalno strukturo fcc in hcp. Fourierova transformacija je izračunana z uteženjem spektra EXAFS s k
OSNOVNI PRINCIPI MODELIRANJA SPEKTROV EXAFS Modelna funkcija Modelno funkcijo, ki jo bomo prilagajali izmerjenemu spektru EXAFS sestavimo iz prispevkov različnih sipalnih poti fotoelektrona. V primeru, ko se fotoelektron siplje le na enem izmed sosednjih atomov, imenujemo tako sipalno pot enojna sipalna pot (ESP). Če pa se fotoelektronski val siplje na sosedih večkrat, imenujemo tako pot večkratna sipalna pot (VSP). Podaljšana drobna struktura vsebuje prispevke obeh vrst poti:
vsak izmed prispevkov pa je podan z:
kjer je 2r Sipalno amplitudo f V primeru, ko so na atom vezani atomi drugih vrst, povzročijo ti tako imenovani kemijski premik energije vezanih elektronov. Energija roba K se v takem primeru premakne za nekaj eV. Ta premik v modelni funkciji opišemo s parametrom premika ničelne energije fotoelektrona
Amplitudni faktor Vse parametre lahko zapišemo kot vektor Parameter, ki opisuje dolžino poti, lahko spreminjamo za vse sipalne poti hkrati, če vpeljemo relativno odstopanje mrežne razdalje (
Enako vpeljemo za DW faktorje enoten model za vse sipalne poti v kristalu. Enačba (2.7) velja le za sipalno pot, ki vključuje dva sipalca. V splošnem velja za efektivni kvadrat odmika dolžine sipalne poti:
kjer je n število atomov, ki jih vključuje sipalna pot,
kjer so Za DW faktorje vseh sipalnih poti smo tako vpeljali dvoparametrično funkcijo temperature vzorca T in Debyeve temperature Število sosedov v posamezni lupini je za kristalno strukturo znano. Pri modeliranju spektra EXAFS kovinske folije lahko degeneracije sipalnih poti enolično določimo in teh parametrov ne variramo. Pri skupkih pa povprečnega števila sosedov v posamezni koordinatni lupini ne poznamo. Tako ne poznamo degeneracij za posamezne sipalne poti, niti povezave med njimi. Število parametrov modelne funkcije želimo zmanjšati na tak način, da poiščemo povezavo med degeneracijami večkratnih sipalnih poti z degeneracijami enojnih sipalnih poti. V preteklosti so nekateri že poskušali s tako povezavo [11], vendar le za majhno število najkrajših sipalnih poti.
Numerično prilagajanje meritvam Modelno funkcijo prilagodimo izmerjenemu spektru EXAFS z metodo najmanjših kvadratov. Vrednosti za parametre
Čeprav je lahko podaljšana drobna struktura izmerjena v več tisoč točkah, to ne pomeni, da imamo pri prilagajanju ravno toliko neodvisnih točk. Podaljšana drobna struktura je sestavljena iz več sinusnih signalov. Če želimo v podaljšani drobni strukturi ločiti med dvema sinusnima členoma, s periodama, ki se razlikujeta za
kjer je uporabljen faktor 2, ker je perioda sinusnih členov v podaljšani drobni strukturi enaka 2r. Na enak način lahko zaključimo, da lahko v eni meritvi izmerjeni na intervalu
Vrednost m je ocena za število neodvisnih točk Najpogosteje uporabljan kriterij za oceno kvalitete rezultatov prilagajanja je kriterij
kjer je k
Za medsebojno primerjanje prilagajanj izvedenih na različno velikih intervalih in z različnimi parametri uporabimo reduciran hi kvadrat
Klasičen postopek za oceno napake parametrov izvira iz predpostavke, da so statistične napake meritev porazdeljene po normalni distribuciji in ne vsebujejo sistematičnih napak. V takem primeru je okvirna vrednost kriterija Za izračun napake posameznih variacijskih parametrov in njihove medsebojne korelacije potrebujemo matriko ukrivljenosti prostora
Njeno inverzno matriko imenujemo korelacijska matrika
Napake parametrov lahko tudi grafično prikažemo na večdimenzionalnem grafu (slika 5.1), katerega osi predstavljajo parametre Slika 5.1: Grafični prikaz napak parametrov prilagajanja Če hočemo določiti realno napako za posamezne variacijske parametre oziroma korelacije med njimi potrebujemo dobro oceno za napako meritve. Napako, ki je posledica statistike smo že ocenili, za sistematično napako pa nimamo nobene ocene. Za oceno napak parametrov potrebujemo celotno napako meritve, ki vsebuje tudi del sistematične napake. Standardni postopek za oceno celotne napake temelji na predpostavki, da bi veljalo
To vrednost uporabimo pri izračunu resničnih napak parametrov in njihovih medsebojnih korelacij.
KATEGORIZACIJA VEČKRATNIH SIPALNIH POTI Zaradi velikega števila večkratnih sipalnih poti, je za njih najprej potrebno izbrati enoličen zapis. Zapišemo jih na naslednji način:
Indeks nad oznako sipalca (x,y,…) označuje njegovo oddaljenost od centralnega atoma (Co Vse sipalne poti lahko razporedimo v 4 družine. V primeru sipalne poti, ko fotoelektron potuje le do enega sosednjega atoma ter nazaj, tako pot uvrstimo v družino enojnih sipalnih poti (ESP) (slika 6.1). V primeru, ko sipalna pot vključuje dvakrat ponovljeno ESP, jo uvrstimo v družino dvakratnih sipalnih poti (DSP) (slika 6.1). Te dve družini obsegata vse sipalne poti, ki vključujejo le po dva sipalna atoma. Znotraj družine se sipalne poti razlikujejo po razdalji med obema atomoma, ki jo za označevanje dodamo ob oznako družine (ESPa, DSPa). Celoten zapis obeh poti je torej:
Slika 6.1: Shematski prikaz sipalne poti enojnega sipanja ESPa in dvakratnega sipanja DSPa, kjer a označuje razdaljo med obema atomoma v enotah najbližjih sosedov. Centralni atom je obarvan rdeče. Tretja družina obsega sipalne poti s tremi sipalci, ki ležijo na isti premici. Razdalja med prvim in drugim atomom je enaka razdalji med drugim in tretjim atomom. Ker so vsi sipalni koti enaki bodisi 0° bodisi 180° imenujemo to družino družina linearnih sipalnih poti (LSP). Med seboj se sipalne poti znotraj te družine razlikujejo po razdalji med dvema sosednjima sipalcema (a/2) ter po številu sipanj in položaju centralnega atoma, kar označimo z indeksno številko nad oznako družine (slika 6.2). Slika 6.2: Shematski prikaz sipalnih poti linearnih sipanj LSP Linearne sipalne poti zapišemo kot: Naslednja družina obsega sipalne poti, ki vključujejo tri sipalne atome, ki ne ležijo na isti premici. Sipalni atomi so postavljeni v oglišča trikotnika s stranicami a,b,c in notranjimi koti Enolično lahko zapišemo trikotne sipalne poti kot
Slika 6.3: Shematski prikaz trikotnih sipalnih poti TSP
ANALIZA MERITEV Programska oprema Za analizo absorpcijskih spektrov EXAFS smo uporabili programski paket IFEFFIT [15], ki združuje več samostojnih paketov. Podaljšano drobno strukturo izluščimo iz izmerjenega absorpcijskega spektra s programom ATHENA [9]. Ko pripravimo
Kristalna struktura kovinskega kobalta Kovinski kobalt se v naravi nahaja v dveh kristalnih strukturah fcc ( Slika 13 : Absolutna vrednost Fourierove transformiranke podaljšane drobne strukture kovinskega kobalta s kristalno strukturo fcc (črno). V barvah so prikazani glavni prispevki sipalnih poti, ki so vključeni v modelno funkcijo. Začnemo z modelno funkcijo, ki opiše samo prvo lupino. Za prilagajanje v prostoru r izberemo območje, do koder prva lupina sega, to je 1.65 Å< r < 2.77 Å. Signale na območju pod 1.65 Å izpustimo, saj ti ne morejo biti prispevki sipanja fotoelektrona na atomih, ker so to razdalje manjše od kakršnekoli medatomske razdalje. Na začetnem izbranem območju r in k prve lupine v modelno funkcijo vključimo samo prvo sipalno pot. Prosti parametri so amplitudni faktor V naslednjem koraku vključimo še vse preostale sipalne poti. Modelni funkciji v prostoru r razširimo na interval 1.65 Å < r < 6 Å. DW faktorje vseh sipalnih poti modeliramo z Debyevim modelom, v katerem je prost parameter Debyeva temperatura Najboljše vrednosti izračunanih parametrov so navedene v tabeli 3. Na izbranem območju imamo na voljo 30 neodvisnih točk, kar je dovolj za 5 prostih parametrov.
Tabela 3 : Dobljene vrednosti parametrov, ki smo jih dobili s prilagajanjem modela fcc: Izračunane vrednosti parametrov potrjujejo kristalno strukturo fcc kovinskega kobalta. Relativno odstopanje mrežne razdalje od kristalografskih podatkov znaša Na sliki 15 je prikazana absolutna vrednost Fourierove transformiranke izmerjenega spektra EXAFS, ki je prikazan na predhodnji sliki 14, ter model kristalne strukture fcc. Slika 14 : Spekter EXAFS nad absorpcijskim robom K, izmerjen na kobaltovi kovinski foliji. Pike - meritev, polna (rdeča) črta - model kristalne strukture fcc. Slika 15 : Absolutna vrednost Fourierove transformiranke Co spektra EXAFS, ki je prikazan na sliki 14. Črna črta - meritev; rdeča črta - modelska funkcija kristalne strukture fcc.
7. Meritev je bila izvedena na žarkovni liniji E4,v katero je vgrajeno toroidno zrcalo z zlato prevleko, ki zbere rahlo divergentni sinhrotronski žarek na mestu vzorca, ter dvokristalni Braggov monokromator Si(111), ki monokromatizira belo rentgensko svetlobe z energijsko ločljivostjo 1 eV. Jakost vpadne in prepuščene svetlobe merita ionizacijski celici, napolnjenimi z dušikom. Sinhrotron je izjemno svetel izvir rentgenske svetlobe, zato je čas meritve relativno kratek: tipično 1s/kanal ozirma ~30 minut/spekter.
|