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同步輻射全散射PDF（第二期）從實(shí)驗(yàn)到PDF數(shù)據(jù)處理丨附實(shí)操演示

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2022-05-15 21:50:02 瀏覽：13224次

實(shí)驗(yàn)到PDF

PDF與全散射

我們利用實(shí)驗(yàn)室XRD可以得到衍射圖譜，進(jìn)而得到晶體材料的結(jié)構(gòu)信息。但是對(duì)于非晶等材料，常規(guī)XRD分析僅能獲得寬化的衍射峰或背景包，無法得到有意義的結(jié)構(gòu)信息，如圖1中右所示。

圖1 晶體（左），與非晶合金（右）XRD圖譜

根據(jù)上章節(jié)所說的原子對(duì)分布函數(shù)(PDF, Pair distribution function)，描述了在所研究材料中發(fā)現(xiàn)距離為r的一對(duì)原子的概率。此方法以高能硬X射線測(cè)量樣品廣角全散射數(shù)據(jù)，因此也稱為Total scattering全散射分析，同時(shí)對(duì)布拉格衍射峰和漫散射進(jìn)行歸一化和傅里葉變換等處理，不僅提供長(zhǎng)程（>10 nm）原子有序性信息，還提供材料中短程結(jié)構(gòu)信息，如短程有序/無序排布、鍵長(zhǎng)、局部缺陷等。

通過對(duì)不同狀態(tài)的同類樣品的 PDF 數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化分析，還可以進(jìn)一步研究過程中材料精細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，獲得材料物理性能或化學(xué)性能的變化與材料結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，深入研究變化/反應(yīng)過程機(jī)理。PDF極大拓展了X射線結(jié)構(gòu)表征的分析范圍，樣品不再局限于晶態(tài)材料，非晶、液體等均可測(cè)量。

如何獲得的PDF

獲得PDF數(shù)據(jù)有三個(gè)步驟，如下圖2所示：

1. 對(duì)樣品的全散射數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，包括背景（對(duì)空白樣品容器進(jìn)行同樣條件的單獨(dú)測(cè)量獲得）、康普頓散射、探測(cè)器死區(qū)時(shí)間、吸收、衍射幾何和偏振；

2. 對(duì)校正后的X射線散射數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，計(jì)算簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)函數(shù)S(Q)；

3. 對(duì)結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，得到原子對(duì)分布函數(shù)g(r)。

圖2 PDF計(jì)算過程

注意事項(xiàng)：

A 在結(jié)構(gòu)函數(shù)S(Q)中，低Q部分的數(shù)據(jù)主要為布拉格散射的尖銳強(qiáng)峰，它們對(duì)應(yīng)于材料中原子的長(zhǎng)程排序；在高Q值部分，布拉格散射峰基本消失，強(qiáng)度極低的漫散射寬峰才可以識(shí)別出來^[4]。因此，數(shù)據(jù)的Q值范圍足夠大，才能獲得盡可能多的漫散射信號(hào)。

B 由于Q=4πsinθ/λ，為獲得盡可能大的Q值（Qmax）的原始數(shù)據(jù)，PDF實(shí)驗(yàn)要求使用盡可能短波長(zhǎng)的X射線，并且測(cè)量角度范圍(2θ)應(yīng)盡可能大。這樣在最終計(jì)算出PDF函數(shù)時(shí)，實(shí)空間的分辨率也會(huì)更好。此外，由于漫散射信號(hào)強(qiáng)度比布拉格散射峰信號(hào)強(qiáng)度低5-6個(gè)數(shù)量級(jí)，在測(cè)試時(shí)一般需要對(duì)全譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分段測(cè)量，在高角度（高Q部分）使用足夠長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間來獲得足夠強(qiáng)度和信噪比的清晰、平滑的高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)。

總結(jié)：實(shí)驗(yàn)需要短波長(zhǎng)和高強(qiáng)度的光源，且在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要保證光源波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于或稍微長(zhǎng)于測(cè)試元素的吸收限。在實(shí)際工作中，同步輻射光源和加速器線站天然具有高強(qiáng)度多波長(zhǎng)的射線源，因此經(jīng)常在粉末衍射線站搭建PDF光路，使用單色器選取短波長(zhǎng)高能射線進(jìn)行PDF實(shí)驗(yàn)，歐洲光源（ESRF）等還有專用的高能PDF 線站（ID11）用于實(shí)現(xiàn)更高Qmax和測(cè)量效率的PDF數(shù)據(jù)。

對(duì)于整個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)的歸一化處理數(shù)據(jù)可以參考黃勝濤老師的《非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)和分析》^[5]。目前多采用的軟件為PDFgetX2，或者PDFgetX3^[6]。

實(shí)例操作過程演示

同步輻射X射線衍射（XRD）實(shí)驗(yàn)在澳洲的ANSTO光束線上進(jìn)行。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制選取了17KeV能量的X射線，以保證不會(huì)出現(xiàn)重金屬的強(qiáng)烈吸收導(dǎo)致的熒光，從而進(jìn)一步對(duì)背底進(jìn)行干擾。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)裝材料的毛細(xì)管進(jìn)行測(cè)試，獲得背景數(shù)據(jù)。利用jade軟件去除毛刺。然后，扣除背底、樣品吸收，極化以及集合系數(shù)校正，并對(duì)非相干散射（Compton散射）和多重散射進(jìn)行消除，得到最后的相干散射強(qiáng)度I^coh（Q）。

圖3 背景擬合曲線

第一步，如圖3，對(duì)背景進(jìn)行擬合，由于同步輻射伴隨加壓過程，所以在前端低角度區(qū)域的強(qiáng)度比較高。

第二步，將去除毛刺的數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)帶入PDFgetx3 PDFgetX3, PDFgetN3 and PDFgetS3 — DiffPy documentation（網(wǎng)址https://www.diffpy.org/products/pdfgetx.html#pdfgetx3-and-pdfgetn3）中進(jìn)行歸一化處理，這里PDFgetX3相對(duì)于上一代程序更為方便的有了python的交互操作，操作更加的簡(jiǎn)潔。PDFgetX2需要虛擬機(jī)器才能運(yùn)行，但是有獨(dú)立的界面。

利用PDFgetX3的處理方法有多種，詳情可以參考PDFgetX3的manul，這里展示的是一種簡(jiǎn)單具體的方法。

安裝好軟件后，打開shell，輸入：

pdfgetx3 –-createconfig=“filename.cfg” 創(chuàng)建一個(gè)全新的輸入文件

打開文件后對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行修改調(diào)整：

Dataformat= "twotheta", "QA", "Qnm"

輸入的強(qiáng)度數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)單位

inputfile = xrayfile01.chi

輸入文件的名稱

backgroundfile =“filename”

背景文件名（若沒有可以去掉這一項(xiàng)）

bgscale = 1

背景強(qiáng)度的調(diào)整，默認(rèn)為1

output = 輸出的文件名字

outputtype = fq, gr,iq,sq

輸出的數(shù)據(jù)的類型

force = yes

建議把強(qiáng)制打開，可以強(qiáng)行執(zhí)行，覆蓋前面的數(shù)據(jù)

mode = xray

選擇實(shí)驗(yàn)的類型，中子散射或者X射線散射

wavelength = 0.7288

實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)，單位是埃，需要在輸入文件的橫坐標(biāo)為角度時(shí)使用

composition = Cu 56 Zr44

材料成分

rpoly = 0.63

F(Q)校正多項(xiàng)式中最大頻率的r限值（這個(gè)后續(xù)還可以調(diào)整）

qmin = 0.8 qmax = 20

傅里葉變化的范圍單位埃

qmaxinst = 20

輸入文件的有效值范圍單位埃

rmin = 0.8

rmax = 30.0

rstep = 0.05

計(jì)算出的PDF r-grid的界限和間距

plot = fq, gr,iq,sq

計(jì)算完成后的繪圖

interact = yes

使用Ipython交互

所有的數(shù)據(jù)都修改完整后運(yùn)行此文件

pdfgetx3 -c cu56.cfg

出現(xiàn)如下圖所示的處理結(jié)果，并繪圖得到了pdf數(shù)據(jù)

在得到數(shù)據(jù)后，如果對(duì)數(shù)據(jù)不滿意可以在Ipython交互界面輸入tuneconfig（），然后進(jìn)行下一步的修改微調(diào)，最后得到對(duì)分布函數(shù)。值得一說的是，若數(shù)據(jù)來自于中子衍射，可以在.cfg文件中改變-mode這個(gè)選項(xiàng)或者將運(yùn)行命令改變成 pdfgetn3 ……

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