XAFS分析ATHENA软件介绍.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,XAFS分析ATHENA软件介绍,基本内容,ATHENA,简介,EXAFS,数据处理,在,ATHENA,的作图,EXAFS,数据预处理,简单应用,软件演示,催化剂,太阳能,电池,光电,自旋电,子学,荧光粉,技术,生物成像,信息存储,尺寸依赖性,形貌依赖性,电学,光学,磁学,激光,XAFS,技术特点,元素分辨性,微观结构敏感性,样品无特殊要求,激光,微观结构,吸收谱的区域划分,边前区（,Pre-edge,）：,-200,至,-20,，本底吸收,近边区（,XANES,）：,-20,至,30,，,X,射线吸收近边结构,远边区（,EXAFS,）：,-20,至,30,，扩展,X,射线吸收精细结构,数据处理的目的,ATHENA,简介,雅典娜,帕米贾尼诺油画,cars9.uchicago.edu/ifeffit/Downloads,ATHENA,简介,雅典娜是,IFEFFIT,软件中的一个独立程序包,雅典娜是一个处理,EXAFS,数据的专用工具,具有互动、即时图形显示特点,雅典娜可以直接处理在一些常用的光束线上采集的实验数据,雅典娜可以处理单组数据也可以同时处理多组数据,精确控制数据处理、绘图,ATHENA,简介,只能安装在英文路径之下，输入和存储的文件只能是英文,将原始数据转换成,(E),曲线,同时处理单个和多组数据,校准能量,平滑,(E),数据,自动背底扣除（,AUTOBK,）,线形拟合,XANES,和,EXAFS,数据,对,XANES,的边前峰进行初步分峰拟合,具有工程文件,-,ATHENA,简介,基本功能,athena,主窗口,ATHENA,简介,ATHENA,简介,图,1:,图形显示窗口,数据处理过程中,不能关闭此窗口,输入 了数据的,athena,主窗口,ATHENA,简介,XAFS,数据处理,求,-E,曲线,边前扣除和归一化,背底扣除,Ek,转换,求,(k),及加权和加窗,快速,Fourier,变换,Fourier,滤波,-E,曲线,透射,荧光,数据输入,图,3,在,Athena,中读入实验数据,数据输入:透射模式,第二列 为能量,第三列 为前电离室信号,I,0,第四列 为后电离室信号,I,1,mu=In(I,0,/I,1,),数据输入,:,荧光模式,（荧光电离室）,第二列 为能量,第三列 为前电离室信号,I,0,第四列 为荧光信号,I,f,mu=In(I,f,/I,0,),数据输入,:,荧光模式,（固体探测器）,合肥,XAFS,站七元锗固体探测器的数据,第二列 为能量,第三列 为前电离室信号,I,0,第四,五，六，七，八，九，十列 为荧光信号,I,f,不可用,将每一个元的数据作为单独的输入,数据输入,:,荧光模式,（固体探测器）,多次扫描数据,分两步进行：,校准能量,合并数据,数据输入：,多次扫描,校准能量,数据输入：,多次扫描,合并数据,数据输入：,多次扫描,边前扣除和归一化,扣除本底的方法很多，例如迭代低次多项式、正交多项式、傅立叶变换过滤法、外推法等等。,一般使用外推法，应用维克多林公式（,(),=C,3,-D,4,）拟合吸收边前的吸收曲线，将它延长到吸收边以后，作为本底部分扣除。,当然也可以使用多项式法分别拟合边前边后两部分数据，作为本底扣除。,归一化,归一化的原因：,由于设备、数据采集模式、入射光强度、样品厚度等等的不同，一系列的原始数据的吸收谱记录下来的吸收强度会有所不同，不具有可比性。为了对这些数据进行比较，需要将它们归一化，统一成可比数据。,归一化的目的：,是研究一组数据的区别和联系，单独对某一数据的归一化并无实际意义。,归一化的方案：,不唯一，例如可以在边后选取两点，其连线与吸收边的交点定为,1,，或者取边后两点，计算这一段数据围成的面积（以该段数据最低点作,x,轴平行线为该图形的底），然后找到将这个图形面积一分为二的横线，定其纵坐标为,1,。,归一化,对于一般的测量数据来说，通过程序中缺省的参数都可以进行很好的归一化和本底扣除,对于信噪比较差、白线峰较高以及出现了邻近的另一个吸收边的数据，需要我们改变程序中相应的参数来进行合理的归一化和本底扣除,归一化,在,ATHENA,中：,归一化,在,athena,中归一化的参数,(,左,),具有边前和边后延长线的,Cu foil,吸收曲线,(E),(,右,),归一化的,Cu foil,的吸收曲线,(E),归一化,边后归一化范围选择不当带来的影响：,归一化,(,左,),归一化范围选择不当的,BaTiO,3,谱,(,右,),相应的归一化,BaTiO,3,谱,Ti K edge,Ba L,3,edge,BaTiO,3,(,左,),在水合铀的吸收谱中选择了不同的归一化范围,(,右,),归一化后吸收谱之间的比较,归一化,U L,3,edge,42 eV,75 eV,影响对,U,化学价的判断,硫醇,树枝状大分子,弱相互作用 得到电子,强相互作用 失去电子,归一化,Au,Au,含有铀和钇的沉淀物,归一化,Y K edge,U L,3,edge,边前范围的不当选取,扭曲台阶高度和,XAFS,信号,背底扣除,背底扣除,背底扣除,背底扣除,输入了,fe.300,数据的,athena,界面,Rbkg,参数的影响,背底扣除,(,左,)fe.300,的吸收谱和背底函数,(,右,)fe.300,的,(k),曲线,.,(,下,),fe.300,的,(R),曲线,背底扣除,利用不同,Rbkg,（,0.2,和,1,）获得的,(R),和,(k),的比较,红色,Rbkg=0.2,蓝色,Rbkg=1,Rbkg=0.2,背底扣除,红色,Rbkg=2.5,蓝色,Rbkg=1,利用不同,Rbkg,（,1,和,2.5,）获得的,(R),的比较,Rbkg,通常选择为第一近邻配位壳层的一半为好！,Rbkg=2.5,叠加了一个低频信号,K-weight,对背底扣除的影响,对信噪比较好的数据：,K=2,，,3,较好,对信噪比较差的数据：,K=1,较好,在背底扣除中,k-weight,参数,在噪音较大的数据中，当,k-weight,为,3,时获得的背底函数,背底扣除,背底扣除,在背底扣除中,K,的不同取值范围对,Au foil,的,(k),曲线的影响,显示了额外背底参数的,athena,主窗口,背底扣除,E,至,k,空间转换,E,至,k,空间转换,得到,(k),之后，还要对其进行加权变换。公式中的散射振幅,F,j,（,k,）在高,k,部分基本上反比于,k,2,，由此可以看出，,EXAFS,信号的振幅随着,k,的增加衰减的很快，这对高,k,部分的数据处理非常不利。,高,k,部分的振荡包含了极多的结构信息，为了补偿这一损失，常用,k,n,去乘,(k),，,k,n,是一个权重因子，随着,k,的增加，权重因子以指数形式增长。,E,至,k,空间转换,n,取,1,，,2,，或,3,，它不仅与吸收原子、散射原子种类有关，而且与具体体系有关，与原始数据信噪比有关，要依据,k,n,(k),k,曲线的情形来判断。,通常可以依据吸收原子的原子序数来定。,1979,年，,Lee,等人提出一个建议：在原子序数,Z36,，,36Z57,三种情况下，,n,分别取,3,，,2,，,1,。,公式中本身就还有,1/k,因子，由有,F,j,（,k,）对,k,的影响，乘上,k,3,后就基本消灭了这两个使振幅随,k,增大而变小的因素，使,EXAFS,信号的振荡比较均匀。此外，,EXAFS,受化学效果的影响主要表现在低,k,部分，加权可以很大程度上抹去这种影响的效果,E,至,k,空间转换,快速,Fourier,变换,Fourier,变换的参数选择,可以看出，,(,k,),是由不同,R,j,处各配位层对散射波的共同调制叠加形成的，从公式可以看出，,(,k,),是对各壳层,j,(,k,),的求和。它不仅是,k,的函数，也是,R,j,的函数，不同,R,j,处的配位层对,EXAFS,振荡的贡献不同。可以想象，将各,Rj,配位层对,EXAFS,的贡献求出，即从公式中分解出各个壳层单独的信息,（,R,j,）（即确定,R,j,对,k,积分），作,（,R,）,R,图，则各配位壳层对应的,R,j,位置上必然有所表示，而其它,R,处只有本底。这种,（,R,）,R,图表征的函数称为径向结构函数,.,快速,Fourier,变换,以,Cu,的,(k),和,(R),函数来阐明之间的对应关系,快速,Fourier,变换,傅立叶变换法具有频谱分析的功能，可以很好地将,(,k,),从频域变换到空间域，单独研究各壳层。按照傅立叶变换的定义，这个操作应当在,-,到的范围内进行，但实验数据不可能达到这个要求，低,k,部分的截取除去了,XANES,部分，使得所有慢变成分全都消失，高,k,部分的有限长度限制了变换结果的分辨率。如果将,(,k,),两端强行设置为,0,，会给傅立叶变换带来边瓣，因此要在变换中加入一个窗函数,（,k,），使其两端缓慢变为,0,，减少干扰。加窗这一操作在许多科学计算中都有使用，因为窗函数可以去除部分噪音，选取需要的分立数据，等等优点。在,EXAFS,的傅立叶与反傅立叶变换中都需要用到。,快速,Fourier,变换,快速,Fourier,变换,Kmin,取离,y=0,最近的一个点，但值最好大于,3,Kmax,取离,y=0,最近的一个点，且其值要使振荡为一完整周期，周期越多越好，但要避免噪音较大的情况,在,Fourier,变换中加窗的,(k),不同窗函数之间的比较,汉宁,(hanning),凯泽,-,贝塞尔窗,(Kaiser-bessel),韦尔奇,(welch),正弦,(Sine),汉宁,(hanning),汉宁,(hanning),dk=1,dk=3,快速,Fourier,变换,图,20:,Fourier,变换后的,Cu foil,的,(R),快速,Fourier,变换,显示了实部、虚部以及包络线的,(R),考虑相位校正,快速,Fourier,变换,在,Fourier,变换中，选择不同窗口的比较,正弦,汉宁,快速,Fourier,变换,.,Fourier,变换的解释,Fourier,变换复数形式为,Fourier,变换的模 很像“径向分布函数”。,但它完全不是、也不能把它俗称为“径向分布函数”。,Fourier,变换的模是非线性的。,Fourier,变换的模中，两峰之间低到零时，不一定两峰会分得很开，很可能是有干涉存在。,Fourier,变换函数的峰位与配位距离有关,;,峰高与配位数、无序参量,2,、,k,权重、,k,空间窗口选取等有关。,对于中等和大无序系统,无序会导致峰位位移,。,不同温度下,Sb,样品的,Sb,的,(k),和,(R),快速,Fourier,变换,快速,Fourier,变换,图,22:,具有不同,k,范围的,Fe foil,的,(R),Fourier,滤波,Fourier,滤波的参数选择,Fourier,滤波,Cu foil,的,x(R),的,Fourier,滤波,如何选择变换范围？,数据的输出,在,athena,中的数据输出,在能量空间中作图的面板,在,ATHENA,中作图,在,ATHENA,中作图,K,空间,R,空间,q,空间,在,R,空间利用,stack,面板平移,Au,氯化物的,x(R),.,在,ATHENA,中作图,利用,Ind,面板在,k,空间标示出需要对比的特殊点,在,ATHENA,中作图,利用,PF,面板读出某一特定点的坐标,在,ATHENA,中作图,EXAFS,数据预处理,数据预处理的对话框,校准能量,校准能量的对话框,.,校准能量,选择了校准能量点的,Au foil,吸收谱的一阶微分谱,.,平滑曲线,平滑曲线的对话框,.,需要平滑的吸收曲线,.,平滑曲线,选择了一个去除点的吸收谱,平滑曲线,扣除了一个噪音点的吸收谱,同时扣除多个噪音点的吸收谱,平滑曲线,截断数据,截断数据对话框,.,截断了部分数据的,SnO,吸收谱,.,截断数据,简单应用,对,XAFS,数据进行分析的对话框,线性拟合,对,XAFS,进行线性拟合的对话框,.,线性拟合,进行了线性拟合的吸收谱,1 Mn doped ZnO,2,共掺杂,Cr,原子调控,Co,原子的分布,Low Co concentrations x,0.05,Co,replace Zn,High Co concentrations,x,0.10,Co,sub,+,Co,3,O,4,Co,K,edge EXAFS spectra,3,溶胶凝胶法制备的,Zn,1x,Co,x,O,结构研究,4,衬底对,Ge,纳米晶生成的影响,学习,athena,的最好方法就是使用它,谢 谢 ！,