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Rietveld结构精修原理与应用
第一页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 主要内容 1. 原理 2. 精修步骤与策略 3. 结构精修 第二页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 1.原理 技术方法: (1)单晶衍射技术 得到上千个数据,通过傅里叶转换得到电子云密度图 (直接法,patterson 法) 优点:方法简单,结果可信度高 缺点:但是经常很难得到足够大的单晶(0.1~0.2mm)来测试分析 第三页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 (2)粉末衍射技术: 三维空间数据被压缩成一维,数据太少,无法得到电子云密度图,因此很难解出结构。 缺点:方法很复杂 第四页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 1966年,荷兰科学家Hugo M Rietveld 采用拟合整个衍射图谱(峰位、强度、线形等)来精修晶体结构,最初用于中子粉末衍射。 某衍射峰(hkl)的衍射净强度: Yhkl=Ghkl*Ihkl Ghkl为峰形函数:Gauss, Lorentz,Viogt,Pearson-Ⅶ , Pseudo-Voigt; Ihkl为某hkl衍射峰的积分强度 第五页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 而 Ihkl=SMhklLhkl | Fhkl |2 S:标度因子,Mhkl:衍射线hkl的多重因子,Lhkl洛伦兹因子,Fhkl 结构因子 Fhkl 计算公式: Xj , Yj , Zj是原子j的原子坐标;hkl是产生衍射的晶面指数;fj是j原子的散射因子。 第六页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 衍射图上任何一处(2?)的计算强度: Y(2?)c为计算强度值,Y(2?)b为背景强度, Ghkl*Ihkl为衍射峰强度。 第七页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 w2?为权重因子,Y(2?)O 为观测的强度, Y(2?)c计算的强度 不断的调整峰形参数和晶体结构参数,并采用最小二乘法使计算谱拟合实测谱。 当差值(M)达到最小值,即精修结构完成。 Rietveld 方法就是利用电子计算机程序逐点比较衍射强度的计算值和实测值,用最小二乘法调节结构原子参数和峰形参数,使计算峰形和实测峰型符合。在最小二乘方法精修过程中,要达到最小化的量值称为残差 M: 第八页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 判别拟合好坏的R因子 Rp 全谱因子 Rwp加权的全谱因子 Rexp期望因子 χ2拟合度因子 wi为统计权重因子;yio为点 i 处的实测(毛)强度值;yic 是点 i 处的计算强度值;N 为衍射图谱数据点的数目;P 为拟合中的可变参数的数目。 第九页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 2.精修步骤与策略 (1)高质量衍射数据的获取 中子衍射 中子与原子核相互作用,适合于确定点阵中轻元素的位置和值邻近元素的位置。 同步辐射 波长连续可调,高强度,光性单一 X射线衍射 扫描范围尽可能的宽,以获取高角度部分的数据; 步进扫描,步长一般为半高宽的1/5~1/8(0.02或者0.01) 停留时间1秒以上; 最高峰强度应至少在背景的50倍以上。 第十页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 (2)CIF数据 American Mineralogist Crystal structure Database ICSD数据库 Crystallograpgy Open Database Findit (3)精修软件 GSAS,Topas ,fullprof ,Jana2006 ,MDI Jade, Maud ,DBWS 第十一页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 (4)精修策略(GSAS为例) 第一类:峰形(profile) 取决于样品和仪器。 包括:峰形函数、峰形参数、 背景函数、标度因子、 零点校正、晶胞参数 第二类:强度(intensity) 取决于晶体结构 包括:原子类型、坐标、占位、热振动 第十二页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 峰形函数: 样品原因(颗粒大小、应力、缺陷) 仪器原因(辐射源、衍射仪、狭缝大小) X射线衍射: Pesudo-Voigt (Lorentz与Gaussian函数的线性组合) Pearson-Ⅷ 中子衍射: Gaussian 第十三页,编辑于星期二:十七点 四十七分。 ?峰形参数: 峰宽: Gu、Gv、Gw由仪器造成 Lx:样品晶粒宽化引起 Ly:应力引起 Gp:样品晶
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