Nghiên cứu các tham số nhiệt động và các cumulant của một số vật liệu trong phương pháp XAFS phi điều hòa tt tiếng anh

27 18 0
Nghiên cứu các tham số nhiệt động và các cumulant của một số vật liệu trong phương pháp XAFS phi điều hòa  tt tiếng anh

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION  AND TRAINING  VIETNAM ACADEMY  OF SCIENCE AND TECHNOLOGY    GRADUATE UNIVERSITY SCIENCE AND TECHNOLOGY     CU SY THANG      STUDY OF THE THERMODYNAMIC PARAMETERS AND CUMULANTS OF SOME MATERIALS BY ANHARMONIC XAFS METHOD SUMMARY OF MATERIAL SCIENCE DOCTORAL THESIS Ha Noi - 2020 MINISTRY OF EDUCATION  AND TRAINING  VIETNAM ACADEMY  OF SCIENCE AND TECHNOLOGY    GRADUATE UNIVERSITY SCIENCE AND TECHNOLOGY       CU SY THANG        STUDY OF THE THERMODYNAMIC PARAMETERS AND CUMULANTS OF SOME MATERIALS BY ANHARMONIC XAFS METHOD SUMMARY OF MATERIAL SCIENCE DOCTORAL THESIS Major: Electronic material Code: 44 01 23 Supervisor: Prof Dr Sc Nguyen Van Hung Dr Le Quang Huy Ha Noi - 2020 INTRODUCTION The  X-ray  Absorption  Fine  Structure  (XAFS)  spectroscopy  technique  is  a  modern  and  high  precision  method  to  be  used  in  the  structural determination of materials. In general, this method is used  to  fit  the  theoretical  and  experimental  spectra  to  extract  data  or  parameters from the XAFS spectra.  Anharmonic Correlated Einstein Model (ACEM) [9] is one of the  efficiency  theoretical  methods  [7]  used  to  study  thermodynamic  parameters  of  XAFS  spectra.  Anharmonic  effective  interaction  potential  in  ACEM  has  been  built.  In  which  Morse  potential  is  assumed to describe the single-pair atomic interaction. By using this  effective potential, the ACEM has not only overcome the limitations  of using single bond potential [8] but also simplified the many-body  system problem back to the simple one-dimensional system problem  with the contribution of many-body effects through consideration of  the interaction of neighboring atoms.  Many previous studies [10-25] showed that the numerical results  of  the  ACEM  were  good  agreement  with  the  experimental  data  as  well as those obtained values by other methods for several different  structural  materials,   However,  most  of  the  studies  focused  on  the  thermodynamic  parameters,  especially  the  cumulants  of  the  XAFS  spectra  without  concerning  the  anharmonic  contribution  of  the  second  cumulant  as  well  as  the  anharmonic  contribution  to  XAFS  phase  and  amplitude  components.  Debye-Waller  factor  or  the  second-order  cumulant  is  an  important  thermodynamic  parameter  that  characterizes  the  decrease  XAFS  amplitude.  The  relationship  between  the  second-order  cumulant  and  other  thermodynamic  parameters and  XAFS phase and amplitude needs to be continuously  studied,  considered  in  more  detail  and  comprehension.  Therefore,  I  1  choose  the  research  topic:  "Study of thermodynamic parameters and cumulants of some materials by anharmonic XAFS method" Target of thesis  To develop a method that can  simplify the determination of  the  thermodynamic  parameters  and  XAFS  spectra  which  base  on  the  second-order  cumulant  only.  In  particular,  this  method  can  be  applied  for  both  theoretical  calculations  and  experimental  measurements in the XAFS method.  Subject and Scope of the thesis: Subject: - Thermodynamic parameters, XAFS cumulants, XAFS spectra, and  their Fourier transform magnitudes.  -  Materials:  Diamond  crystals    (Si,  Ge),  fcc  crystals  (Cu),  hcp  crystals (Zn).  Scope: -  Models  and  theoretical  methods  of  XAFS:  focus  on  anharmonic  correlated  Einstein  model  using  anharmonic  effective  potential  in  which Morse potential  is assumed to  describe the singe-pair  atomic  interaction.   Study methods Theoretical method: - Using the anharmonic correlated Einstein model - Using the anharmonic effective interaction potential method Experimental method:  Study  on  documents,  the  configuration  of  XAFS  spectroscopy  experimental  station,  the  scanning  process  of  XAFS  spectra  as  well  as  data  processing  methods  at  Synchrotron  Light Research Institute - Thailand.  Numerical calculation Program and XAFS spectra data processing and analysis software - Using Matlab 2014 software, Demeter 9.0.25 software   2  Main contents of the thesis -  Study  and  establish  the  expressions  of  thermodynamic  parameters  and  the  Debye-Waller  factor  of  the  XAFS  spectra  of  materials depending on the temperature.  -  Study  and  establish  a  relationship  between  the  anharmonic  contribution  of  the  second-order  cumulant  and  the  Debye-Waller  factor of XAFS spectra of materials depending on temperature.  -  Study  and  establish  a  relationship  between  the  Debye-Waller  factor  and  anharmonic  contribution  of  the  XAFS  phase  and  amplitude of materials depending on temperature.  -  Analyze  and  evaluate  constructed  theoretical  calculations  as  well  as  evaluating  the  agreement  between  theoretical  results  and  obtained  experimental  values  from  Synchrotron  Light  Research  Institute  -  Thailand  and  other  theoretical  methods  or  measurements  for fcc (Cu) and hcp (Zn) structural materials.    CHAPTER OVERVIEW OF XAFS DEBYE-WALLER FACTOR 1.1 Fundamentals of XAFS  1.1.1 Simple physical description of XAFS X-ray  absorption  fine  structure  is  the  final  state  of  interference  between  photoelectric  waves  emitted  from  absorption  atoms  and  scattering waves by neighboring atoms.  1.1.2 XAFS equation     (k)   S0 N j e j 2 k 2 j 2 R j /  ( k ) e kR j f j (k ) sin  2kR j   j (k)    (1.14)  1.1.3 XAFS Debye-Waller factor 2 - The factor  e2 k   in  (1.14) have formed as  e  w+i  is called XAFS   Debye-Waller factor [29] j 3  1.1.4 XAFS cumulants -    J.J.  Rehr  [28,29,31]  showed  that  XAFS  Debye-Waller  factor  is  generally complex and has a natural cumulant expansion approach in  term of Taylor series from the generalized cumulant expression [33]:   (2ik ) n ( n )                       (1.22)  ik ( r  R ) e  exp[  ] j  n! n1 -  With  x=  rj  R0 and lattice expansion  a(T )  (rj  R0 )   (1) (T )   Set y =x - a and  y  ; cumulants are written:   (1) (T )  (rj  R0 )  y  R j  rj  R0   (1)                        (1.23)   (2) (T )   (T)  (rj  R0 )2  y    (3) (T )  ( rj  R0 )3  y 1.2 XAFS Debye-Waller factor studies methods 1.2.1 Correlated Einstein Model [1] The correlated Einstein model is one of the ways of calculating or  fitting  XAFS  thermodynamic  parameter  values.  In  this  model,    the  vibrational  density  of  states  center  at  single  vibrational  frequency:  j ( )   (  Ej )      1.2.2 Equation of motion method [3,38]             (1.37)      R R  (T )   coth      M    ( )  2     ii  j j  ii  i i  j i     1.2.3 Statistical moment method [39-46]  (1) (T)  x  r  r0  a(T)  a(0)  y0 (T)       R ui  u0   ui2  u02  ui u0               (1.58)                   (1.59)  CHAPTER ANHARMONIC CORRELATED EINSTEIN MODEL IN STUDY OF XAFS THERMODYNAMIC PARAMETERS 2.1 Effective potential in anharmonic correlated Einstein model     The generalized expression of anharmonic effective interaction  potential using in ACEM:                      E (x)   (x)       M i  a ,b j  a ,b 4   i    x R0i Rij                       (2.3)       Basing  on  the  quantum  statistical  perturbation  theory,  we  can  determine  Hamiltonian  of  the  system  and  can  extract  anharmonic  effective interaction potential expressions:       E (a)  keff a  k3 a                          (2.6)   E (y)  (k eff a  3k3 a ) y k3 y3            (2.7)   E (x)   E (a)  keff y  E ( y)             (2.9)  2.2 Morse potential [53]   (rij )  D e 2 (rij  r0 )  2e  (rij  r0 )   Taylor series expansion in approximation up to the third order:                                     ( x)  D(1   x   x3 )                    (2.13)  Table 2.2   Morse  parameters  of  copper  (Cu)  and  zinc  (Zn)  from  theoretical calculation.  Materials D (eV)  (Å-1) r0(Å) c Cu [20,60,61]  Cu [62]  Zn [20,15,17,22,23,59,63]  0.3429  0.3364  0.1700  1.3588  1.5550  1.7054  2.868  2.8669  2.793  2  2  1/   2.2.1 Applying Morse potential to calculate the thermodynamic parameters and effective interaction potential in anharmonic correlated Einstein model for fcc and hcp structural materials Figure 2.3. Face centered  cubic Crystal [47]  Figure 2.4. Hexagonal closepacked Crystal [47]  Derive  the  expression  of  effective  interaction  potential  which  is  used in the anharmonic correlated Einstein model, we can get:  x x x E (x)   (x)  2 ( )  8 ( )  8 ( )           (2.28)  5  4      Derive  the  expressions  of  effective  local  force  constant,  cubic  anharmonic parameter as well as Einstein frequency and temperature  for fcc and hcp crystals:     k     5D      k  5D    a   D k  5D 1   a   5D eff 2  2 eff E     E    E  k  k B B     k3   D    E ( y )  5D (ay  y )  eff  5D     10    3 k3   D    E ( y )  5D (ay  20  y )         (2.31);                             (2.32,2.34)                           (2.33)  2.2.2 Applying Morse potential to calculate thermodynamic parameters and interatomic effective potential in anharmonic correlated Einstein model for diamond structural materials   [47] Figure 2.5 Diamond structural crystal    Derive  the  expression  of  interaction  effective  potential  which  is  used in the anharmonic correlated Einstein model, we can get:  1  3 M  E (x)   (x)  3     x   3     3M  1    x    (x)  3  x   3   x   6     (2.36)  Derive  the  expressions  of  effective  local  force  constant,  cubic  anharmonic parameter as well as Einstein frequency and temperature  for fcc and hcp crystals:   keff D   35     E  k  D    a  D    a  D      eff     12 6      E  D  k   35 D  E  k  k   B B 36  (2.39);   Morse parameters for Si [25,64] :   D=1.83 (eV); =1.56 (Å-1) và r0=2.34 (Å)  Morse parameters for Ge[25,64]:    D=1.63 (eV); =1.50 (Å-1) và r0=2.44 (Å)  6  (2.40)  2.3 Stillinger-Weber potential [52,65]  ( x)  ij  Wijk                                 (2.41)  where the single-pair interaction potential component:  1    rij   p  rij   q   rij     A  B       exp   a   , rij  a    ij              0, rij  a           (2.42)  The three-body interaction potential component:  1  Wijk   exp  (rij  a) 1   (rik  a) 1   cosijk   3    Parameters  for  Si[52,65]:  A=7.049556277;  B=0.6022245584;  p=4;  q=0; a=1.80; =21.0; =1.20; =2.0951Å; =50 kcal/mol.  Parameters  for  Ge[52]:  A=7.049556277;  B=0.6022245584;  p=4;  q=0; a=1.80; =31.0; =1.20; =2.181Å; =1.93 kcal/mol.  2.4 Calculating thermodynamic parameters by anharmonic correlated Einstein model 2.4.1 Calculating cumulants by anharmonic correlated Einstein model      Atomic vibration is quantized in terms of phonons, anharmonicity  is  the  result  of  phonon-phonon  interaction.  So  we  can  express  y  in  term of annihilation and creation operators [68]:  y   (aˆ  aˆ  )  with     0   E  and   aˆ aˆ  n        The above operators have the following properties:    aˆ , aˆ    1, aˆ  n  n  n  , aˆ n  n  n  , aˆ  aˆ n  n n   (2.54)     Then  the  averaging  procedure  can  be  calculated  by  statistical  physics as [69]:  ym  Tr (  y m ), m  1, 2,3, Z                (2.55)       Calculating (2.55) in cases of:  + m is even value:    ym  1 Tr (  y m )  Tr (  y m )  Z Z0 Z0 7  e n  n   E n ym n (2.59) We can be received the second-order cumulant:   y   (2)  Z0 e  n   E n y n                    (2.60)  n + m is odd value:    ym  e  En  e  En ' n  E n ' n ' y m n  Z n ,n ' En  En '       (2.64)      We can receive the first and third-order cumulants.        Finally, we can receive expressions of cumulants for fcc (Cu) and  hcp (Zn) structural materials:  fcc:    a   ( )  z                  hcp:      (1) 1 z (1)  a   ( ) 20 1 z   (2) ( z  1)   ( ) (1  z )   3( )  (1  10 z  z ) (3)   10 (1  z )  1 z   (2) ( z  1)   ( ) (1  z )   (3) ( )4  (1  10 z  z )   (1  z )2    (2.63, 2.73, 2.80)  2.4.2 Derive expressions of cumulants based on the second cumulant only in anharmonic correlated Einstein model     From  the  expression  about  the  relationship  between  temperature  variable  z  and  mean  square  relative  displacement  given  by  Rabus  [8,9]:  z   ( )2 ,  replace  into  (2.63,2.73,2.83)  we  can  receive    ( )2 expressions  of  cumulants  based  on  the  Debye-Waller  factor  or  the  XAFS second cumulant only for fcc and hcp structural materials:   9   (1)   (2)  z 3 (2) 20       (2.82)  (1)  a   ( )   1 z  (2)   2  ( z  1)  (2) 2    ( ) 3 (1  z )   (3)  [3( )  2(( ) ) ]  (3) ( )  (1  10 z  z )  10  2 2  [3( )  2(( ) ) ]   (1  z )2  where   ( )2  E       10 D The relationship among cumulants is determined according to:     (1)                        (2.83)                 (3)   ( )    02  3   8  Figure 2.6.  Temperature  Figure 2.7.  Temperature  dependence  of  the  second-order  dependence  of  the  second-order  cumulant  using  Stillinger-Weber  cumulant  using  Stillinger-Weber  potential  in  the  statistical  moment  potential  in  the  statistical  moment  method for Si.   method for Ge.   Figures  2.6  and  2.7  show  a  good  agreement  of  the  statistical  moment method using in the calculation the XAFS second cumulant  values for Si and Ge diamond semiconductors, respectively. For Si,  the  results  were  compared  with  the  obtained  values  given  by  M.  Benfatto in the article [70] at 80 K, 300 K, and 500 K. For Ge, the  results  have  an  agreement  with  experimental  values  given  by  A.E.  Stern  in  [71]  at  300  K,  G.  Dalba  in  [72]  at  some  temperatures  and  with  theoretical  calculation  results  given  by  J.J.  Rehr  in  the  article  [4]  when  using  the  LDA  method  at  300  K.  Moreover,  the  obtained  results are consistent with experimental results of A.Yoshiasa in [73]  in  some  specific  temperatures,  even  the  results  are  calculated  from  the GGA and hGGA methods given by J.J.Rehr at 300 K [4]. These  results published in the article [19].  Numerical  results  of  the  second-order  cumulant  using  Morse  and  Stillinger-Weber  potential  for  Si  and  Ge  crystals  by  the  anharmonic  correlated  Einstein  model  were  evaluated  and  compared  in  the  article  [18,24,25].    The  anharmonic  correlated  Einstein  model  using  two  potentials  is  consistent  with  experimental  values  as  well  as  those  obtained  from  other  methods.  Therefore,  the  anharmonic  correlated  11  Einstein model can be applied to diamond semiconductors using Morse  and Stillinger-Weber potential.  2.5 Quantum effects in low temperature limit and classical approximation in high temperature The  obtained  thermodynamic  parameter  formulas  from  quantum  theory  can  be  applied  at  all  temperature  values.  At  the  hightemperatures,  the  formulas  include  the  results  of  classical  approximation theory. At the low-temperature limit, quantum effects  express through contributions of zero-point energy.    Thermodynamic Quantity T0 T  (1)  a    (1) (1  z )   3k3k BT / k eff    (2)    (1  z )   k BT / k eff  (3)    (3) (1  12 z )   6k3 (k BT )2 / k eff T   T0 z (ln z ) (1  z )   3k3 / k B r    (1)    (3)  (1) (1  z )2 3(1  z ) 3     (3) (1  12 z ) 2(1  12 z ) 1  T r.T   3z ln     (3) z 1  T r.T     (3)     CHAPTER EXPERIMENTAL MEASUREMENT AND APPLICATION OF ANHARMONIC CORRELATED EINSTEIN MODEL IN STUDY ON XAFS THERMODYNAMIC PARAMETERS FOR HCP AND FCC STRUCTURE MATERIALS 3.1 Synchrotron facility and XAFS spectra experimental station The  preparation  for  experimental  samples  depending  on  temperature:  12  Figure 3.5. Experimental station  Beamline 8. SLRI Figure 3.7. Experimental  XAFS measurement  depending on temperature  3.2 Experimental measurements results of the Debye-Waller factors for hcp structure material Experimental values are shown in figure 3.12 and table 3.1.      Figure 3.12 XAFS spectrum and Fourier transform magnitudes of  Zn at 300 K, 400 K, 500 K, and 600 K  Table 3.1 The  value  of  cumulants  and  thermal  expansion  coefficients  of  Zn:  Theoreratical  calculation  (LT)  and  experimental  value (TN) at temperatures. Symbol: MHĐH – Harmonic model  T(K)  (1)(Å)  (1)(Å)  2(Å)  2(Å)  2(Å)  (3)(Å)  (3)(Å)  T  T  (10-5/K)  (10-5/K)  LT TN LT  MHĐH TN  LT  TN  LT  TN  300  0.0139  0.0143  0.0110  0.0109  0.0113  0.0003  0.0003  1.555  1.582  400  0.0182  0.0189  0.0146  0.0143  0.0149  0.0005  0.0006  1.582  618  500  0.022  0.0232  0.0182  0.0177  0.0185  0.0008  0.0009  1.595  1.599  600  0.0270  0.0279  0.0219  0.0211  0.0223  0.0011  0.0012  1.602  1.630  13  3.3 Determining thermodynamic parameters of XAFS from the experimental values of the Debye-Waller factor or the secondorder cumulant by anharmonic correlated Einstein model for hcp structure materials          Figure 3.14 Temperature dependence of the first cumulant, total and  the harmonic second cumulant and experimental values From  the  illustration  in  figure  3.14b,  anharmonic  correlated  Einstein model, and the harmonic correlated model [82] have certain  deviations for the second-order cumulant  or  Debye-Waller factor in  the high-temperature range. ACEM is more suitable for experimental  values than the harmonic correlated model. Note that the data of the  first-order  cumulant  is  derived  from  the  experimental  value  of  the  second-order cumulant.    Figure 3.15 Temperature dependence of the third cumulant and  thermal expansion coefficient of Zn calculated from cumulant  experimental values.  14    Figure 3.16. Temperature dependence of cumulants ratio, the ratio  between thermal expansion coefficient and cumulants of Zn.     Similar to the first -order cumulant, we are also able to determine  the  third-order  cumulant  and  thermal  expansion  coefficient  of  zinc  (Zn)  at  300  K,  400  K,  500  K,  and  600  K.  Figure  3.15a  and  3.15b  showed the results derived from experimental measurements are very  agreement  with  the  calculations  from  the  theoretical  model.  To  assess  the  validity  of  the  theoretical  model,  we  can  also  check  by  establishing  the  ratio  among  cumulants  according  to  the  expression  (2.83) and ratio among thermal expansion coefficient and cumulants  according  to  the  expression  (2.88).  Figure  3.16  showed  the  above  relationships.  From  figure  3.16,  the  values  are  derived  from  experimental  values  that  make  these  ratios  reach  the  value  of  ½.  These ratios are used as the standard method for assessing cumulant  studies [9,56,81,83], as well as for determining temperature when the  classical  limit  can  be  applied  [9].  The  theoretical  results  and  the  results  of  these  ratios  showed  that  hcp  structure  materials,  specifically Zn, we can use classical correlation Einstein model when  the temperature is higher than Einstein temperature (E = 206 K).   3.4 Experimental results of XAFS Debye-Waller factors for fcc structure material 15  Figure 3.17. XAFS spectrum and Fourier transform magnitudes of Cu at  300 K, 400 K, 500 K   Figure 3.18. The process of fitting the XAFS spectrum of Cu at  temperatures   XAFS spectrum at temperature values after merging are fitted to  the theoretical spectra by using Artemis software. The R, k variables  are in R space [1-3 Å] or k space [3.00-14.023 Å-1] run to the optimal  value between theoretical spectra and experimental spectra.  3.5 Determining thermodynamic parameters of XAFS from experimental values of the Debye-Waller factor or the secondorder cumulant by anharmonic correlated Einstein model for fcc (Cu) structure material   Figure 3.19. Temperature dependence of the first cumulant, total and  harmonic second cumulant and the experimental values.  Anharmonic  correlated  Einstein  model  and  harmonic  correlated  Einstein  model  [81]  have  certain  deviations  for  the  second-order  16  cumulant or Debye-Waller factor in high-temperature range (Figure  3.19). The results showed that anharmonic correlated Einstein model  is well suited to experimental values as well as obtained results of S.  a Beccara, et al. [82] for the first-order cumulant and V. Pirog, et al.  [58]  for  the  second-order  cumulant.  Note  that, the  data  of  the  firstorder  cumulants  are  derived  from  the  experimental  second-order  cumulants values.        Figure 3.20 Temperature dependence of the third-cumulant and  thermal expansion coefficient of Cu calculated from experimental  cumulant values  Similar to the first-order cumulant, we can also identify the thirdorder cumulant and thermal expansion coefficient of copper (Cu) at  300 K, 400 K, 500 K. Figure 3.20 showed the results  derived from  experiment values were very consistent with the obtained data of V.  Pirog,  et  al  [58]  and  T.  Yokoyama,  et  al  [88]  for  the  third-order  cumulant. Figure 3.20b indicated agreement among calculated results  from  the  present  method  and  the  experimental  results  and  obtained  results  from  other  documents  [89]  for  the  thermal  expansion  coefficient.  To  evaluate  the  validity  of  the  theoretical  model,  we  verified  by  establishing  the  ratio  among  cumulants  according  to  expression  (2.83)  and  the  ratio  among  the  thermal  expansion  coefficient and cumulants according to the expression (2.88). Figure  3.21 showed these relationships.  17      Figure 3.21. Temperature dependence of cumulants ratio, ratio  between thermal expansion coefficient and cumulants of Cu The  values  extracted  from  experiments  make  these  ratios  approach the value of ½ (Figure 3.21).  These ratios are used as the  standard method for assessing cumulant studies [9, 81, 90], as well as  for determining temperatures at which classical limits can be applied  [9]. The theoretical results and the results of these ratios showed that  hcp  structure  materials,  specifically  Cu,  we  can  use  classical  correlation  Einstein  model  [9,81]  when  the  temperature  is  higher  than Einstein temperature (E = 218 K).   CHAPTER ANHARMONIC CORRELATED EINSTEIN MODEL IN STUDY OF XAFS PHASE AND AMPLITUDE CONTRIBUTION OF HCP AND FCC STRUCTURE MATERIALS 4.1 Overview of anharmonic XAFS spectra The  anharmonic  XAFS  function  is  represented  by  cumulant  expansion approach [21,60,90,91]:    2R   e  (k) (2ik )n ( n )      (4.1)   (k )  F (k ) Im ei (k) exp  2ikR     kR n!  n    XAFS amplitude expression [9,90-92]:    W(k , T )  2ki (1) (T)  2k 2 (T )  (4.2) 4i (T) k  R  3 4 1    ik  (T)  k  (T)  R   (k)   A ( k , T )   ( k , T )   ( k , T0 )  2k[R   (T)( 18  1  )]  k  (3) (T)   (4.3)  R  Với   (T)   (T)   (T0 )                       (4.4)  4.2 XAFS Debye-Waller factor with contribution anharmonic    In the high-temperature range, the Debye-Waller factor includes 2  components: a harmonic and anharmonic contribution component.    (T)   H2 (T)   A2 (T)                        (4.5)  where   A2 (T)   (T)[ H2 (T)   (T0 )]= (T)[ H2 (T)   02 ]    (4.6)  Replace (4.5) into (4.4) we receive:   (T)   H2 (T)   (T)[ H2 (T)   02 ]   02  (1   (T)[ H2 (T)   02 ]   With  (T)  is  called  the  anharmonic  factor  of  the  XAFS  second  cumulant which depending on temperature and Grüneisen parameter.    (T)  2 G V  ln E G   V  với   ln V   4.2.1 Determination of Grüneisen parameter G From  (2.32,  2.34)  we  can  determine  lnE/T                      (4.9) and lnV/T (4.10). Therefore, we can determine:   ( R   )                   (4.11)   ln E G    2  ln V 4(1    ) 4.2.2 Determination of anharmonic factor  (T)     Determine the change in volume due to thermal expansion V/V  and from (4.12) we can determine:    (T )  9 2 3   (T)[1   (T)(1   (T)]      (4.14) 4R 4R 4.5 XAFS spectra with contribution anharmonic components The Debye-Waller factor includes two components as expression  (4.5).  To  accurately  describe  the  actual  spectra  so  that  the  XAFS  phase  and  amplitude  in  (1.14)  need  to  be  added  to  the  anharmonic  factors.  In  detail,  the  phase  component  is  added  to  the  anharmonic  factor:    2 2 k  A (T )       FA (k , T )  e 19  The amplitude component is added to the anharmonic factor:   A (k , T )  2k[R   (T)( 1  )]  k  (3) (T)    (4.16)  R  Then, the generalized expression of XAFS become to:     (k)  S N j f (k ) F (k , T )e 2 k  e 2 R /  ( k ) sin  2kR   (k)   (k, T)    (1.17)   kR j 2 j j j  A j j A  j 4.6 XAFS anharmonic phase and amplitude components for HCP (Zn) structure material The  anharmonic  XAFS  components  increased  with  increasing  temperature and k-wavenumber values (Figure 4.1).           Figure 4.1. Temperature dependence of anharmonic amplitude and  phase components with the k-wave number of XAFS spectra for hcp  (Zn) structural material.  These  components  (phase and amplitude)  contribute  to  anharmonic  XAFS  spectra  show  in  figure  4.2  in  both  of  the  theoretical calculations by the anharmonic correlated Einstein model  and experimental values.               Figure 4.2 Theoretical and experimental XAFS spectra with hcp  structure material (Zn) at temperatures.   20  Figure 4.3 Comparison  of  Fourier  transform  magnitudes  of  theoretical  spectra  with  experimental  XAFS  results  for  hcp  (Zn)  structural  material at temperatures.    Figure 4.3 showed an agreement between the theoretical results of  the  model  with  obtained  Fourier  transform  magnitudes  from  experimental  measurements.  In  addition,  we  can  see  that  the  magnitude  of  spectra  decreases  with  the  increasing  temperature  gradually. Note that the anharmonic contribution components to the  XAFS  phase  and  amplitude  are  calculated  base  on  second-order  cumulant  only.  Moreover,  by  using  anharmonic  correlated  Einstein  model,  we  can  reconstruct  XAFS spectra  and the  Fourier  transform  magnitudes  from  the  obtained  experimental  second-order  cumulant  values. This study has shown that the obtained experimental results  are consistent with theoretical calculations at a temperature of 300 K,  400 K, 500 K, and 600 K for Zn.   4.7 Anharmonic contribution of XAFS phase and amplitude for FCC (Cu) structural material 4.7.1 Anharmonic contribution to the second-order cumulant and anharmonic factor  (T)     Figure 4.4 Temperature dependence of anharmonic contribution to  the second-order cumulant and anharmonic factor (T) of fcc (Cu)  structural material 21  Figure 4.4a and 4.4b showed an agreement between the calculated  results  from  the  present  method  and  experimental  values  for  anharmonic  contribution  to  the  second-order  cumulant  and  anharmonic factor (T), respectively. These experimental values are  extracted  from  the  experimental  second-order  cumulant  results.  Anharmonic factor (T) is a new factor given by Nguyen Van Hung,  et  al.  in  the  article  [21].  In  addition,  the  above  anharmonic  contribution  is  difficult  to  measure  directly.  So  when  using  anharmonic  correlated  Einstein  model,  we  can  calculate  and  represent  these  anharmonic components that depending temperature  based  on  theoretical  calculations  or  experimental  measurement  values of the second-order cumulant.  4.7.2 Anharmonic contribution to XAFS phase and amplitude       For  anharmonic  contribution  to  XAFS  spectra,  indicated  in  the  figure (4.3). We can describe two components including anharmonic  contribution  to  amplitude FA (k , T ) and  phase  shift   A (k, T)   of  XAFS  spectra in expressions (4.16) and (4.17).            Figure 4.5 Temperature dependence of anharmonic contribution to  amplitude and phase with k - wave number for fcc (Cu) structure material Anharmonic  contribution  to  the  XAFS  spectra  increases  with  increasing  temperature  and  value  of  k-wavenumber  (Figure  4.5).  These  components  contribute  to  anharmonic  of  XAFS  spectra  presented in figure 4.6 regarding on theory of anharmonic correlated  22  Einstein model as well as experimental results. Figure 4.7 illustrates  a good agreement of the theoretically calculated results and obtained  spectra  from  measurements  through  Fourier  transform  magnitudes.  Besides, figure 4.7 also shows that peak heights decreased and their  shifts moved to the left when the temperature increased.                 Figure 4.6 Theoretical and experimental XAFS spectra of fcc (Cu)  structure material at temperatures.  Figure 4.7.  Comparison  of  Fourier  transform  magnitudes  of  the theoretical spectra with  experimental  XAFS  results  for  hcp  (Zn)  structural  material at temperatures.  Here, we note that the anharmonic contribution of XAFS phases  and  amplitudes  are  calculated  base  on  the  second-order  cumulant  only.  Furthermore,  by  using  anharmonic  correlated  Einstein  model,  we  can  reproduce  XAFS  spectra  and  transform  their  Fourier  magnitudes  base  on  the  obtained  experimental  second-order  cumulant  values.  This  study  showed  that  the  obtained  experimental  results are consistent with calculations from the theoretical model at  temperatures of 300 K, 400 K, and 500 K for Cu.    23    CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS   This  thesis  contributed  an  advanced  to  the  progress  of  complement and upgrading of anharmonic correlated Einstein model  a  well-applied  in  both  theory  and  experiment  for  XAFS  spectroscopy. This thesis consisted of the following key findings:  1.  Using  calculated  Morse  potential  parameters  from  theory  to  determine  effective  interacted  potential  in  anharmonic  correlated  Einstein  model.  In  this  study,  Stillinger-Weber  potential  was  used  additionally for diamond structure materials (Si, Ge).  2.  This  thesis  described  a  procedure  known  as  an  advanced  method  that  can  simplify  the  calculations  for  thermodynamic  parameters,  XAFS  spectra,  and  their  Fourier  transform  magnitudes  only through the second-order cumulant. In particular, this advanced  anharmonic correlated Einstein  model can  apply in  both theory and  experiment in the XAFS field.   3.  The  advanced  anharmonic  correlated  Einstein  model  was  applied to derive, calculate and evaluate parameters of XAFS such as  cumulants, thermal  expansion  coefficients  T,  XAFS  spectrum,  and  their  Fourier  transform  magnitudes,  anharmonic  factor  (T),  anharmonic  contribution  to  the  second-order  cumulant,  Grüneisen  parameter,  the  ratio  among  cumulants  as  well  as  ratio  among  coefficient of thermal expansion and cumulants.  4. Measurements of second-order cumulant for fcc (Cu) and hcp  (Zn)  structure  material  were  conducted.  The  obtained  experimental  results were evaluated and compared with theoretical values as well  as results from other methods.  5.  The  calculated  theoretical  results  obtained  by  using  the  advanced method were appropriate to experimental values and those  obtained  from  other  measurements.  The  contents  of  this  study  published through five scientific articles in which three ones belong  to SCI journals.  24    LIST OF WORKS PUBLISHED   1. Nguyen Van Hung, Cu Sy Thang, Nguyen Cong Toan, Ho Khac  Hieu  (2014),  Temperature  dependence  of  Debye-Waller  factors  of semiconductors, J. Vacuum, (101), pp 63-66.  2.  Nguyen  Van  Hung,  Cu Sy Thang,  Nguyen  Ba  Duc,  Dinh  Quoc  Vuong (2017), Advances in theoretical  and experimental XAFS  studies  of  thermodynamic  properties,  anharmonic  effects  and  structural  determination  of  fcc  crystals,  The  European  physical  Journal B, 90:256.  3.  Nguyen  Van  Hung,  Cu Sy Thang,  Nguyen  Ba  Duc,  Dinh  Quoc  Vuong,  Tong  Sy  Tien  (2017),  Temperature  dependence  of  theoretical  and  experimental  Debye-Waller  factor,  thermal  expansion and XAFS of metallic Zinc, Physica B, 521, pp 198203.  Cu Sy Thang,  Nguyen  Van  Hung,  Nguyen  Bao  Trung,  Nguyen  Cong  Toan  (2018).  A  Method  for  theoretical  and  experimental  studies  of  thermodynamic  parameters  and  XAFS  of  HCP  crystals,  application  to  metallic  Zinc.  Proceeding  of  The  5th  Academic  conference  on  natural  science  for  young  scientists,  master  and  Ph.D.  students  from  Asian  Countries(4-7  October  2017, Da lat, Viet Nam). ISBN: 978-604-913-714-3, pp 58-65.  5.  Nguyen  Van  Hung,  Cu Sy Thang,  Nguyen  Bao  Trung,  Nguyen  Cong  Toan  (2018).  Theoretical  and  Experimental  studies  of  Debye-Waller factors and XAFS of FCC crystals. Proceeding of  Advances in  Applied and Engineering Physics-CAEP V. ISBN:  978-604-913-232-2, pp 47-55.    ... especially  the  cumulants  of  the  XAFS? ? spectra  without  concerning  the  anharmonic  contribution  of  the  second  cumulant? ? as  well  as  the  anharmonic  contribution  to  XAFS? ? phase  and ... CHAPTER ANHARMONIC CORRELATED EINSTEIN MODEL IN STUDY OF XAFS PHASE AND AMPLITUDE CONTRIBUTION OF HCP AND FCC STRUCTURE MATERIALS 4.1 Overview of anharmonic XAFS spectra The  anharmonic  XAFS? ?... 400 K, 500 K, and 600 K for Zn.   4.7 Anharmonic contribution of XAFS phase and amplitude for FCC (Cu) structural material 4.7.1 Anharmonic contribution to the second-order cumulant and anharmonic factor  (T)

Ngày đăng: 14/08/2020, 21:16

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan