EXAFS数据拟合程序ARTEMIS

1.1 Artemis的基本使用流程 (以Cu foil单壳层拟合为例)
运行Atoms 输入χ(k) feff.inp 运行FEFF feff paths 构建模型，设置 path参数
拟合结果不满意
关键
开始拟合
结果满意
输出结果
输入χ(k)函数：File →Open file，打开已 经得到的χ(k)函数。
*CRITERIA curved plane *DEBYE temp debye-temp NLEG 4 POTENTIALS * ipot Z element 0 29 Cu 1 29 Cu ATOMS * this list contains 135 atoms y z distance * x ipot tag 0.00000 0.00000 0.00000 0 Cu 0.00000 1.80500 1.80500 0.00000 1 Cu_1 2.55266 -1.80500 1.80500 0.00000 1 Cu_1 2.55266 .. ……… ………..
% fit R-range and FFT parameters: rmin = 1.0 rmax = 3.0 kmin = 3.0 kmax = 20.0 dk = 0.5 dr = 0.2 kweight = 2 拟合范围和FFT参数 kspout = f nodegen = t %-------------------------------------------------------------------guess e1 = 0.0 guess delr1 = 0.0 guess ss1 = 0.0 guess s02 = 0.85 待拟合参数 set N = 12 %---------------------------------------------------------------------% Path parameter lists: Path 1 feff0001.dat s02 1 s02*abs(N) e0 1 e1 拟合路径参数 sigma2 1 abs(ss1) delr 1 delr1
与简单feff计算得到的结果几乎一样！
2种情况下的散射振幅和相移比较
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 5
Co-O4 wurtzite
-8 -10 phase shift -12 -14 -16
Co-O4 wurtzite
amplitude feff
10 15 k (Å-1)
EXAFS数据拟合程序 Artemis
孙治湖
中国科技大学国家同步辐射实验室，合肥 230029
2011年3月27日，上海
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. Artemis的基本使用流程； 简单的多壳层拟合； 复杂的多壳层拟合(多重散射)； Artemis的高级拟合技巧⎯多数据拟合； 拟合结果合理性的鉴别
10 8 |FT(k2χ(k))| 6 4 2 0 0
Cu foil @ 10 K
1
2
3 R (Å)
4
5
6
对应的feffit.inp：
title = Cu foil @ 10K data = cu010k.chi out = cu010k_.dat
输入输出文件
% input data file name % output file name
表示拟合质量的因子： R因子和χν2因子
拟合所得参数
待拟合参数间的关联度
Artemis.log 曲线吻合好，不代表拟合就一定可靠，必须同时得到的参数是合理的！
最后输出拟合数据，用于利用其他作图软件作图等等： File → Save fit as … 好像对中文目录 的支持不好，有 时候保存不了！
Data Fit
20
5
10 15 k (Å-1)
20
2. 简单的多壳层拟合
实际拟合中，单壳层拟合的情况是极少的，往往需要考虑多条单散射 路径，甚至多重散射路径。 Co掺杂的ZnO薄膜，Co的K-edge EXAFS谱，荧光法
待拟合范围
Phys. Rev. B 77, 242508 (2008)
选择拟合中用到的路径
傅里叶变换参数
k空间的数据
拟合控制参数 作图参数
R空间的数据
利用FEFF计算振幅和相移函数： Theory → New atoms page，打开 已有的atoms.inp文件或者重新写一个。
参数设好以后，点 击Run Atoms，得到 feff.inp。
有时候需要对feff.inp文件做改动，可以先保存feff.inp：Theory → Atoms → Write special output →feff7，然后Save。
feff.inp
HOLE 1 1.0 * mphase,mpath,mfeff,mchi CONTROL 1 1 1 1 PRINT 1 0 0 3 RMAX 6.0
Co替代ZnO中的Zn，第一近邻O， 第二近邻Zn
Co
O
*CRITERIA curved plane *DEBYE temp debye-temp 8 *NLEG POTENTIALS * ipot Z element 0 27 Co 1 31 Zn 2 8 O ATOMS y z * x 0.00000 0.00000 1.87629 0.00003 -0.93817 -1.62490 -0.93817 1.62496 0.00000 0.00000 1.87629 0.00003 -0.93817 -1.62490 * this list contains 77 atoms distance ipot tag 0.00000 0 Co 0.00000 -0.61178 2 O_1 1.97351 -0.61178 2 O_1 1.97351 -0.61178 2 O_2 1.97356 1.99153 2 O_3 1.99153 2.60331 1 Zn_1 3.20900 2.60331 1 Zn_1 3.20900
Zn
导入这个feff.inp： Theory → New Feff input template，运行FEFF，得 到feff路径。
同样设置参数进行拟合
e1 = R 1 = ss1 = N_O =
2.6451700 1.985237 0.0052420 4.1013700
+/+/+/+/-
2.5185790 0.0134250 0.0017200 0.7459820
待拟合参数
Feff0001
Feff0003
Path 2和path 1很相近 Path 5和path 3很相近
各只需考虑一条，配位数相加
双壳层拟合结果
未能完全匹配，需要 考虑更远的原子配位
Independent points Number of variables Chi-square Reduced Chi-square R-factor = = = = = 13.842773438 8.000000000 76.672626122 13.122642345 0.037565906
原子对分布函数
E→ k的转换：
k = 2me (E − E0 ) / ℏ2
壳层(shell) VS. 路径(path)
依体系无序度大小的不同，g(R)函数有不同的形式 σ2 = σS2 (结构无序)+σT2 (热无序) 1. 小无序体系: g(R)为高斯分布函数
χ(k ) = ∑
j
Artemis 内嵌
3. 大无序体系
χ (k ) = ∑
j
N j f j ( k ) S02 ( k ) exp[ −2k 2σ t 2 ] kR02 j
1 + (2kσ S ) 2
e
−2 R0 j / λ j ( k )
× sin[2kR0 j + δ j (k ) + actan(2kσ S )]
在利用Artemis拟合时，EXAFS基本公式中的散射振幅 f(k)，相移φ(k) 和电子平均自由程 λ(k)都是经由FEFF计算产生。
参数设好以后，点击 Run Feff。 一般只需要保留前 10条路径便可。
根据Reff和amp， 选择待用路径
EXAFS基本公式(单散射)
牢记EXAFS基本公式！
χ(k ) = ∑
j
N j S02 f j (k ) kR
2 j
∫ g ( R) e
−2 R j / λ j ( k )
sin[2kR j + φ j (k )]dR
1.2 利用简单的feff计算进行拟合
利用散射振幅和相移函数的可转移性，简化 feff计算 Co掺杂的ZnO薄膜，Co的K-edge EXAFS谱，荧光法
待拟合范围
k空间数据
R空间数据
拟合1：简化的最近邻feff计算
点击Theory → quick fist shell theory ， 设置好最近邻配位，点击 Do it！
由Co-O四配位得到的feff
Hale Waihona Puke Baidu
设置拟合参数，进行拟合
e1 R1 ss1 N_O
= = = =
2.5626170 1.9847620 0.0051510 4.0541820
+/+/+/+/-
2.5177260 0.0134370 0.0017210 0.7373740
拟合2：正常的feff计算
TITLE Co:ZnO wurtsite
程序的基本操作；具体实例， 心得体会、技巧
Artemis程序 (by B. Ravel)概况
Artemis: the goddess of the hunt, an apt metaphor doing EXAFS analysis.
基于 FEFF 计算的理论散射振幅和相移，对 EXAFS 数据 进行拟合 Artemis 本身不能进行 EXAFS 的原始数据处理 ( 如背景扣 除等) 基本功能相当于原来 UWXAFS 软件包的 FEFFIT 程序 (by M. Newville) ，加入了图像用户界面(GUI) 现在的版本也包括 Atoms 和 FEFF6( 但不包括 FEFF8 以后 的版本) 输入文件为EXAFS振荡函数χ(k)，不能加权
feff.inp
利用记事本notepad对保存的feff.inp 进行修改后，再导入 ：Theory → New Feff input template。
TITLE Cu HOLE 1 1.0 * Cu K edge (8979.0 eV), second number is S0^2 * mphase,mpath,mfeff,mchi CONTROL 1 1 1 1 PRINT 1 0 0 3 RMAX 7.0
点击Fit，开始拟合
路径中待拟合参数具体设置 (注 意abs符号！)，选择何条路径则 依赖于峰的位置与Reff的匹配。 Guess，Def， Set的区别
曲线吻合情况
q空间结果
R空间拟合结果
拟合范围： ∆k ~ 3− 20 ⊕-1, ∆R ~ 1.0− 3.0 ⊕
k空间结果
Cu foil的低温数据(10 K)的单壳层参数拟合结果
影响拟合结果，但不直接出现在公式中
拟合时，待拟合参 数个数要少于独立 变量数！
N idp =
2 ∆R ∆k π
Cu foil的低温数据(10 K)的单壳层拟合：
待拟合参数：amp(即S02)， e1(即∆E0)， delr1(即R-Reff)， ss1(即σ2)； 固定参数：N (因拟合只能得到NS02的乘积！)
χ(k) = ∑
j
2 N j S0 (k)Fj (k)
kR2 j
2 4 −2R / λ exp[−2k 2σ j 2 + C4 j k 4 ] e j j sin(2kRj +φj (k) − C3 j k3 ) 3 3
在拟合中确定的参数：
与峰强 度有关 与峰位 置有关
N —— 配位数 ； σ2 —— 无序度因子(Debye-Waller factor) ； S02——振幅衰减因子； C4——4阶累积量； R —— 原子间距离； 一般不用 C3——3阶累积量； Ei—— 能移展宽； ∆E0—— 能量原点的位移 k → k2 − 2me∆E0 / ℏ2
N j S02 Fj (k ) kR
2 j
exp[−2k 2σ 2 j ]e
−2 R j / λj ( k )
sin[2kR j + φ j (k )]
2. 中等无序体系: 累积量展开(cumulant expansion)
χ(k) = ∑
j
2 N j S0 (k)Fj (k)
kR2 j
2 4 −2 R / λ exp[−2k 2σ j 2 + C4 j k 4 ] e j j sin(2kRj +φj (k) − C3 j k 3 ) 3 3