XAFS分析：ATHENA软件介绍

Energy ( eV )
1000
10000
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
ATHENA简介
/ifeffit/Downloads
强相互作用 失去电子
树枝
Au
状大
分子
弱相互作用 得到电子
边前范围的不当选取
归一化
U L3 edge
Y K edge
扭曲台阶高度和XAFS信号
含有铀和钇的沉淀物
背底扣除
背底扣除
背底扣除
背底扣除
Rbkg参数的影响
输入了fe.300 数据的athena界面
背底扣除
(左) fe.300的吸收谱和背底函数 (右) fe.300 的χ(k) 曲线. (下) fe.300 的χ(R) 曲线
➢ 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
在ATHENA中：
➢ 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
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
背底扣除
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
在背底扣除中K的不同取值范围对Au foil的χ(k) 曲线的影响
背底扣除
显示了额外背底参数的athena主窗口
快速Fourier变换
心
面心
1/4, 3/4 位 1/3,2/3位
(110)面
(a) (220)面
(c)
(d)
图22: 具有不同k范围的Fe foil 的χ(R)
Fourier滤波
Fourier滤波的参数选择
Fourier滤波
如何选择变换 范围？
Cu foil的x(R)的Fourier滤波
数据的输出
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
只能安装在英文路径之下，输入和存储的文件只能是英文
ATHENA简介
基本功能
➢ 将原始数据转换成µ(E)曲线 ➢ 同时处理单个和多组数据 ➢ 校准能量 ➢ 平滑µ(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 -----------------

(k
)

j
N
j S02 F
j
(k
)

1 kR2j

2 e
2j k
2

2R e
j

(k
)
sin[2kR
j


l j
(k
)]
可以看出，χ(k)是由不同Rj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，χ(k)是对各壳层χj(k)的求和。它 不仅是k的函数，也是Rj的函数，不同Rj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ρ（Rj）（即确定Rj对k 积分），作ρ（R）－R图，则各配位壳层对应的Rj位置上必然 有所表示，而其它R处只有本底。这种ρ（R）－R图表征的函
汉宁(hanning)
凯泽--贝塞尔窗 (Kaiser-bessel)
韦尔奇(welch)
正弦(Sine)
汉宁(hanning) dk= 1
汉宁(hanning) dk= 3
快速Fourier变换
图20: Fourier变换后的Cu foil的χ(R)
快速Fourier变换
显示了实部、虚部以及包络线的χ(R)
公式中本身就还有1/k因子，由有Fj（k）对k的影响，乘上 k3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
快速Fourier变换
Fourier变换的参数选择
快速Fourier变换
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kn去乘χ(k)，kn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
knχ(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Z<36，36<Z<57及Z>57 三种情况下，n分别取3，2，1。
➢ 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中归一化的参数
归一化
(左) 具有边前和边后延长线的Cu foil吸收曲线µ(E) (右) 归一化的 Cu foil 的吸收曲线µ(E)
归一化
边后归一化范围选择不当带来的影响：
k2(k) F(R)
Sb K-edge
0.8
a
0.4
0.0
-0.4
298 K b
893 K 913 K 1058 K
4
6
8
10
k ( Ao -1 )
0.8
0.7
298 K
893 K
0.6
913 K
1058 K
0.5
0.40.30来自20.102
4
6
8
o
distance ( A )
不同温度下Sb样品的Sb 的χ(k) 和χ(R)
快速Fourier变换
考虑相位校正
快速Fourier变换
正弦
汉宁
在Fourier变换中，选择不同窗口的比较
. Fourier变换的解释
Fourier变换复数形式为 ~ (r) eikrW (k)kn (k)dk
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”。
数据输入：多次扫描
数据输入：多次扫描
校准 能量
合并数据
数据输入：多次扫描
边前扣除和归一化
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
（μ(λ)=Cλ3-Dλ4）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。
-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 I0 第四列 为后电离 室信号 I1
mu=In(I0/I1)
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 I0 第四列 为荧光信 号 If
mu=In(If/I0)
信息存储
催化剂
✓元素分辨性 激光 ✓微观结构敏感性 激光 ✓样品无特殊要求
自旋电 子学
✓ 尺寸依赖 性 ✓ 形貌依赖 性
生物成像
微观结构 光电
太阳能 电池
荧光粉 技术
吸收谱的区域划分
x ( Arb. Units )
Pre-edge XANES -200 -20 30
EXAFS
E0
9000
9500
数称为径向结构函数.
快速Fourier变换
k(k) F(r)
5 4 3 2 1 0 -1
0
5
10
15
20
k ( Ao -1 )
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
8
o
Distance ( A )
以Cu的χ(k) 和χ(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χ(k)从频
Ti K edge
Ba L3 edge
BaTiO3 (左) 归一化范围选择不当的BaTiO3 谱 (右) 相应的归一化BaTiO3 谱
归一化
U L3 edge 75 eV 42 eV
影响对U化学价的判断
(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
Au
硫醇
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χ(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ω（k），使其两端缓
➢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。
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
不可用
第二列 为能量
第三列 为前电离 室信号 I0
第四,五，六，七， 八，九，十列 为 荧光信号 If
数据输入:荧光模式（固体探测器）
将 每 一 个 元 的 数 据 作 为 单 独 的 输 入
多次扫描数据
分两步进行： 1 校准能量 2 合并数据
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
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
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 (kmax 1) ,无序会导致峰位位移。
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。
快速Fourier变换
XAFS数据分析：ATHENA
闫文盛 ywsh2000@
中国科大 国家同步辐射实验室 2013年11月08日 上海
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
✓ 电学 ✓ 光学 ✓ 磁学
XAFS技术特点

sin
2

2
x x2

x1 x1

w(
x)

cos2

1 x
2 x2 0

x1 x1

x1 x x2 x2 x x3 x3 x x4 x x1, x x4
在Fourier变换中加窗的χ(k)
不同窗函数之间的比较
ATHENA简介
athena主窗口
能数 关据 闭处 此理 窗过 口程
中
不
,
ATHENA简介
图1: 图形显示窗口
ATHENA简介
输入 了数据的athena主窗口
XAFS数据处理
➢求-E 曲线 ➢边前扣除和归一化 ➢背底扣除 ➢ E→k转换 ➢求(k)及加权和加窗 ➢快速Fourier变换 ➢Fourier滤波
在athena中的数据输出
在ATHENA中作图
在能量空间中作图的面板
在ATHENA中作图
K 空间
R空间
q空间
在ATHENA中作图
背底扣除
红色 Rbkg=0.2 蓝色 Rbkg=1
Rbkg=0.2
利用不同 Rbkg（0.2和1）获得的χ(R) 和χ(k) 的比较
背底扣除
红色 Rbkg=2.5 蓝色 Rbkg=1
Rbkg=2.5
利用不同 Rbkg（1和2.5）获得的χ(R) 的比较 叠加了一个低频信号
Rbkg 通常选择为第一近邻配位壳层的一半为好 ！
E至k空间转换
E至k空间转换
E至k空间转换
(k)

j
N
j S02F j
(k)
1 kR2j
2
e
2j k 2
2R e
j
(k )
sin[2kR
j


l j
(k )]
得到χ(k)之后，还要对其进行加权变换。公式中 的散射振幅Fj（k）在高k部分基本上反比于k2，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。