По дифракционного структурно-фазового анализа

ПО дифракционного структурно-фазового анализа

, ,

Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия.

Рентгеновская порошковая дифракция является одним из наиболее востребованных экспериментальных методов анализа поликристаллических и нанокристаллических веществ и материалов и широко применяется в научных исследованиях и производственном аналитическом контроле. Полнопрофильная дифрактограмма интегрирует информацию о качественном и количественном фазовом составе, кристаллической решетке, микроструктуре и атомно-кристаллической структуре фаз-компонентов. Обычно исследование начинается с идентификации фазового состава изучаемого материала по его дифрактограмме с помощью баз рентгенографических данных (БД PDF ICDD и др.). Проблемой являются частые несоответствия дифрактограммы с рентгенофазовыми стандартами БД, обусловленные реальной кристаллической структурой фаз материала, что приводит к неоднозначным результатам идентификации. В случае отсутствия интересующей исследователя фазы в БД идентификация сводится к задаче определения ее решетки и кристаллической структуры. При отсутствии совершенного монокристалла для определения структуры используются порошковые методы в прямом, обратном или дуальном пространстве. Их общей проблемой является быстрое снижение эффективности с ростом сложности определяемых структур (начиная от ~30 степеней свободы атомных координат). Преимуществом методов прямого пространства (имитация отжига, генетические алгоритмы) является относительная простота их применения и малая чувствительность к наличию идентифицированных примесей других фаз, которые легко учитываются при моделировании структуры по дифрактограмме.

После идентификации фаз многофазного материала выполняется количественный рентгенофазовый анализ (КРФА). Наиболее эффективным для этого является полнопрофильный анализ по методу Ритвельда, т. к. он позволяет уточнять микроструктуру и атомно-кристаллическую структуру фаз. Этот метод используется и для уточнения структур неизвестных фаз, найденных порошковыми методами. Проблемой метода Ритвельда является плохая сходимость при отсутствии достаточно точных исходных приближений уточняемых параметров, что затрудняет его применение, особенно, для производственного контроля. Интегральный характер дифрактограммы и наличие указанных проблем делает актуальным развитие программного обеспечения (ПО) для комплексного структурно-фазового анализа.

В данной работе представлены результаты разработки оригинального пакета ПО для решения описанных задач структурно-фазового анализа. Пакет ПО содержит Информационно-поисковую систему рентгенофазового анализа (ИПС РФА), метод полнопрофильного анализа «Минимизации производной разности» (МПР) и Мультипопуляционный генетический алгоритм (МПГА) определения кристаллической структуры, дополненный программами индицирования, визуализации структур и т. п. ИПС РФА предназначена для селективной идентификации многофазных материалов методом кластерного фазового анализа с использованием БД PDF2 и COD и КРФА по мультирефлексному методу «корундовых чисел фаз» [1]. МПР [2] является аналогом метода Ритвельда, но основанном на минимизации производных между экспериментальной и расчетной дифрактограммами и не требующем моделировании фона. МПГА [3] предназначен для поиска и уточнения структуры по полнопрофильной дифрактограмме с использованием параллельных вычислений на многоядерных ПК и суперкомпьютерных кластерах. Обсуждаются направления дальнейшего развития указанных дифракционных методов и ПО.

[1] , , и др. / Журн. структур. химии. 2011. №2. С. 329-335.

[2] Solovyov L. A. / Chapter 10. Powder Diffraction Theory and Practice. Royal Society of Chemistry. 2008.

[3] A. N. Zaloga et al / Crystal Research and Technology. Volume 50, Issue 9-10. 2015. pp 724–728.