Аннотация. 
Фазы и амплитуды рассеяния электронов для задач определения локальной атомной структуры методом EXAFS-спектроскопии

В работе представлены результаты разработки и тестирования программного комплекса HFampl, предназначенной для расчёта фаз и амплитуд рассеяния из первых принципов с использованием точного обменного потенциала Хартри-Фока (ХФ). Разработка с использованием компиляторов с открытым исходным кодом позволяет запускать программу в любых совместимых операционных системах (Windows, Linux, Mac). Тестирование комплекса на металлах, оксидах и железосодержащих водных сульфатных растворах показало хорошую применимость рассчитываемых фаз и амплитуд рассеяния для проведения высокоточного структурного анализа. Разработанное программное обеспечение предназначено для использования при проведении научных исследований атомного строения неупорядоченных, аморфных структур, нанообъектов, а также в учебном процессе для изучения современных методов структурного анализа сложных, многокомпонентных соединений.

Ключевые слова: рассеяние фотоэлектрона, протяженная тонкая структура рентгеновских спектров поглощения, метод Хартри-Фока, межатомное расстояние, обработка экспериментальных данных.

Введение

Метод EXAFS-спектроскопии применяется для изучения структуры на атомном уровне самых разных объектов: активных центров катализаторов [1, 2], фотосинтезирующих систем [3], металлсодержащих растворов [4], аморфных материалов [5] и многих других. Успешное проведение структурного анализа неупорядоченных, аморфных материалов и нанокомпозитов с помощью спектров рентгеновского поглощения требует наличия разработанных алгоритмов и программного обеспечения для расчета надежных значений фаз и амплитуд рассеяния электронов атомами изучаемого вещества [6]. Важным условием для расчета рассеивающих свойств атомов в веществе является использование по возможности более точной модели потенциала, которая, в то же время, должна быть достаточно универсальной для обеспечения трансферабельности фаз и амплитуд рассеяния электронов на атомах в разных материалах.

Существующие подходы анализа EXAFS [7−9] используют фазы и амплитуды рассеяния, полученные в рамках самосогласованного межатомного потенциала с обменной частью, аппроксимируемой потенциалом Хедина-Лунквиста. Использование процедуры самосогласования приводит к проявлению зависимости не только от радиуса координационной сферы, но и от координационных чисел и симметрии расположения атомов, что приводит к необходимости пересчета рассеивающих характеристик в процессе анализа. В некоторых случаях [9] при проведении структурного анализа с фазами и амплитудами рассеяния, полученными с обменным потенциалом Хедина-Лунквиста, значения фактора неупругих потерь фотоионизации S₀² (спектроскоп-фактора) оказываются больше 1, что, вообще говоря, является не физическим результатом.

Альтернативный подход был сформулирован в работе [10], в которой изучалось формирование EXAFS спектров в оксидах титана. В этом подходе не использовалась процедура самосогласования межатомного потенциала, а в качестве обменного потенциала использовался точный Хартри-Фоковский обмен, что позволяло получать более разумные значения S₀². В настоящей работе расширен круг объектов, для которых показана применимость подхода расчета фаз и амплитуд рассеяния. Было проведено усовершенствование программного обеспечения, а также сформированы базисные конфигурации большинства атомов периодической системы. Используемый в работе метод построения потенциала, в котором движется фотоэлектрон, основан на том, что потенциал многоатомной системы можно представить в виде суммы локального кулоновского потенциала и нелокального обменного оператора [11]. Задача построения потенциала для получения трансферабельных фаз рассеяния решается при использовании двух приближений. Первое состоит в переходе к MT-аппроксимации [12] для потенциала многоатомной системы. Второе приближение заключается в использовании дополнительного предположения относительно обменной части ХФ-потенциала, состоящего в том, что его можно рассчитывать независимо в разных атомных центрах. Результаты расчетов как околопороговой (XANES), так и протяженной (EXAFS) областей спектров рентгеновского поглощения атомов в кристаллических и аморфных соединениях, обладающих различными физическими свойствами [13−15], убедительно свидетельствуют об адекватности такого приближения.