Blå linjer i figur (b) beskriver den korrekta radiella strukturfunktionen, N(R), som bestäms av materialets struktur. N(R) har radiella komponenter (antalet koordinerande atomer) på gles interatomärt avstånd R. När avståndet ökar, N(R) ökar antalet atomer (intensitet av N(R)) som koordinerar på samma avstånd på grund av ämnens strukturella symmetri. I motsats till sådan diskret N(R), vi har fått information om mikrostrukturen från ett grönt spektrum i figur (a), som beräknas genom Fourier-transformation av EXAFS-svängningsspektrumet (höger sida av figuren). Detta spektrum är en kontinuerlig funktion av det interatomära avståndet R, och visar att intensiteten minskar när R ökar. Detta betyder att när atomavståndet ökar, denna metod kan inte korrekt uppskatta den radiella strukturfunktionen hos koordinerande atomer. Kredit:Dr. Ichiro Akai
Mikrostrukturanalys av material är en nyckelteknologi för ny materialforskning. Med hjälp av en informationsextraktionsteknik som kallas sparse modellering, ett samarbete mellan forskare under ledning av professor Ichiro Akai vid Kumamoto University, Japan, har utvecklat världens första metod för att analysera atomstruktur och strukturella fluktuationer i material med enbart mätdata. Denna metod kräver inga tidigare antaganden om struktur i atomskala, som krävs i konventionella mikrostrukturanalysmetoder. Bland andra applikationer, detta nya tillvägagångssätt förväntas förbättra batteriernas funktionalitet och ge längre livslängd.
För att realisera nya funktioner och prestandaförbättringar av funktionella ämnen som de som finns i batterier och elektroniska enheter, deras struktur och strukturella förändringar måste utvärderas på atomär skala. Detta beror på att atomernas struktur på nanometerskala dominerar deras egenskaper. Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) mätningar används i stor utsträckning för att analysera mikrostrukturer som dessa i atomär skala.
Genom att utföra en Fourier-transformation på det uppmätta spektrumet av en EXAFS-svängning, mikrostrukturinformation kan erhållas för att bestämma hur intilliggande atomer är fördelade radiellt. Dock, den radiella fördelningen som erhålls med denna konventionella metod skiljer sig helt från den faktiska radiella strukturen. Denna diskrepans beror på felaktig expansion med basfunktioner för vibrerande vågor med konstant amplitud genom Fourier-transformation, trots att amplituden för EXAFS-svängningen ändras märkbart inom det observerade området.
Amplitudförändringarna representerar strukturella fluktuationer, som är variationer i atomavstånd och rörligheten hos angränsande atomer. Dessa fysiska egenskaper indikeras av en fysisk storhet som kallas Debye-Waller-faktorn. Denna faktor kan inte erhållas genom Fourier-transformation av EXAFS-svängningen eftersom uppskattning av Debye-Waller-faktorn kräver att antaganden görs om ett materials mikrostruktur. Med andra ord, eftersom en analys av det konventionella EXAFS-svängningsspektrumet är baserad på en hypotetisk struktur, det är svårt att uppskatta Debye-Waller-faktorn om inte materialets mikrostruktur är känd tidigare.
(a) Uppmätta data, (b) Resultat efter sparsam modellering, (c) Rester av resultatet genom sparsam modellering av uppmätta data. Kredit:Dr. Ichiro Akai
För att lösa det här problemet, forskarna fokuserade på det faktum att atomer är, i allmänhet, regelbundet distribueras, som återspeglar deras kemiska struktur och bindningstillstånd. Vidare, avstånden mellan atomer (atomkoordinater) är distinkta, och kan anses vara "gles". Forskarna utvecklade sedan en ny analysmetod med hjälp av en typ av informationsextraktionsteknik som kallas sparse modellering för att analysera EXAFS-data. Gles modellering utvecklades inom informationsvetenskapsområdet, och används för att upptäcka dominerande egenskaper i mätdata. På senare år har det har använts inom ett brett spektrum av forskningsområden, såsom astronomi, medicinsk vetenskap och teknik.
Använd endast uppmätta data, utan förkunskaper om ett material, den nya metoden kan
"Eftersom vi kan uppskatta Debye-Waller-faktorn utan någon förhandsinformation om ett material, vi förväntar oss att denna metod kommer att ge viktiga resultat inom flera områden av materialforskning – särskilt för nya ämnen, såsom termoelektriska material där termiska fluktuationer av intilliggande atomer är viktiga, och superjoniskt ledande material som kräver rörlighet mellan intilliggande atomer. Båda dessa väcker för närvarande uppmärksamhet som fasta elektrolytmaterial för sekundära batterier, sa den ledande forskaren, Professor Ichiro Akai vid Kumamoto University.
(a) Grönt:konventionellt Fourier-transformationsspektrum. Röd:kvasi-radial strukturfunktion extraherad med gles modellering. (b) Korrekt radiell strukturfunktion hos koppar. Kredit:Dr. Ichiro Akai
I den här studien, forskarna tillämpade sin nya metod på EXAFS-data från ett standardprov av koppar och visade att den sparsamma modelleringstekniken fungerade korrekt och effektivt för att analysera EXAFS-svängningsspektrumet. Att tillämpa denna metod på olika material som är svåra att analysera i detalj med konventionella metoder förväntas ge framtida utvecklingar.
Detta arbete publicerades i Journal of the Physical Society of Japan den 22 juni 2018.
