Studium nanokrystalických materiálů pomocí nekonvenčních metod rozptylu rentgenového záření

• Název práce v češtině: Studium nanokrystalických materiálů pomocí nekonvenčních metod rozptylu rentgenového záření
• Název v anglickém jazyce: Study of nanocrystalline materials using unconventional X-ray scattering methods
• Klíčová slova: rozptyl rentgenova záření, nanomateriály, Debyeova rozptylová rovnice, párová distribuční funkce, totální rozptyl
• Klíčová slova anglicky: X-ray scattering, nanomaterials, Debye scattering equation, pair distribution function, total scattering
• Akademický rok vypsání: 2019/2020
• Typ práce: bakalářská práce
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Milan Dopita, Ph.D.
• Konzultanti: Mgr. Zdeněk Matěj, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Cílem práce je aplikace nekonvenčních rozptylových metod, jmenovitě i) Debyeovy obecné rozptylové funkce a ii) metody celkového rozptylu (anglicky total scattering method) ke studiu mikrostruktury nanokrystalických materiálů. Práce bude vyváženě kombinovat obojí – jak teoretickou / výpočetní část sestávající z pochopení, rozvoje a optimalizace metod, tak experimentální část tvořenou rtg. rozptylovými meřeními na laboratorních a synchrotronových zdrojích.

1. Studium doporučené odborné literatury, literaturní rešerže.
2. Debyeova obecná rozptylová funkce: simulace difrakčních záznamů, tvorba atomistických modelů nanokrystalických materiálů.
3. Metoda totálního rozptylu: korekce a normalizace experimentálních dat, extrakce celkové rozptylové strukturní funkce S(Q), výpočet atomové párové distribuční funkce (PDF). Fitování mikrostrukturních modelů v reciprokém i přímém prostoru.
4. Aplikace metod ke studiu mikrostruktury nanokrystalických materiálů.

Seznam odborné literatury

1. B. E. Warren, X-ray diffraction, Dower Publications, INC, New York, 1990.
2. A. Guinier, X-ray diffraction in crystals, imperfect crystals and amorphous bodies, Dower Publications, INC, New York, 1994.
2. P. Debye, Ann. Phys., 351, 6, 1915, 809.
3. T. Egami and S. J. L. Billinge, Underneath the Bragg Peaks, Elsevier, Ltd, Oxford, 2003.
4. Aktuální články z odborných periodik.

Předběžná náplň práce

Náplní práce bude využití méně běžných metod rozptylu rentgenového záření vhodných ke studiu mikrostruktury nanomateriálů. Především užití Debyeovy obecné rozptylové rovnice [2] a metody totálního rozptylu [3]. Aplikace Debyeovy rovnice předpokládá znalost atomistického modelu studovaného materiálu, tzn. typů a souřadnic jednotlivých atomů daného klastru s jejichž znalostí lze spočíst koherentně rozptýlenou intenzitu a porovnat ji s experimentálně změřenými daty. Tato metoda je vhodná k testování rozličných atomistických modelů pro popis daného nanokrystalického klastru. Dále dovoluje studovat vlyv odchylek od třídimenzionální periodicity ideálního krystalu způsobených například přítomností různých mřížových defektů na difrakční záznam.
Metoda totálního rozptylu kombinující informace obsažené jak v Bragovském tak i difúzním rozptylu poskytuje detailní informace o lokálním a střednědosahovém atomovém uspořádání studovaného materiálu. Je vhodná pro studium materiálů, které lze s obtížemi, případně je to přímo nemožné, studovat pomocí klasických krystalografických metod, jako jsou difrakce na monokrystalech, či refinování polykrystalických difrakčních záznamů pomocí Rietveldovy metody. Mezi takové materiály patří nanomateriály, vysoce porušené materiály – materiály s turbostraticými defekty, rozličné neuspořádané systémy, různé typy skel či kapaliny. Metoda totálního rozptylu je velice citlivá na kvalitu měřených dat a pečlivé provedení normalizace měřených dat a experimentálních korekcí.
Náplní práce bude testování, rozvoj a optimalizace těchto metod. Vyvinuté metodiky budou aplikovány na vybrané nanokrystalické materiály studované v současné době na KFPL, jako jsou například: nanokrystalické oxidy kovů (Ti, Ce, Zr, Zn), nanokrystalické silně porušené turbostratické materiály na bázi uhlíku, nanokrystalické hydridy uranu a další.

Další informace: http://www.xray.cz/tmp/bak-DSE-PDF-details-2015.pdf

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

The main topic of the work will be the application of less commonly used X-ray scattering methods for investigation of nanomaterials microstructure. Namely the use of general Debye scattering equation (DSE) [2] and total scattering method (TS) [3]. The application of the Debye scattering equation suggest the knowledge of atomistic model of studied material, i.e. the types and coordinates of individual atoms in investigated cluster. The DSE allows to calculate the coherently scattered intensity and to compare it with experimentally measured data. The DSE method is convenient for testing of various atomistic models for description of studied nanocrystalline material. Besides, it allows to study the influence of deviations from three-dimensional periodicity of ideal crystal caused for example by the presence of different lattice defects on the scattering pattern.
The total scattering method combining the information contained in both the Bragg as well as the diffuse scattering offers the detailed information on the short and intermediate range atomic orders of studied material. It is useful for study of materials, which are difficult to study using classical crystallographic methods as are the single-crystal diffraction or refinement of the polycrystalline diffraction patterns using the Rietveld method. These are the nanomaterials, highly perturbed materials, materials with turbostratic defects, different types of disordered systems or various types of glasses, gels and liquids. The TS method is extremely sensitive to the quality of measured data and careful performance of measured data normalization and experimental corrections.
The subject of the work will be testing, improvement and optimization of DSE and TS methods. Developed procedures will be applied on selected nanocrystalline materials currently studied at the KFPL, as are for example: nanocrystalline metal (Ti, Ce, Zr, Zn) oxides, nanocrystalline highly perturbed turbostratic carbon based materials, nanocrystalline uranium hydrides and others.