Prof. Czes Prof. Czes ł ł aw aw RUDOWICZ RUDOWICZ Rola modelowania komputerowego w Rola modelowania komputerowego w badaniach materiałów metodami badaniach materiałów metodami spektroskopowymi: spektroskopowymi: Od Poznania przez Australię i Hong Kong do Szczecina 1990 - 2005 II 2005 Instytut Fizyki Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny Email: [email protected]
32
Embed
Rola modelowania komputerowego w badaniach materiałów ...ptf.ps.pl/wyklady/Rudowicz.pdf · UAM, Poznań 1970 - 78 Nigeria, Uni. Port Harcourt 1978 - 80 Niemcy, Uni. Erlangen-Nurenberg
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Prof. CzesProf. Czesłław aw RUDOWICZRUDOWICZ
Rola modelowania komputerowego w Rola modelowania komputerowego w badaniach materiałów metodami badaniach materiałów metodami
spektroskopowymi:spektroskopowymi:
Od Poznania przez Australię i Hong Kong do Szczecina
1990 - 2005 II 2005
Instytut Fizyki Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
Publikacje w czasopismach:Publikacje w czasopismach: ((z Listy Filadelfijskiej)z Listy Filadelfijskiej):: ponadponad 170170 + ~10 przeglądowych + ~10 przeglądowych CityUCityU ~ ~ 90 ;90 ; PS/ZPS/ZUTUT ~ 40 ~ 40
ProfesorProfesor Wizytujący (+ wykłady) Wizytujący (+ wykłady):: Korea Univ. (1995), Korea Univ. (1995), Uniw. Uniw. JagielloJagiellońskiński (2002), (2002), Kobe Univ. (2003), Kobe Univ. (2003), Allahabad Univ. (2007)Allahabad Univ. (2007)ReRecenzent prac:cenzent prac: w w 33 33 czasopismach międzynarodowychczasopismach międzynarodowych
Członek Rad Redakcyjnych:Członek Rad Redakcyjnych:
ApplAppl. . Mag. ResMag. Res.., , PhysPhys.. B, B, IndInd.. J. J. PAP PAP
GrantGranty Badawczey Badawcze nna CityU:a CityU:
CERG (2); Strategic (6); CERG/SRG (3)
GrantGranty Badawczey Badawcze (KBN) n(KBN) na a PS/ZUTPS/ZUT:: własny (1), wspólny własny (1), wspólny [z prof. Karbowiak] (1), promotorski (1) (1), promotorski (1)
PrPrzzeewodniczącywodniczący, , PolPolskieskie Towarzystwo Towarzystwo EPR EPR ((IVIV 2007 2007 ))
CityU
ProfProf. . HonorHonorowyowy:: Baoji Univ. (V 2004) & CityU (XI 2004 – I 2008) ProfProf. Emerytowany. Emerytowany:: CityU (VI 2008)
– Porównanie zbiorów danych w przestrzeni n-D: {CF/NR}
Zastosowania:Zastosowania:
⇒ WWybrane jony w materiałach technologicznie ważnychybrane jony w materiałach technologicznie ważnych
PPLANLAN
DDPPCC
EMR EMR ⇒⇒Spektroskopia Spektroskopia ⇒⇒
optycznaoptyczna
Modelowanie:Modelowanie:praca na styku praca na styku
eeksksperperyymentmentuu ii teor teoriiii
Piramida wiedzy:Piramida wiedzy:
= z= zdobywanie wiedzydobywanie wiedzy
WWspinanie sispinanie się na Pę na PIIRAMRAMIIDĘDĘ
Od podstawy w górę Od podstawy w górę
MECHANIMECHANIKA KA KWKWANTANTOWAOWA
• opisuje mikroświat• wykorzystuje symetrię w przyrodzie ((teorteoria gia gruprup))
Różnica pomiędzy Różnica pomiędzy fizykąfizykąklasyczną a klasyczną a kwantową !kwantową !
KoncepcjaKoncepcja wizualizacja interpretacja ocena Kolejny Kolejny cyklcykl
Model = „obiekt”Model = „obiekt” Modelowanie = „proces”Modelowanie = „proces”
DOMDOM
Cele modelowania:Cele modelowania: oszczędność czasu zaspokojenie oczekiwań klienta zgodność z przepisami
Rola symetriiRola symetrii
Krystalografia + teoria fizycznaKrystalografia + teoria fizyczna wizualizacja struktury interpretacja różnych modeli dystorsji przewidywanie fizycznych właściwości różnych związków
((= = „jon(y)-„jon(y)-kryształkryształ“) ważnych dla zastosowań technologicznychważnych dla zastosowań technologicznych Porównanie wyników z doświadczeniemPorównanie wyników z doświadczeniem KOLEJNY CYKLKOLEJNY CYKL
Kryształy (z jonami przejściowymi)Kryształy (z jonami przejściowymi)z
y
x
[001]
12
11
10
9
58
76
4
3
2
1
K+
O2-
Fe3+
∆21
∆22
∆1R4
−2IO
Modelowanie (Modelowanie (ogólnieogólnie):): przewidywania teoretyczne porównanie z doświadczeniem zmiana założeń / danych
KOLEJNY CYKLKOLEJNY CYKL
POSTULATY:
K L M N
1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p
1818 ArAr 22 22 66 22 66
24 Cr 2 2 6 2 6 55 1
25 Mn 2 2 6 2 6 55 2
26 Fe 2 2 6 2 6 66 2
Elektronowa Konfiguracja Pierwiastków
Model atomu Bohrahttp://www.naukowy.pl
* Orbitalny moment pędu elektronu jest skwantowany.* Podczas zmiany orbity, której towarzyszy zmiana energii elektronu,
atom emituje foton o energii równej różnicy energii elektronu na wyższej (E2 ) i niższej (E1 ) orbicie: Ef = hf = E2 – E1 ;
f - częstotliwość fotonu => fala świetlna o pewnym kolorze
JONY PRZEJŚCIOWE:JONY PRZEJŚCIOWE:* częściowo niewypełniona powłoka* częściowo niewypełniona powłoka elektronowaelektronowa* paramagnetyczne µµ ≠≠ 0 0* determinują właściwości spektroskopowe, magnetyczne i spektroskopowe, magnetyczne i
strukturalnestrukturalne różnych związków
Klasyfikacja jonów z częściowo niewypełnioną powłoką Klasyfikacja jonów z częściowo niewypełnioną powłoką elektronową:elektronową:
Jony metali przejściowych: [grupa jonów żelaza]
3d3dnn:: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu
4d4dnn:: Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag
5d5dnn:: La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au
Lantanowce: [pierwiastki ziem rzadkich]
4f4fnn:: Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu
Aktynowce:
5f5fnn:: Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, E, Fm, Md, No, Lw
Jony metali przejściowych: [grupa jonów żelaza]
3d3dnn:: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu
4d4dnn:: Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag
5d5dnn:: La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au
Lantanowce: [pierwiastki ziem rzadkich]
4f4fnn:: Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu
Aktynowce:
5f5fnn:: Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, E, Fm, Md, No, Lw
Stan elektronu w atomie jest opisany czterema liczbami kwantowymi: n, n, ll, , mmll, , mmss;; --ll ≤≤ m mll ≤≤ + +ll, , mmss = = ±± ½½
Jon:Jon: n-elektronów ‘iloczyn’ funkcji falowych: |L, M|L, MLL, S, M, S, MSS>>
Jony często używane Jony często używane w badaniachw badaniach EMR: EMR:
3dn: Mn2+, Fe3+ (3d5) ; 4fn: Gd3+, Eu2+ (4f7)
• Spektroskopia optyczna & EMRSpektroskopia optyczna & EMR pozwala ocenić, np:np: położenie jonu w kompleksie, walencyjność jonu, ilość/typ ligandów, symetrię kompleksu.
• Modelowanie właściwości jonów przejściowych ma duże znaczenia dla Modelowanie właściwości jonów przejściowych ma duże znaczenia dla opracowania materiałów o charakterystykach odpowiednich dla danych opracowania materiałów o charakterystykach odpowiednich dla danych zastosowań technologicznych.zastosowań technologicznych.
Pakiet Pakiet „„CF Analysis CF Analysis (CFA)”(CFA)” opracowany w HK opracowany w HK diagonalizdiagonalizujujee::
HHphysphys = H = Hfree ionfree ion + H + Hcrystal fieldcrystal field
dla jonów 3ddla jonów 3dnn w w kkrysryszztatałachłach [Yeung, CZR, Yang]
* Liczymy całki: <i | H | j> =>=> macierz (n x n); i & j = 1, ....., n
* Diagonalizacja macierzy H =>=> sprowadzenie do postaci diagonalnej
* Elementy diagonalne = = EEiiii = = kolejne energie jonu
=> poziomy elektronowe =>=> widma optyczne
Zastosowania w fizyce materiałów laserowych:Zastosowania w fizyce materiałów laserowych:• Paramagnetyczne jony przejściowe determinują Paramagnetyczne jony przejściowe determinują przejściaprzejścia elektronowe, które są odpowiedzialne za akcję laserową.elektronowe, które są odpowiedzialne za akcję laserową.• Przebadano olbrzymią ilość związków: „jon-kryształ” Przebadano olbrzymią ilość związków: „jon-kryształ” wykazujących akcję laserową.wykazujących akcję laserową.• Włókna optyczne oparte na jonach ziem rzadkich (ErWłókna optyczne oparte na jonach ziem rzadkich (Er3+3+ )) telekomunikacja.telekomunikacja.• Rola laserów w medycynie, przemyśle, życiu codziennym......Rola laserów w medycynie, przemyśle, życiu codziennym......
Zastosowania w mineralogii Zastosowania w mineralogii geochemii geochemii badaniach kosmosu: badaniach kosmosu:
• Wyjaśnienie koloru różnych minerałów Wyjaśnienie koloru różnych minerałów przejścia pomiędzy przejścia pomiędzy poziomami jonów przejściowych w polu krystalicznym.poziomami jonów przejściowych w polu krystalicznym.• Rozkład jonów przejściowych w płaszczu Ziemi.Rozkład jonów przejściowych w płaszczu Ziemi.• Zdalne pomiary składu powierzchni planet.Zdalne pomiary składu powierzchni planet.
(1) opisuje p(1) opisuje przejrzejśścia pomicia pomięędzy dzy poziomami ‘poziomami ‘ spin spinowymi’owymi’
(2)(2) Pozwala opisać widma EMR za pomocą parametrów ZFS & Ze, Pozwala opisać widma EMR za pomocą parametrów ZFS & Ze,
które można następnie modelować teoretyczniektóre można następnie modelować teoretycznie
Zastosowania w biologii Zastosowania w biologii medycynie medycynie naukach o środowisku - do badania, np:naukach o środowisku - do badania, np:
• Procesów fotosyntezy Procesów fotosyntezy (= zamiana światła słonecznego na energię (= zamiana światła słonecznego na energię chemiczną w zielonych liściachchemiczną w zielonych liściach) ) • Metaloprotein, hemoglobiny; procesów zachodzących w okuMetaloprotein, hemoglobiny; procesów zachodzących w oku• Nowotworów, chorób serca, płucNowotworów, chorób serca, płuc• Polimerów, farb, napromieniowanej żywnościPolimerów, farb, napromieniowanej żywności
Zastosowania w archeologii Zastosowania w archeologii geologii geologii przemyśle naftowym / górnictwie:przemyśle naftowym / górnictwie:
• Datowanie = pomiar stopnia akumulacji efektów naturalnego Datowanie = pomiar stopnia akumulacji efektów naturalnego promieniowaniapromieniowania• Dozymetria = pomiar napromieniowania różnych substancjiDozymetria = pomiar napromieniowania różnych substancji• Struktura minerałów i defektów Struktura minerałów i defektów przejścia pomiędzy przejścia pomiędzy różnymi poziomami ‘spinowymi’różnymi poziomami ‘spinowymi’• Badania składu ropy naftowej, węgla z różnych złóżBadania składu ropy naftowej, węgla z różnych złóż
SSpepekktrostroskkopopia EMR ia EMR => => ciekawostkiciekawostki
Co mają wspólnego wolne rodniki z nowotworami?
Wyprowadzeniu analitycznych wzorów i numerycznych relacji:Wyprowadzeniu analitycznych wzorów i numerycznych relacji: {EPs} {EPs} ≡≡ {B{Bkk
qq; g; gijij } } ∝∝ { {B, CB, C; ; λλ ; ; BBkqkq , E, Eαα ∝∝ dane dane strukturalnestrukturalne} } ≡≡ {MPs} {MPs}
Opracowaniu pakietów kOpracowaniu pakietów komputerowych do obliczeńomputerowych do obliczeń
Modelowanie umożliwia:Modelowanie umożliwia: LepsząLepszą interpreta interpretacjęcję danych spektroskopii danych spektroskopii EMR EMR && ooptptyyccznej znej dla jonów przejściowych w kryształachdla jonów przejściowych w kryształach Przewidywanie Przewidywanie EPs EPs na na bazie znajomości MPsbazie znajomości MPs
Interpretację zmian EPs z czynnikami zewnętrznymi:Interpretację zmian EPs z czynnikami zewnętrznymi: TT (temperatura) ; (temperatura) ; pp (ciśnienie) ; (ciśnienie) ; BB (pole magnetyczne) (pole magnetyczne)
Modelowanie w spektroskopii optycznejModelowanie w spektroskopii optycznej && EMREMR
Modelowanie polega na:Modelowanie polega na:
• teoretyczna interpretacja eksperymentalnych parametrów (EP)(EP) poprzez ‘mikroskopowe‘ (‘mikroskopowe‘ (bardziej podstawowe ) parametry (MP)(MP) • analiza porównawcza zbiorów EP z różnych źródeł
Poniżej podamy przykPoniżej podamy przykłłady modelowania i relacji: ady modelowania i relacji: EPs EPs ∝∝ MPs MPs
FASCYNUJĄCE FASCYNUJĄCE = = magia wzorów i liczbmagia wzorów i liczb teoria i modelowanie pozwala wyliczyć teoria i modelowanie pozwala wyliczyćto co można zmierzyć doświadczalnie to co można zmierzyć doświadczalnie OPIS NATURY OPIS NATURY
Modelowanie używając teorii Modelowanie używając teorii MSH MSH dla jonów z dla jonów z S = 2 S = 23d4: V+, Cr2+, Mn3+, Fe4+
3d6: Mn+, Fe2+, Co3+, Ni4+
{B{Bkkqq; g; gijij } } ∝∝ { {λλ , , ρρ ; [; [∆∆ ii, , s (s (współczynnik) ) ∝∝ dane strukturalnedane strukturalne]}]}
Bardzo duże ZFS Pasma X i Q za niskie Potrzeba wysokich częstości
4 schematy energii
Output Output Dane liczboweliczbowe oraz wykreswykres są automatycznie generowane
Program MSH/VBAProgram MSH/VBA
Modelowanie używając modelu superpozycyjnego [SPM]Modelowanie używając modelu superpozycyjnego [SPM]
SPMSPM separacja częściseparacja części geometrycznej & fizycznej w parametrach ZFS Bkq
(lublub CF: Bkq) dla jonów przejściowych (MM) w komplesie MLMLnn
Część: fizyczna geometryczna (parametry modelowe) (czynniki kordynacyjne)(parametry modelowe) (czynniki kordynacyjne) zależą od pozycji ligandów (LL) & symetrii kompleksu MLMLnn
Kkq(θ,φ) zależą od typu jonów MM i LL Ro = odległość referencyjna; tk = wykładniki prawa potęgowego
( ) ( ) ( )∑ ⋅⋅=L
LLkqt
Lkkq KRRRBB k φθ ,00
SPM SPM == modelowanie parametrów modelowanie parametrów ZFS ZFS (i (i CFCF) dla jonów przejściowych w ) dla jonów przejściowych w kryształach dla różnych kryształach dla różnych modelmodelii dystorsji dystorsji strustrukkturalturalnychnych w MLw MLnn
( )0RBk
FeFe3+3+ : : cc-BaTiO-BaTiO33 [PRB07] && h h-BaTiO-BaTiO33 [JPCM08]
⇒⇒ SPM/ZFSPs SPM/ZFSPs EMR EMRFeFe3+3+ w K w KTTaaOO33 [PRB09] & LiNb& LiNbOO33 [w opracowaniu]
⇒⇒ SPM/CFPs SPM/CFPs →→ CFA/MSH CFA/MSH →→ ZFSPs ZFSPs EMR EMR3d3d55 (stan: (stan: 66S) jony w związkach typu ABXS) jony w związkach typu ABX33 [w opracowaniu]