< Назад | Содержимое | Далее >

ReciPro: бесплатное и открытое многоцелевое кристаллографическое программное обеспечение, интегрирующее базу данных моделей кристаллов и средство просмотра, симуляторы дифракции и микроскопии, а также инструменты анализа дифракционных данных.



Получено 14 сентября 2021 г.

Принято 5 января 2022 г.

Юсуке Сетоа * и Масахиро Оцукаб


а Кафедра планетологии, Высшая школа наук, Университет Кобе, 1-1 Роккодай-чо Нада-ку, Кобе 657-8501,


Под редакцией А. Барти, DESY, Гамбург, Германия

Япония и бЦентр передовых измерительных технологий, Институт материалов и систем для устойчивого развития, Нагоя университет, Фуро-чо Тикуса-ку, Нагоя 464-8603, Япония. *Электронная почта для корреспонденции: seto@crystal.kobe-u.ac.jp


Ключевые слова: визуализация кристаллической

структуры; дифракционное моделирование; анализ дифракционных данных; просвечивающая электронная микроскопия.


ReciPro — это комплексная многоцелевая кристаллографическая программа, оснащенная интуитивно понятным графическим пользовательским интерфейсом (GUI), которая полностью бесплатна и имеет открытый исходный код. Это программное обеспечение имеет встроенную базу данных кристаллов, состоящую из более чем 20 000 моделей кристаллов, а система визуализации может легко отображать указанную модель кристалла в виде привлекательной трехмерной графики. Комплексные функции не ограничиваются этими базами данных моделей кристаллов и

просмотрщиками. Она может плавно и количественно моделировать не только монокристаллические и/или поликристаллические (порошковые) дифракционные картины рентгеновской, электронной

и нейтронной дифракции выбранной модели кристалла на основе кинематической теории рассеяния, но также различные картины электронной дифракции и изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) высокого разрешения на основе динамической теории рассеяния. Возможности стереографической проекции кристаллических плоскостей/осей для исследования ориентационных соотношений кристаллов и полуавтоматическая функция индексации дифракционных пятен для экспериментальных дифракционных картин помогают в проведении дифракционных экспериментов и анализов. Эти возможности связаны через удобный графический интерфейс, а результаты могут синхронно отображаться практически в реальном времени. ReciPro поможет широкому кругу кристаллографов (включая начинающих) с использованием рентгеновской, электронной и нейтронной дифракционной кристаллографии и ПЭМ.


1. Введение

Рентгеновская, электронная и нейтронная дифракционная кристаллография уже давно являются мощными инструментами во многих областях, включая физические, химические, биологические и планетарные науки. Методы рентгеновской и нейтронной дифракции широко используются из-за легкой доступности гибких лабораторных источников рентгеновского излучения, мощного синхротронного излучения и современных источников нейтронов, а также устоявшихся методов анализа кристаллической структуры, таких как подгонка Ритвельда (Ритвельд, 1969). Методы электронной дифракции, использующие тонко сфокусированный электронный зонд с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и/или сканирующей ПЭМ (СТЭМ), также популярны в локальном анализе в масштабах от субангстрема

до (суб)нанометра, а атомная колончатая визуализация для непосредственного

выявления кристаллической структуры также становится обычной практикой с достижениями и распространением технологий коррекции аберрации

линз. Кристаллографическая информация, предоставляемая этими методами, часто является первым шагом в фундаментальных и прикладных исследованиях кристаллических материалов. Проблема просвечивающей электронной микроскопии заключается в том, что начинающие кристаллографы часто испытывают трудности с пониманием симметрии кристаллической структуры по ее дифракционной картине и взаимосвязи



Журнал прикладной кристаллографии (2022). 55

https://doi.org/10.1107/S1600576722000139 1 из 14

image



между реальным пространством и обратным пространством. Электронные дифракционные картины не являются интуитивными из-за эффекта динамического рассеяния, а именно многократного электронного рассеяния, а атомные изображения S/TEM дополнительно модулируются аберрацией электромагнитных линз. Таким образом, детальное сравнение между их точными симуляциями и экспериментальными данными необходимо для достижения количественного анализа.

Решением таких проблем, с которыми сталкиваются многочисленные кристаллографы-неспециалисты, является использование кристаллографического программного обеспечения, которое объединяет такие функции, как визуализация и манипулирование моделями кристаллической структуры, моделирование дифракционных картин и изображений S/TEM, а также инструменты анализа дифракционных данных с интуитивно понятным графическим пользовательским


устанавливается и запускается в операционных системах Microsoft Windows путем простой предварительной установки Microsoft .NET Desktop Runtime 6.0.


2. Разработка программного

обеспечения ReciPro — это самостоятельная автономная программа, написанная на C++, C# и OpenGL Shading Language (GLSL). Ее удобный графический интерфейс позволяет пользователям манипулировать кристаллографической информацией, такой как пространственные группы, параметры решетки и атомные позиции, визуализировать кристаллическую структуру в 3D-графике, отображать стереосеть для представления стереографической проекции плоскостей/осей кристалла, помогать индексировать пятна в экспериментальных дифракционных картинах, рассчитывать количественные электронные, рентгеновские и нейтронные

интерфейсом (GUI) и которое можно легко установить без затрат на настройку рабочей дсриефдрыа.кционные картины и моделировать изображения ПЭМ высокого разрешения

Разработка программного обеспечения в области кристаллографии в настоящее время находится на продвинутом уровне, и доступно не только коммерческое программное обеспечение, но также бесплатное и с открытым исходным кодом. VESTA (Momma & Izumi, 2011), VMD (Humphrey et al., 1996), XcrysDen (Kokalj, 1999) и CrystalMaker (http://crystalmaker.com) являются очень популярными и широко

используемыми программами для визуализации и моделирования кристаллических структур, а также симуляторами дифракции монокристаллов и/или

поликристаллов (порошков), использующими приближение кинематического рассеяния для рентгеновских лучей, электронов и нейтронов, которые также реализованы в некоторых из них.

Tempas (Kilaas et al., 1987), JEMS (Stadelmann, 1987), xHREM (Ishizuka & Uyeda, 1977), QSTEM (Koch, 2002), MULTEM (Lobato & Van Dyck, 2015), Prismatic (Pryor et al., 2017) и Dr. Probe (Barthel, 2018) в настоящее время являются поддерживаемыми программами моделирования S/TEM на основе графического интерфейса пользователя, основанными на теории динамического рассеяния электронов.

Недавней тенденцией стала разработка программного обеспечения на основе Python, которое может быть гибко настроено даже неопытными программистами, например, ASE (Larsen et al., 2017) и pymatgen (Ong et al., 2013) для работы с атомами и моделями кристаллов, diffPy (Juha´s et al., 2015) для анализа данных порошковой дифракции, а также abTEM (Madsen & Susi, 2021) и py_multislice (Brown et al., 2020) для моделирования изображений S/TEM. Большинство этих программ были разработаны для конкретных целей (например, визуализация кристаллической структуры, дифракция или моделирование изображений) и предлагают ряд превосходных функций. Используя эти программы

взаимодополняющим образом, можно выполнять различные кристаллографические анализы. Хотя это хорошая ситуация для исследователей с достаточными

навыками работы на ПК и кристаллографическим опытом, те, у кого нет таких навыков, могут столкнуться с трудностями в подготовке среды выполнения (например, Python и внешнего пакета) и настройке желаемых кристаллических структур и экспериментальных условий для программного обеспечения, а в некоторых случаях могут даже отказаться от использования программного обеспечения. Поэтому самодостаточная и автономная программа, которая интегрирует различные кристаллографические функции, оснащенная удобными графическими интерфейсами, по-прежнему необходима для поощрения исследователей-неспециалистов.


Мы разработали абсолютно бесплатную программу с открытым исходным кодом ReciPro, призванную удовлетворить такие потребности.

ReciPro обеспечивает сложную и бесшовную интеграцию полного пакета кристаллографических функций, от визуализации кристаллических структур до количественного моделирования дифракционных картин и изображений ПЭМ. ReciPro может быть легко

(HRTEM), без ассоциации с другими программными пакетами, требующими труда для переделки входных файлов, подходящих


Рисунок

1 (a) Главное окно ReciPro. (b) Снимок с несколькими функциями, открытыми одновременно. Чтобы увидеть расчет в реальном времени при вращении кристалла, посетите https://github.com/seto77/ReciPro/.

image



к индивидуальным программам. Также реализована функция базы данных кристаллов с более чем 20 000 встроенных кристаллических структур, и

пользователь может немедленно искать и выбирать модель кристалла из базы данных.

 

На рис. 1(a) показано главное окно ReciPro. При первоначальном запуске в верхней части окна перечислено несколько десятков кристаллических структур. На этой панели пользователи могут выбрать интересующую их модель кристалла. Подробная кристаллографическая информация о выбранной кристаллической структуре, такая как параметры решетки, пространственная группа, атомные позиции, параметры атомного смещения (факторы Дебая–Уоллера) и справочная информация, отображается на нижней панели. ReciPro поддерживает 530 обозначений пространственных групп, а именно 230 стандартных настроек, приведенных в томе A International Tables for Crystallography (Aroyo, 2016), называемых настройками ITA, и дополнительные 300 настроек, которые представляют собой нестандартные настройки осей (Hall, 1984). Пользователи могут импортировать кристаллическиеструктуру, опубликованную в American Mineralogist, The Canadianструктуры из файла кристаллографической информации (CIF) или встроенной базы данных кристаллических структур.Ориентация модели кристалла может быть задана углами Эйлера, индексами осей зон илии инде,ксами плоскостей решетки, которые также можно свободно вращать с помощью мыши и/или клавиш соMineralogist, European Journal of Mineralogy и Physics and Chemistry of Minerals, а также выбранные наборы данных из других журналов. В ReciPro база данных сильно сжата (9 МБ) и включена(например, в изолированной лаборатории). Как показано на рис. 2, пользователи могут искать кристаллические структуры в базе данных, используя различные параметры (название кристалла, содержащиеся элементы, симметрия и плотность), и могутзапущены с помощью иконок, выстроенных вертикально на правой панели.Большинство реализованных функций запрограммированы для многопоточного распараллеливания, а современный многоядерный процессор позволяет выполнять высокопроизводительные вычисления; все функции могут выполняться синхронно. Например, если мы вращаем модель кристалла, соответствующее изображениесписок в главном окне. При публикации результатов с использованием кристаллических структур, полученных из этой базы данных, исследователи должны включать ссылки на DownsЭти определения осей вращения и начальной ориентации кристалла в ReciPro не обязательно применимы к реальным экспериментальным системам. Функция Rotation Geometry может разрешить это несоответствие [рис. 3(c)]. Верхняя часть графического интерфейса показывает углы Эйлера в ReciPro, а нижняя часть содержит интерфейсы, в которых пользователи могут устанавливать произвольные определения гониометра. Связывая углы Эйлера в ReciPro с гониометром в лаборатории, эта функция предоставляет информацию о том, как гониометр должен вращаться для достижениябудет полезна новичкам, которые не знакомы с операциями гониометра. кристалла на стереографической сетке (рис. 5). Поддерживаются какпроекции, а также рисуются соответствующие линии широты идолготы. Индексы плоскости или оси, которые нужно нарисовать, могут быть указаны числовым диапазоном или непосредственно числовым значением. Объекты чертежа можно сохранить или скопировать в векторном формате, и поэтому пользователь можетразрешения. Из этого стереографического проекционного изображения мы можем легко определить соответствующие углы поворота и направления кристалла, чтобы получить желаемуюВектор отклонения, параллельный направлению Z [рис. 3(a)] от точки обратной решетки g до соответствующей точки поверхности сферы Эвальда. Меньшее значение R указывает на то, что балка, как ожидается, будет прочной, и балки будут выбираться в порядкевозрастания значений R вплоть до определенного пользователем количеставатабкажлеоки.зменением толщины образца из-за эффекта динамическогоЧтобы преодолеть или сократить вышеупомянутые высокие вычислительные затраты, было реализовано несколько функций. Например, для вычислений волн Блоха доступны два подхода: (i) Классический метод матрицы рассеяния (Fujimoto, 1959; Sturkey, 1962; Yamazaki et al., 2013), иногда называемый методом стекированных волн Блоха (Pennington et al., 2014), может быть использован для вычисления матричных экспонент напрямую с использованием метода масштабирования и возведения в квадрат с приближением Паде (Higham, 2005). (ii) Вместо этого может быть использован метод собственных значений Бете, который использует диагонализации матриц для непосредственного получения собственных значений и собственных векторов отдельных собственных состояний Блоха.Вычислительная стоимость части расчета потенциала перед расчетом процесса динамического рассеяния также была снижена. ReciPro учитывает только мнимые части кристаллического потенциала, которые описывают феноменологическое поглощение упруго рассеянных электронов из-за теплового диффузного рассеяния (TDS), которое является наиболее доминирующим неупругим рассеянием, связанным с фононными возбуждениями (Hall & Hirsch, 1965; Bird & King, 1990; Weickenmeier & Kohl, 1991). Это вычисляется аналитически,Обратите внимание, что эта схема ускорения предполагает как проекционное приближение (т.е. плоскую сферу Эвальда в качестве высокоэнергетического приближения), так и атомные факторы рассеяния, аппроксимированные суперпозицией гауссовых функций (Пэн и др., 1996; Пэн, 1998).теория передачи контраста, основанная на более точном коэффициенте перекрестного пропускания первого порядка (Ishizuka, 1980). Детали этих моделей кратко описаны в Приложении E. Хотя первая модель имеет меньшую вычислительную стоимость, чем вторая, теория линейного переноса контраста имеет тенденцию к отказу для более толстых образцов, в которых приближение слабого фазового объекта не выполняется. Последняя модель является более надежным вариантом, даже для более толстых образцов и/или материалов сВ последней версии ReciPro моделирование изображений HRTEM также реализовано с использованием той же теоретической структуры, что и функция динамического моделирования в Diffraction Simulator. Хорошо известно, что контрастность изображений HRTEM неkðjÞth g тыбðk;rÞ¼ Pй ПУх þ iU0 гхгде волна Блоха была расширена до базиса плоских волн в терминахи U0 - средний внутренний кристалл(коэффициент Фурье). Таким образом, общее решение волновойГраничное условие на входной поверхности кристаллического образца требует тангенциальных составляющих kvac и kðjÞðrÞ¼ PðjÞPkðjÞ¼ k0 ÞðjÞ þ í ðjÞn;где верхний индекс j обозначает j-ю волну Блоха, а ðjÞ— амплитудаVðrÞ¼2м UðrÞ¼2м ХИ þ iU0 гПодставляя уравнение (7) в уравнение (6), мы можем переписатьkðjÞth g ты 0 ¼Pg þ Qg þ iU0 0;где Pg = 2n ðk0 + gÞи Qg = g ð2k0 + gÞ. В геометрии дифракции электроновмал,поскольку этот член обычно очень мал по сравнению с k0 (Ким иШейнин, 1982), и поэтому уравнение (6) можно свести кUghCðjÞгðkðjÞÞ¼кулоновский потенциал и потенциал поглощения соответственно. ВВ динамической теории рассеяния электронов нам необходимо знать собственные волновые векторы kðjÞ, которые физически разрешены внутри кристалла, когда падающие электроны имеют определенную кинетическую энергию E в вакууме, связанную с ускоряющим напряжением электронного микроскопа. Отдельные собственные состояния (волны Блоха) могут быть получены путемhследующее:где kvac — волновой вектор падающих электронов в вакууме, удовлетворяющий соотношению E ¼ h2 k2 vac=2m. Подставляя уравнения (1) и (3) в уравнение (5), приходим к исходному уравнению метода волн Блоха (Бете, 1928),..дК; зÞ0Здесь матричные элементы fAgg;h = ½ðQg þ iU0 0Þ=Pgg;h + ½ðUghэто дельта Кронекера...þ iU0 ghÞ=Pgð1 g;hÞи функция.Кроме того, мы можем переписать это матричное уравнение какслучая, в котором мы разложили блоховскую волну на n плоских волновых компонент...1.где мы предполагаем, что положение глубины z = 0 указывает положение входной поверхности.Напротив, волновая функция прошедших электронов,волновую функцию падающих электронов можно переписать как

  

 

< Назад | Содержимое | Далее >