VIETNAM ACADEMY  OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

MINISTRY OF EDUCATION  AND TRAINING

GRADUATE UNIVERSITY SCIENCE AND TECHNOLOGY -----------------------------

CU SY THANG

STUDY OF THE THERMODYNAMIC PARAMETERS AND

CUMULANTS OF SOME MATERIALS BY ANHARMONIC

XAFS METHOD

SUMMARY OF MATERIAL SCIENCE DOCTORAL THESIS

Ha Noi - 2020

VIETNAM ACADEMY  OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

MINISTRY OF EDUCATION  AND TRAINING

GRADUATE UNIVERSITY SCIENCE AND TECHNOLOGY -----------------------------

CU SY THANG

STUDY OF THE THERMODYNAMIC PARAMETERS

AND CUMULANTS OF SOME MATERIALS BY

ANHARMONIC XAFS METHOD

SUMMARY OF MATERIAL SCIENCE DOCTORAL THESIS

Major: Electronic material

Code: 9 44 01 23 Supervisor: Prof. Dr. Sc. Nguyen Van Hung Dr. Le Quang Huy

Ha Noi - 2020

INTRODUCTION

The  X-ray  Absorption  Fine  Structure  (XAFS)  spectroscopy

technique  is  a  modern  and  high  precision  method  to  be  used  in  the

structural determination of materials. In general, this method is used

to  fit  the  theoretical  and  experimental  spectra  to  extract  data  or

parameters from the XAFS spectra.

Anharmonic Correlated Einstein Model (ACEM) [9] is one of the

efficiency  theoretical  methods  [7]  used  to  study  thermodynamic

parameters  of  XAFS  spectra.  Anharmonic  effective  interaction

potential  in  ACEM  has  been  built.  In  which  Morse  potential  is

assumed to describe the single-pair atomic interaction. By using this

effective potential, the ACEM has not only overcome the limitations

of using single bond potential [8] but also simplified the many-body

system problem back to the simple one-dimensional system problem

with the contribution of many-body effects through consideration of

the interaction of neighboring atoms.

Many previous studies [10-25] showed that the numerical results

of  the  ACEM  were  good  agreement  with  the  experimental  data  as

well as those obtained values by other methods for several different

structural  materials,...  However,  most  of  the  studies  focused  on  the

thermodynamic  parameters,  especially  the  cumulants  of  the  XAFS

spectra  without  concerning  the  anharmonic  contribution  of  the

second  cumulant  as  well  as  the  anharmonic  contribution  to  XAFS

phase  and  amplitude  components.  Debye-Waller  factor  or  the

second-order  cumulant  is  an  important  thermodynamic  parameter

that  characterizes  the  decrease  XAFS  amplitude.  The  relationship

between  the  second-order  cumulant  and  other  thermodynamic

parameters and  XAFS phase and amplitude needs to be continuously

studied,  considered  in  more  detail  and  comprehension.  Therefore,  I

1

choose  the  research  topic:  "Study of thermodynamic parameters

and cumulants of some materials by anharmonic XAFS method".

1. Target of thesis

To develop a method that can  simplify the determination of  the

thermodynamic  parameters  and  XAFS  spectra  which  base  on  the

second-order  cumulant  only.  In  particular,  this  method  can  be

applied for  both theoretical  calculations  and  experimental

measurements in the XAFS method.

2. Subject and Scope of the thesis: Subject: - Thermodynamic parameters, XAFS cumulants, XAFS spectra, and

their Fourier transform magnitudes.

-  Materials:  Diamond  crystals    (Si,  Ge),  fcc  crystals  (Cu),  hcp

crystals (Zn).

Scope:

-  Models  and  theoretical  methods  of  XAFS:  focus  on  anharmonic

correlated  Einstein  model  using  anharmonic  effective  potential  in

which Morse potential  is assumed to  describe the singe-pair  atomic

interaction.

3. Study methods

Theoretical method:

- Using the anharmonic correlated Einstein model.

- Using the anharmonic effective interaction potential method.

Experimental method:  Study  on  documents,  the  configuration  of

XAFS  spectroscopy  experimental  station,  the  scanning  process  of

XAFS  spectra  as  well  as  data  processing  methods  at  Synchrotron

Light Research Institute - Thailand.

Numerical calculation Program and XAFS spectra data processing

and analysis software

- Using Matlab 2014 software, Demeter 9.0.25 software.

2

4. Main contents of the thesis

-  Study  and  establish the  expressions  of thermodynamic

parameters  and  the  Debye-Waller  factor  of  the  XAFS  spectra  of

materials depending on the temperature.

-  Study  and  establish  a  relationship  between  the  anharmonic

contribution  of  the  second-order  cumulant  and  the  Debye-Waller

factor of XAFS spectra of materials depending on temperature.

-  Study  and  establish  a  relationship  between  the  Debye-Waller

factor  and  anharmonic  contribution  of  the  XAFS  phase  and

amplitude of materials depending on temperature.

-  Analyze  and  evaluate  constructed  theoretical  calculations  as

well  as  evaluating  the  agreement  between  theoretical  results  and

obtained  experimental  values  from  Synchrotron  Light  Research

Institute  -  Thailand  and  other  theoretical  methods  or  measurements

for fcc (Cu) and hcp (Zn) structural materials.

CHAPTER 1. OVERVIEW OF XAFS DEBYE-WALLER

FACTOR

1.1. Fundamentals of XAFS

1.1.1. Simple physical description of XAFS

X-ray  absorption  fine  structure  is  the  final  state  of  interference

between  photoelectric  waves  emitted  from  absorption  atoms  and

scattering waves by neighboring atoms.

2

 2

k

2

R

/

 (

k

)

2  j

j

e

2 S N e 0

j

f k ( ) j

1.1.2. XAFS equation

(k)

kR

(k)

j

j

2

 sin 2 

 

kR

j

j

(1.14)

2

 w+i

2

2  j

1.1.3. XAFS Debye-Waller factor

e

ke

in  (1.14) have formed as is called XAFS - The factor  Debye-Waller factor [29].

3

1.1.4. XAFS cumulants

-    J.J.  Rehr  [28,29,31]  showed  that  XAFS  Debye-Waller  factor  is

2 (

)

n

)

ik r R 0 j

generally complex and has a natural cumulant expansion approach in

e

n ( 

]

  exp[

(2 ) ik n !

n

 1

term of Taylor series from the generalized cumulant expression [33]:                        (1.22)

T a( )

(

)

(1) T ( )

jr R

 r R 0 j

-  With  x= and lattice expansion

0 y  ; cumulants are written:

0

(1)

(1)

T ( )

(

)

  

R

y

r

 r R 0 j

j

j

R 0

(2)

2

2

Set y =x - a and

T ( )

2 

(T)

(

)

y

 r R 0 j

(3)

3

3

T ( )

(

)

y

 r R 0 j

(1.23)

1.2. XAFS Debye-Waller factor studies methods 1.2.1. Correlated Einstein Model [1]

(

)

j

2

ii

ii

 R

 R

T ( )

coth

2  j

   . ( ) i

        2

 2

 j M

i

 1  2    

j

i

   

   

   

. states  center  at  )j       E The correlated Einstein model is one of the ways of calculating or  fitting  XAFS  thermodynamic  parameter  values.  In  this  model,    the  vibrational  density  of  single  vibrational  frequency:  ( 1.2.2. Equation of motion method [3,38] (1.37)

    1.2.3. Statistical moment method [39-46] (1) a 

(T)

x

r

(T)

a

(0)

r 0

y (T) 0

2 

2

 u 0

2 u i

2 u 0

u u 0 i

   . R u i

 

 2  

(1.58)                   (1.59)

CHAPTER 2. ANHARMONIC CORRELATED EINSTEIN MODEL IN STUDY OF XAFS THERMODYNAMIC PARAMETERS 2.1. Effective potential in anharmonic correlated Einstein model     The generalized expression of anharmonic effective interaction  potential using in ACEM:

(x)

(x)

 E

  x R R 0 ij i

 

 M

 i a b j a b

,

,

i

   

  

(2.3)

4

Basing  on  the  quantum  statistical  perturbation  theory,  we  can

determine  Hamiltonian  of  the  system  and  can  extract  anharmonic

2

3

effective interaction potential expressions:

E

k a eff

k a 3

3

(2.6)   a ( )

1 2 (k

y

  (y) E

eff a

2 k 3 a ) y 3

k 3

2

(2.7)

(x)

a ( )

y ( )

 E

 E

k y eff

 E

1 2

(2.9)

)

 

)

 2 (r ij

r 0

(r ij

r 0

)

e 2

r ij(

2.2. Morse potential [53]

 D e

2

2   x

 x D ( )

3 3 x

)

Taylor series expansion in approximation up to the third order:

(2.13)    ( 1 Table 2.2.   Morse  parameters  of  copper  (Cu)  and  zinc  (Zn)  from  theoretical calculation.

Materials

D (eV)

c

r0(Å)

 (Å-1)

2.868  2.8669  2.793

0.3429  0.3364  0.1700

1.3588  1.5550  1.7054

Cu [20,60,61]  2  Cu [62]  2  Zn [20,15,17,22,23,59,63]  1/ 2   2.2.1. Applying Morse potential to calculate the thermodynamic parameters and effective interaction potential in anharmonic correlated Einstein model for fcc and hcp structural materials

Figure 2.3. Face centered  cubic Crystal [47] Figure 2.4. Hexagonal close- packed Crystal [47]

Derive  the  expression  of  effective  interaction  potential  which  is

used in the anharmonic correlated Einstein model, we can get:

(x)

 (x) 2 ( 

)

 E

x 2

x  ) 8 ( ) 8 (  4

x 4

(2.28)

5

k

5

 a

2 

2 

D

D

5

1

5

k

k

5

1

5

D

D

2 

2 

 a

eff

eff

9 10

eff 

2  D 

  

  

  

  

5

 

3 

D

k

k

D

3 

 

3

3

3 4

5 4

2 D  

  E k

 k

B

B

   E      E 

3 y ).

2 

(ay

y ( )

D

5

 ( ) 5 y

3 y )

(ay

2 

D

3 20

1 4

         E 

Derive  the  expressions  of  effective  local  force  constant,  cubic  anharmonic parameter as well as Einstein frequency and temperature  for fcc and hcp crystals:   3  2        E       (2.31);                             (2.32,2.34)                           (2.33)  2.2.2. Applying Morse potential to calculate thermodynamic parameters and interatomic effective potential in anharmonic correlated Einstein model for diamond structural materials

Figure 2.5. Diamond structural crystal [47]

 (x) 3

 (x) 3

(x)

x

x

x

x

 E

 M

 M

1 3

1 3

1 6

1 6

  3  

  3  

   

   

  

  

  

Derive  the  expression  of  interaction  effective  potential  which  is

used in the anharmonic correlated Einstein model, we can get:      (2.36)  Derive  the  expressions  of  effective  local  force  constant,  cubic

anharmonic parameter as well as Einstein frequency and temperature

2

D 2

2  D

2  D

k eff 

7 3

2 D  

7 35 3    a 12 6

7 3

5  a 2

7 3

  

  

 1  

  

D

3 

  E k

 k

7 3

2 D  

B

B

35 36

   E      E 

 effk      k  3

for fcc and hcp crystals:

(2.39); (2.40)

Morse parameters for Si[25,64]:

D=1.83 (eV); =1.56 (Å-1) và r0=2.34 (Å)

Morse parameters for Ge[25,64]:

D=1.63 (eV); =1.50 (Å-1) và r0=2.44 (Å)

6

x   

( )

ijk

 1

p

q

exp

a

,

a

r ij

r ij 

r ij 

r ij 

  ij

  

  

  

  

  

  

2.3. Stillinger-Weber potential [52,65] Wij (2.41)

   

   

   

0,

a

r ij

     

where the single-pair interaction potential component:   A B   

2

 1

 1

  ( exp

a

)

 (

a

)

cos

W ijk

r ij

r ik

 ij

k

 

 

1 3

  

  

(2.42) The three-body interaction potential component:

Parameters  for  Si[52,65]:  A=7.049556277;  B=0.6022245584;  p=4;

q=0; a=1.80; =21.0; =1.20; =2.0951Å; =50 kcal/mol.

Parameters  for  Ge[52]:  A=7.049556277;  B=0.6022245584;  p=4;

q=0; a=1.80; =31.0; =1.20; =2.181Å; =1.93 kcal/mol.  2.4. Calculating thermodynamic parameters by anharmonic correlated Einstein model 2.4.1. Calculating cumulants by anharmonic correlated Einstein

ˆ  a a

0 ˆ (

)

 0

 2  E      and   ˆ ˆa a

n

with model      Atomic vibration is quantized in terms of phonons, anharmonicity  is  the  result  of  phonon-phonon  interaction.  So  we  can  express  y  in  term of annihilation and creation operators [68]:  y

ˆ ˆ a a ,

1,

 ˆ a n

n

1

n

1 ,

ˆ a n

n

1

n

1 ,

 ˆ ˆ a a n

n n

 

  

The above operators have the following properties: (2.54)

m

m

y

Tr

 ( y ), m 1, 2,3,... 

Then  the  averaging  procedure  can  be  calculated  by  statistical  physics as [69]:

(2.55)

1 Z      Calculating (2.55) in cases of:  + m is even value:

m

  n E

y

Tr

m  ( y )

Tr

m y )

e

m n y n

 ( 0

  

1 Z

1 Z

1 Z

n

0

0

(2.59)

7

2

(2)

  n E

We can be received the second-order cumulant:

y

e

2 n y n

  

1 Z

n

0

(2.60)

 E n

'

 E n

e

m

y

n

n

'

m n y n

'

 E

+ m is odd value:

1 Z

n n ,

'

E n

 e  E n

'

0     We can receive the first and third-order cumulants.        Finally, we can receive expressions of cumulants for fcc (Cu) and

(2.64)

(1)

2

(1)

2

hcp (Zn) structural materials:

  a

)

  a

)

 ( 0

 ( 0

3 4

1 1

 

z z

1 1

 

z z

(2)

2

2

(2)

)

)

 ( 0

 ( 0

z ( (1

 

1) z )

 

1) z )

2

2

z

)

3(

z

)

(3)

(3)

4   ) ( 0 2

(1 10   z 2  ) z (1

9 20 z ( (1 4   ) 0 10

(1 10   z 2  ) z (1

            

            

fcc: hcp:

2

z

2

2

( (

) )

   0    0

(2.63, 2.73, 2.80)  2.4.2. Derive expressions of cumulants based on the second cumulant only in anharmonic correlated Einstein model.     From  the  expression  about  the  relationship  between  temperature  variable  z  and  mean  square  relative  displacement  given  by  Rabus  [8,9]:  2 , replace into (2.63,2.73,2.83)  we  can receive

(2)

(1)

(1)

2

(2)

  a

)

expressions  of  cumulants  based  on  the  Debye-Waller  factor  or  the  XAFS second cumulant only for fcc and hcp structural materials:

 ( 0

3 4

1 1

 

z z

 3 4

(2)

(2)

2

)

2 

 ( 0

(3)

z ( (1

 

1) z )

[3(

2 2 )

2((

2 2 ) ) ]

 0

2

 3 10

z

)

 9    20  2        

(3)

[3(

2 2 )

2((

2 2 ) ) ]

 0

4   ) ( 0 2

  (1 10 z 2  ) z (1

 2

            

2

(2.82)

)

 ( 0

  E 2 10  D

1

where

2

2

2

 ) 0 2 

 4 (   3 

  

(2.83) The relationship among cumulants is determined according to:    (1) 2   (3) 

8

2

) ( 0 2 

Formula (2.83) showed that the ratio among cumulants related only to  the second-order cumulant. This ratio is considered as the standard for the  XAFS theoretical studies method  regarding  physics [9]. We can see that   approaches  this ratio will approach the classical value of  ½  when

to 0 so that the classical limit is applicable.  2.4.3.  Calculating thermal expansion coefficient in anharmonic

correlated Einstein model

For fcc (Cu)  and hcp (Zn) structural material: The expression of

4

thermal expansion coefficient is derived base on Debye-Waller factor

)

 (

2 2 )

 ( 0

0   T

0   T

T

0    T

3  D 9 rk 4

D rk

 2 T

B

B

  

  

2

15 4     The relationship of cumulants and thermal expansion coefficient is    when TE means that  determined by (2.88). We see that

T r  .T (3) 

1 2

or the XAFS second cumulant such as:  3  with (2.87) and

2

2

1

from  temperature  TE,  anharmonic  effects  are  significant,  we  can  apply  the  classical  approximation,  and  when  T<E,  anharmonic  effects are insignificant, we must use quantum theory. In particular,  at temperature T=E/2, the ratio from (2.88) approaches the classical  value of 1/2, so when T<E/2 we must consider anharmonic effects.

 ) ( 0 2 

   

  

   

.

    2

2

2 r   .T T (3) 

1 5 . 2

2 2  D k T B

1

 ) 0 2 

  

 2 (   3 

   

(2.88)

    2.4.4. Evaluation of the calculated XAFS second cumulant results using Morse and Stillinger-Weber potential in the anharmonic correlated Einstein model for diamond structure semiconductor materials  Applying the anharmonic correlated Einstein model using Morse



D

2 

(ay

3 y )

E y ( )

5 12

7 3

potential:   From (2.39,2.40), replace into (2.7) we can receive:

9

(1)

2

(2)

  a

)

 ( 0

5 4

1 1

 

z z

 5 4

(2)

2

2 

)

 ( 0

 

1) z )

2

5(

z

)

(3)

[3(

2 2 )

2((

2 2 ) ) ]

 0

z ( (1 4   ) 0 6

(1 10   z 2  ) z (1

 5 6

            

Replace  above  expression  into  (2.59)  and  (2.64)  we  can   determine expressions of cumulants for diamond structural materials:

(2.89)

2

)

 ( 0

 3  E 2  D 14

where:

4

 (

2 2 )

)

 ( 0

0    T

T

0   T

 2 T

35 12

3  D rk

  

B

     với

+ The expression of thermal expansion coefficient:

(2.90)

25

+ The expression of anharmonic factor:

T ( )

2 

(T)[3

2 

(T)(3

2 

(T)]

 5 R 4

 5 R 4

2  24

(2.91)

+ The expression of anharmonic contribution:

(T)

(T)

2 

(T )]= (T)[

(T)

]

2  A

2   (T)[ H

2   H

0

2  0

(2.92)

+  The  expression  of  anharmonic  contributions  to  XAFS  spectra

2

k

(

T

)

2 A

)

 2 e

AF k T ( ,

phase shift and amplitude:

3

(3)

(2.93)

)

2 [

k R

  

2 

(T)(

)]

k

(T)

A k T ( ,

1 R

1 

4 3

(2.94)

 Applying the anharmonic correlated Einstein model and the

statistical moment method using Stillinger-Weber potential:

10

2.6.

Temperature

2.7.

Temperature

Figure dependence  of

the  second-order

the  second-order

cumulant  using  Stillinger-Weber

cumulant  using  Stillinger-Weber

potential  in  the  statistical  moment

potential  in  the  statistical  moment

method for Si.

method for Ge.

Figure dependence  of

Figures  2.6  and  2.7  show  a  good  agreement  of  the  statistical  moment method using in the calculation the XAFS second cumulant  values for Si and Ge diamond semiconductors, respectively. For Si,  the  results  were  compared  with  the  obtained  values  given  by  M.  Benfatto in the article [70] at 80 K, 300 K, and 500 K. For Ge, the  results  have  an  agreement  with  experimental  values  given  by  A.E.  Stern  in  [71]  at  300  K,  G.  Dalba  in  [72]  at  some  temperatures  and  with  theoretical  calculation  results  given  by  J.J.  Rehr  in  the  article  [4]  when  using  the  LDA  method  at  300  K.  Moreover,  the  obtained  results are consistent with experimental results of A.Yoshiasa in [73]  in  some  specific  temperatures,  even  the  results  are  calculated  from  the GGA and hGGA methods given by J.J.Rehr at 300 K [4]. These  results published in the article [19].

Numerical  results  of  the  second-order  cumulant  using  Morse  and  Stillinger-Weber  potential  for  Si  and  Ge  crystals  by  the  anharmonic  correlated  Einstein  model  were  evaluated  and  compared  in  the  article  [18,24,25].    The  anharmonic  correlated  Einstein  model  using  two

potentials  is  consistent  with  experimental  values  as  well  as  those  obtained  from  other  methods.  Therefore,  the  anharmonic  correlated

11

Einstein model can be applied to diamond semiconductors using Morse  and Stillinger-Weber potential.

2.5. Quantum effects in low temperature limit and classical

approximation in high temperature

The  obtained  thermodynamic  parameter  formulas  from  quantum

theory  can  be  applied  at  all  temperature  values.  At  the  high-

temperatures, the formulas include the results  of  classical

approximation theory. At the low-temperature limit, quantum effects

express through contributions of zero-point energy.

(1)

/ k

a 

(1)  

(1 2 )z

 k k T 33 B

eff

0

/ k

2  

k T B

eff

0 (1 2 )z

(2)

2 ) / k

 k k T 36 (

B

3 eff

(3)  

(1 12 )z

(3)

0

r

k 33 / k B

0 

2 z (ln ) (1 2 )

z

T

T z

2

2

2

(1) 2   (3) 

3(1 2 )  z  z 2(1 12 )

3 2

(1) (1 2 )    z 0 0 (3)   z (1 12 ) 0

1 2

2

z 3 ln

   0

(3)

1 2

.TT r  

2   .T T r (3) 

1 z

T0 T Thermodynamic Quantity

ANHARMONIC STUDY ON IN

CHAPTER 3. EXPERIMENTAL MEASUREMENT AND CORRELATED APPLICATION OF EINSTEIN MODEL XAFS THERMODYNAMIC PARAMETERS FOR HCP AND FCC STRUCTURE MATERIALS. 3.1. Synchrotron facility and XAFS spectra experimental station

The  preparation for  experimental  samples  depending  on

temperature:

12

Figure 3.5. Experimental station  Beamline 8. SLRI Figure 3.7. Experimental  XAFS measurement  depending on temperature

3.2. Experimental measurements results of the Debye-Waller factors for hcp structure material.

Experimental values are shown in figure 3.12 and table 3.1.

Figure 3.12. XAFS spectrum and Fourier transform magnitudes of

Zn at 300 K, 400 K, 500 K, and 600 K

(1)(Å)

(1)(Å)

2(Å)

2(Å)

2(Å)

(3)(Å)

(3)(Å)

T  (10-5/K)

T  (10-5/K)

T(K)

LT

TN

LT

MHĐH

TN

LT

TN

LT

TN

0.0139

0.0143

0.0110

0.0109

0.0113

0.0003

0.0003

1.555

1.582

300

0.0182

0.0189

0.0146

0.0143

0.0149

0.0005

0.0006

1.582

.618

400

0.022

0.0232

0.0182

0.0177

0.0185

0.0008

0.0009

1.595

1.599

500

0.0270

0.0279

0.0219

0.0211

0.0223

0.0011

0.0012

1.602

1.630

600

Table 3.1. The  value  of  cumulants  and  thermal  expansion  coefficients  of  Zn:  Theoreratical  calculation  (LT)  and  experimental  value (TN) at temperatures. Symbol: MHĐH – Harmonic model

13

3.3. Determining thermodynamic parameters of XAFS from the

experimental values of the Debye-Waller factor or the second-

order cumulant by anharmonic correlated Einstein model for

hcp structure materials.

Figure 3.14. Temperature dependence of the first cumulant, total and

the harmonic second cumulant and experimental values

From  the  illustration  in  figure  3.14b,  anharmonic  correlated

Einstein model, and the harmonic correlated model [82] have certain

deviations for the second-order cumulant  or  Debye-Waller factor in

the high-temperature range. ACEM is more suitable for experimental

values than the harmonic correlated model. Note that the data of the

first-order  cumulant  is  derived  from  the  experimental  value  of  the

second-order cumulant.

Figure 3.15. Temperature dependence of the third cumulant and

thermal expansion coefficient of Zn calculated from cumulant

experimental values.

14

Figure 3.16. Temperature dependence of cumulants ratio, the ratio

between thermal expansion coefficient and cumulants of Zn.

Similar to the first -order cumulant, we are also able to determine

the  third-order  cumulant  and  thermal  expansion  coefficient  of  zinc

(Zn)  at  300  K,  400  K,  500  K,  and  600  K.  Figure  3.15a  and  3.15b

showed the results derived from experimental measurements are very

agreement  with  the  calculations  from  the  theoretical  model.  To

assess  the  validity  of  the  theoretical  model,  we  can  also  check  by

establishing  the  ratio  among  cumulants  according  to  the  expression

(2.83) and ratio among thermal expansion coefficient and cumulants

according  to  the  expression  (2.88).  Figure  3.16  showed  the  above

relationships.  From  figure  3.16,  the  values  are  derived  from

experimental  values  that  make  these  ratios  reach  the  value  of  ½.

These ratios are used as the standard method for assessing cumulant

studies [9,56,81,83], as well as for determining temperature when the

classical  limit  can  be  applied  [9].  The  theoretical  results  and  the

results  of these  ratios  showed that  hcp  structure  materials,

specifically Zn, we can use classical correlation Einstein model when

the temperature is higher than Einstein temperature (E = 206 K).   3.4. Experimental results of XAFS Debye-Waller factors for fcc structure material

15

Figure 3.17. XAFS spectrum and Fourier transform magnitudes of Cu at

300 K, 400 K, 500 K

temperatures

Figure 3.18. The process of fitting the XAFS spectrum of Cu at

XAFS spectrum at temperature values after merging are fitted to  the theoretical spectra by using Artemis software. The R, k variables  are in R space [1-3 Å] or k space [3.00-14.023 Å-1] run to the optimal  value between theoretical spectra and experimental spectra.  3.5. Determining thermodynamic parameters of XAFS from experimental values of the Debye-Waller factor or the second- order cumulant by anharmonic correlated Einstein model for fcc (Cu) structure material

Figure 3.19. Temperature dependence of the first cumulant, total and  harmonic second cumulant and the experimental values.

Anharmonic  correlated  Einstein  model  and  harmonic  correlated

Einstein  model  [81]  have  certain  deviations  for  the  second-order

16

cumulant or Debye-Waller factor in high-temperature range (Figure

3.19). The results showed that anharmonic correlated Einstein model

is well suited to experimental values as well as obtained results of S.

a Beccara, et al. [82] for the first-order cumulant and V. Pirog, et al.

[58]  for  the  second-order  cumulant.  Note  that, the  data  of  the  first-

order  cumulants  are  derived  from  the  experimental  second-order

cumulants values.

Figure 3.20. Temperature dependence of the third-cumulant and  thermal expansion coefficient of Cu calculated from experimental  cumulant values  Similar to the first-order cumulant, we can also identify the third- order cumulant and thermal expansion coefficient of copper (Cu) at  300 K, 400 K, 500 K. Figure 3.20 showed the results  derived from  experiment values were very consistent with the obtained data of V.  Pirog,  et  al  [58]  and  T.  Yokoyama,  et  al  [88]  for  the  third-order  cumulant. Figure 3.20b indicated agreement among calculated results  from  the  present  method  and  the  experimental  results  and  obtained  results  from  other  documents  [89]  for  the  thermal  expansion  coefficient.  To  evaluate  the  validity  of  the  theoretical  model,  we  verified  by  establishing  the  ratio  among  cumulants  according  to  expression  (2.83)  and  the  ratio  among  the  thermal  expansion  coefficient and cumulants according to the expression (2.88). Figure  3.21 showed these relationships.

17

Figure 3.21. Temperature dependence of cumulants ratio, ratio  between thermal expansion coefficient and cumulants of Cu

The  values  extracted  from  experiments  make  these  ratios

approach the value of ½ (Figure 3.21).  These ratios are used as the

standard method for assessing cumulant studies [9, 81, 90], as well as

for determining temperatures at which classical limits can be applied

[9]. The theoretical results and the results of these ratios showed that

hcp  structure  materials,  specifically  Cu,  we  can  use  classical

correlation  Einstein  model  [9,81]  when  the  temperature  is  higher

than Einstein temperature (E = 218 K).   CHAPTER 4. ANHARMONIC CORRELATED EINSTEIN MODEL IN STUDY OF XAFS PHASE AND AMPLITUDE CONTRIBUTION OF HCP AND FCC STRUCTURE MATERIALS

4.1. Overview of anharmonic XAFS spectra

The  anharmonic  XAFS  function is  represented  by  cumulant

n

2 R  (k)

(k)

i

n ( )

expansion approach [21,60,90,91]:

k ( )

F k ( )

Im

exp 2

ikR

2

(4.1)

(2 ) ik n !

e kR

n

  

  

  e   

    

2  i 4

(1)

3

4

W( ,

k T

)

2

ki

 (T) 2

k

2 2 

T ( )

ik

3 

(T)

k

4 

(T)

...

1

(T) k R

R  (k)

4 3

2 3

  

3

(3)

XAFS amplitude expression [9,90-92]: (4.2)

)

k T ( ,

)

)

2 [

k R

  

2 

(T)(

)]

k

(T)

A k T ( ,

k T ( , 0

   1 R

1 

4 3

(4.3)

18

2 

(T)

2 

(T)

2 

(T ) 0

Với (4.4)

4.2. XAFS Debye-Waller factor with contribution anharmonic.

In the high-temperature range, the Debye-Waller factor includes 2

(T)

(T)

(T)

2 

2  H

2  A

(4.5) components: a harmonic and anharmonic contribution component.   

(T)

2 

(T )]= (T)[

(T)

]

2   (T)[ H

2   H

0

2  0

(T)

(T)

2 

(T)

  (1

(T)

]

2  (T)  A Replace (4.5) into (4.4) we receive:  2      ] 0

2   (T)[ H

2  H

2 0

2   (T)[ H

2  0

where (4.6)

With  (T)  is  called  the  anharmonic  factor  of  the  XAFS  second

(T)

 

 2 G

 G

 V V

ln   ln

 E V

cumulant which depending on temperature and Grüneisen parameter.

với

4.2.1. Determination of Grüneisen parameter G

From (2.32, 2.34)  we can determine lnE/T

 (

R

2 

)

(4.9) and lnV/T (4.10). Therefore, we can determine:

 

 G

ln   ln

 E V

4(1

2 2 

)

3 4 9 8

(4.11)

4.2.2. Determination of anharmonic factor (T)     Determine the change in volume due to thermal expansion V/V  and from (4.12) we can determine:

T ( )

2 

(T)[1

2 

(T)(1

2 

(T)]

 3 R 4

 4 R

2  9 8

(4.14)

4.5. XAFS spectra with contribution anharmonic components

The Debye-Waller factor includes two components as expression

(4.5).  To  accurately  describe  the  actual  spectra  so  that  the  XAFS

phase  and  amplitude  in  (1.14)  need  to  be  added  to  the  anharmonic

factors.  In  detail,  the  phase  component  is  added  to  the  anharmonic

k

(

T

)

2 2 A

factor:

 2 e

AF k T ( ,

)

19

3

(3)

The amplitude component is added to the anharmonic factor:

)

2 [

k R

  

2 

(T)(

)]

k

(T)

A k T ( ,

1 R

1 

4 3

(4.16)

2

2

k

2

R

/

 (

k

)

j

2  j

j

(k)

( )

( ,

e

kR

(k)

 

(k, T)

f k F k T e ) j A

j

A

j

 sin 2 

 

2 S N 0 2 kR

j

j

Then, the generalized expression of XAFS become to: (1.17)

4.6. XAFS anharmonic phase and amplitude components for HCP (Zn) structure material The  anharmonic  XAFS  components  increased  with  increasing temperature and k-wavenumber values (Figure 4.1).

Figure 4.1. Temperature dependence of anharmonic amplitude and  phase components with the k-wave number of XAFS spectra for hcp  (Zn) structural material. These  components (phase and amplitude)  contribute

to  anharmonic  XAFS  spectra  show  in  figure  4.2  in  both  of  the  theoretical calculations by the anharmonic correlated Einstein model  and experimental values.

Figure 4.2. Theoretical and experimental XAFS spectra with hcp  structure material (Zn) at temperatures.

20

(Zn) hcp

Figure 4.3. Comparison  of  Fourier  transform  magnitudes  theoretical  spectra  with  of  results  experimental  XAFS  for  structural  material at temperatures.

(T)

Figure 4.3 showed an agreement between the theoretical results of  the  model  with  obtained  Fourier  transform  magnitudes  from  experimental  measurements.  In  addition,  we  can  see  that  the  magnitude  of  spectra  decreases  with  the  increasing  temperature  gradually. Note that the anharmonic contribution components to the  XAFS  phase  and  amplitude  are  calculated  base  on  second-order  cumulant  only.  Moreover,  by  using  anharmonic  correlated  Einstein  model,  we  can  reconstruct  XAFS spectra  and the  Fourier  transform  magnitudes  from  the  obtained  experimental  second-order  cumulant  values. This study has shown that the obtained experimental results  are consistent with theoretical calculations at a temperature of 300 K,  400 K, 500 K, and 600 K for Zn.   4.7. Anharmonic contribution of XAFS phase and amplitude for FCC (Cu) structural material 4.7.1. Anharmonic contribution to the second-order cumulant and anharmonic factor

Figure 4.4. Temperature dependence of anharmonic contribution to  the second-order cumulant and anharmonic factor (T) of fcc (Cu)  structural material.

21

Figure 4.4a and 4.4b showed an agreement between the calculated

results  from  the  present  method  and  experimental  values  for

anharmonic  contribution to the  second-order  cumulant  and

anharmonic factor (T), respectively. These experimental values are

extracted  from  the  experimental  second-order  cumulant  results.

Anharmonic factor (T) is a new factor given by Nguyen Van Hung,

et  al.  in  the  article  [21].  In  addition,  the  above  anharmonic

contribution  is  difficult  to  measure  directly.  So  when  using

anharmonic  correlated  Einstein  model,  we  can  calculate  and

represent  these  anharmonic components that depending temperature

based  on  theoretical  calculations  or  experimental  measurement

values of the second-order cumulant.  4.7.2. Anharmonic contribution to XAFS phase and amplitude

For  anharmonic  contribution  to  XAFS  spectra,  indicated  in  the

figure (4.3). We can describe two components including anharmonic

)

(k, T)

A k T and  phase  shift

A

of  XAFS contribution  to  amplitude F ( ,

spectra in expressions (4.16) and (4.17).

amplitude and phase with k - wave number for fcc (Cu) structure material. Anharmonic  contribution  to  the  XAFS  spectra  increases  with  increasing  temperature  and  value  of  k-wavenumber  (Figure  4.5).  These  components  contribute  to  anharmonic  of  XAFS  spectra  presented in figure 4.6 regarding on theory of anharmonic correlated

Figure 4.5. Temperature dependence of anharmonic contribution to

22

Einstein model as well as experimental results. Figure 4.7 illustrates  a good agreement of the theoretically calculated results and obtained  spectra  from  measurements  through  Fourier  transform  magnitudes.  Besides, figure 4.7 also shows that peak heights decreased and their  shifts moved to the left when the temperature increased.

Figure 4.6. Theoretical and experimental XAFS spectra of fcc (Cu)  structure material at temperatures.

(Zn) hcp

Figure 4.7.  Comparison  of  Fourier  transform  magnitudes  of  the theoretical spectra with  results  experimental  XAFS  for  structural  material at temperatures.

Here, we note that the anharmonic contribution of XAFS phases  and  amplitudes  are  calculated  base  on  the  second-order  cumulant  only.  Furthermore,  by  using  anharmonic  correlated  Einstein  model,  we  can  reproduce  XAFS  spectra  and  transform  their  Fourier  the  obtained  experimental  second-order  magnitudes  base  on  cumulant  values.  This  study  showed  that  the  obtained  experimental  results are consistent with calculations from the theoretical model at  temperatures of 300 K, 400 K, and 500 K for Cu.

23

CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

This thesis  contributed  an  advanced to

theory  and  experiment in  both the  progress  of  complement and upgrading of anharmonic correlated Einstein model  a  well-applied  for  XAFS  spectroscopy. This thesis consisted of the following key findings:

1.  Using  calculated  Morse  potential  parameters  from  theory  to  determine  effective  interacted  potential  in  anharmonic  correlated  Einstein  model.  In  this  study,  Stillinger-Weber  potential  was  used  additionally for diamond structure materials (Si, Ge).

2.  This  thesis  described  a  procedure  known  as  an  advanced  method  that  can  simplify  the  calculations  for  thermodynamic  parameters,  XAFS  spectra,  and  their  Fourier  transform  magnitudes  only through the second-order cumulant. In particular, this advanced  anharmonic correlated Einstein  model can  apply in  both theory and  experiment in the XAFS field.

3.  The  advanced  anharmonic  correlated  Einstein  model  was  applied to derive, calculate and evaluate parameters of XAFS such as  cumulants, thermal  expansion  coefficients  T,  XAFS  spectrum,  and  transform  magnitudes,  anharmonic  factor  (T),  their  Fourier  anharmonic  contribution  to  the  second-order  cumulant,  Grüneisen  parameter,  the  ratio  among  cumulants  as  well  as  ratio  among  coefficient of thermal expansion and cumulants.

4. Measurements of second-order cumulant for fcc (Cu) and hcp  (Zn)  structure  material  were  conducted.  The  obtained  experimental  results were evaluated and compared with theoretical values as well  as results from other methods.

5.  The  calculated  theoretical  results  obtained  by  using  the  advanced method were appropriate to experimental values and those  obtained  from  other  measurements.  The  contents  of  this  study  published through five scientific articles in which three ones belong  to SCI journals.

24

LIST OF WORKS PUBLISHED

1. Nguyen Van Hung, Cu Sy Thang, Nguyen Cong Toan, Ho Khac  Hieu  (2014),  Temperature  dependence  of  Debye-Waller  factors  of semiconductors, J. Vacuum, (101), pp 63-66.

2.  Nguyen  Van  Hung,  Cu Sy Thang,  Nguyen  Ba  Duc,  Dinh  Quoc  Vuong (2017), Advances in theoretical  and experimental XAFS  studies  of  thermodynamic  properties,  anharmonic  effects  and  structural  determination  of  fcc  crystals,  The  European  physical  Journal B, 90:256.

3.  Nguyen  Van  Hung,  Cu Sy Thang,  Nguyen  Ba  Duc,  Dinh  Quoc  Vuong,  Tong  Sy  Tien  (2017),  Temperature  dependence  of  theoretical  and  experimental  Debye-Waller  factor,  thermal  expansion and XAFS of metallic Zinc, Physica B, 521, pp 198- 203.

4. Cu Sy Thang,  Nguyen  Van  Hung,  Nguyen  Bao  Trung,  Nguyen  Cong  Toan  (2018).  A  Method  for  theoretical  and  experimental  studies  of  thermodynamic  parameters  and  XAFS  of  HCP  crystals,  application  to  metallic  Zinc.  Proceeding  of  The  5th  Academic  conference  on  natural  science  for  young  scientists,  master  and  Ph.D.  students  from  Asian  Countries(4-7  October  2017, Da lat, Viet Nam). ISBN: 978-604-913-714-3, pp 58-65.  5.  Nguyen  Van  Hung,  Cu Sy Thang,  Nguyen  Bao  Trung,  Nguyen  Cong  Toan  (2018).  Theoretical  and  Experimental  studies  of  Debye-Waller factors and XAFS of FCC crystals. Proceeding of  Advances in  Applied and Engineering Physics-CAEP V. ISBN:  978-604-913-232-2, pp 47-55.