Oddělení strukturní analýzy

Oddělení strukturní analýzy se zabývá studiem struktur krystalických látek. Charakteristickým rysem těchto materiálů je pravidelné uspořádání atomů, tzv. translační periodicita, kterou můžeme nalézt v trojrozměrmém prostoru (klasická krystalografie), anebo ve vícerozměrném prostoru (krystalografie aperiodických struktur). Uspořádání atomů v obou druzích látek zkoumáme experimentálně pomocí difrakce rentgenového nebo elektronového záření a získaná data zpracováváme vlastním výpočetním systémem Jana, který je celosvětově uznávaným nástrojem pro výpočty komplikovaných krystalických struktur.

Vývoj programu Jana je naším nejdůležitějším teoretickým výstupem. Do programu postupně zahrnujeme všechny oblasti krystalografie s cílem vyvinout nakonec univerzální nástroj pro studium krystalických látek, od triviálních po velmi složité. Program umožňuje kombinovat difrakční data z různých zdrojů a slouží proto jako obecný výpočetní nástroj pro všechny námi užívané difrakční metody.

V experimentální oblasti klademe hlavní důraz na komplementaritu metod a vytváříme pracoviště schopné zkoumat velmi širokou škálu látek: monokrystaly pomocí klasické rengenové strukturní analýzy, práškové vzorky pomocí práškové difrakce a Rietveldova upřesňování a mikrovzorky pomocí precesní elektronové difrakce. Řadu komplikovaných látek nelze řešit jinak, než kombinací těchto metod. Jednotné výpočetní postupy založené na programu Jana jsou při kombinacích difrakčních metod neocenitenou výhodou.

Struktura látek ovlivňuje jejich elektronové a magnetické vlasnosti a ty lze měřit spektroskopickými metodami. Analýzou rentgenových spekter lze takto zpětně získat informace o struktuře, a to i v případech, kdy použití difrakčních metod je komplikované (skla, clustery, rozhraní). Důležitou součástí oddělení je proto teoretická skupina, která se kromě analýzy spektroskopických dat věnuje také kvantově mechanickým výpočtům totálních energií z prvních principů a studiu principů tvrdosti látek.

V oddělení dále funguje laboratoř elektronové mikroskopie, která poskytuje servis v oblasti kvantitativní a kvalitativní elementární analýzy a povrchové morfologie. Další ostatními pracovišti hojně využívanou servisní činností je orientace monokrystalů pomocí Laueho nebo precesní fotografické metody.

Tři základní difrakční metody znázorněné pomocí Ewaldovy koule a reciproké krystalové mřížky. K difrakci dochází tehdy, když bod mřížky padne na povrch Ewaldovy koule. (1) Difrakce na monokrystalu vyžaduje natáčení vzorku tak, aby co nejvíce bodů mřížky padlo na povrch Ewaldovy koule. (2) Difrakce na práškovém vzorku se obejde bez natáčení vzorku, protože každé zrno má svoji náhodně orientovanou krystalovou mřížku. (3) Elektronová difrakce vyžaduje natáčení vzorku. Ewaldova koule je velmi velká, protože vlnová délka elektronového záření je velmi malá, a proto může dojít k vícenásobné difrakci od mnoha bodů krystalové mřížky současně. K odstranění této vícenásobné difrakce se používá precesní pohyb dopadajícího elektronového paprsku. (4) Symbol programu Jana ve středu obrázku naznačuje, že tento výpočetní systém slouží k jednotnému zpracování všech uvedených druhů difrakčních dat.