13-BM-C-Strahlrohr an der Einkristall-Röntgenbeugungsexperimente mit einer Diamantstempelzelle aus GSECARS an der Advanced Photon Source In diesem Bericht beschreiben wir detaillierte Verfahren für die Durchführung. ATREX und RSV-Programme werden verwendet, um die Daten zu analysieren.
In diesem Bericht beschreiben wir detaillierte Verfahren für Einkristall-Röntgenbeugungsexperimente mit einer Diamantstempelzelle (DAC) am GSECARS 13-BM-C-Strahlrohr an der Advanced Photon Source Durchführung. Der DAC-Programm bei 13-BM-C ist Teil der Partnerschaft für den Extreme Xtallography (PX ^ 2) Projekt. BX-90 Typ DACs mit konisch-Diamant Ambosse und Trägerplatten sind für diese Experimente empfohlen. Die Probenkammer sollte mit Edelgas geladen werden, um eine hydrostatische Druckumgebung aufrecht zu erhalten. Die Probe wird auf das Rotationszentrum des Beugungs Goniometer ausgerichtet sind. Der MarCCD Flächendetektor ist mit einem Pulverbeugungsmuster kalibriert von LaB 6. Die Probenbeugungspeaks sind mit dem ATREX Software-Programm analysiert und werden dann mit dem RSV-Software-Programm indiziert. RSV wird verwendet, um die UB-Matrix des Einkristall zu verfeinern, und mit dieser Information und der Peak-Vorhersage-Funktion, kann mehr Beugungspeaks befinden. VertreterEinkristall – Beugungsdaten von einem Omphacit (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 Probe gesammelt wurden. Analyse der Daten bei 0,35 GPa einer monoklinen Gitter mit P2 / n Raumgruppe gab, und die Gitterparameter wurden festgestellt: a = 9,496 ± 0,006 Å, b = 8,761 ± 0,004 Å, c = 5,248 ± 0,001 Å, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90º.
Einkristall-Röntgenbeugung ist eine der effizientesten und gut etablierte Möglichkeiten, um die chemische Zusammensetzung und Struktur eines kristallinen Materials bei unterschiedlichen Versuchsbedingungen zu bestimmen. Vor kurzem gab es in der Hochdruck Einkristalldiffraktometrie eine Reihe 1-5 von Entwicklungen. Der Druck ist einer der wichtigsten Faktoren, die das Verhalten und die Eigenschaften der Erde und Planeten-Materialien beeinflussen. Hochdruck-Experimente zeigen regelmäßig neue Polymorphe von gängigen Materialien und Möglichkeiten entdecken, um Chemikalien synthetisieren, die unmöglich sind bei Umgebungsbedingungen zu machen. In jüngster Zeit wurden mehrere neue Silikat Polymorphe wurden mit Hochdruck – Einkristall Beugung identifiziert, die in den Eigenschaften der Erdmantel neue Erkenntnisse liefern 6-8.
Verschieden von Einkristall-Beugungs bei Atmosphärendruck, Hochdruck-Einkristall Beugungs einen Druckbehälter erfordert, zu erzeugen, undDruck halten während der Datenerfassung. Die häufigste Druckbehälter in Hochdruck-Einkristall Beugungs verwendet ist der Diamantstempelzelle (DAC), der aus einem Paar von Diamant Ambosse miteinander durch einen Metallrahmen / Metalldichtung gehalten zusammengesetzt ist, und ein Druckübertragungsmedium, das einen hydrostatischen bereitzustellen Umgebung in der Probenkammer 4,9-11. Einkristalldiffraktometrie einer Diamantstempelzelle unterscheidet sich von Beugung bei Umgebungsbedingungen in mehreren wichtigen Punkten. Zuerst wird die Abdeckung der reziproken Raum erheblich aufgrund der begrenzten Röntgenwinkel Zugang durch den Körper des DAC und den Stützplatten reduziert. Zweitens ist die winkelabhängige Absorption von Röntgenstrahlen durch die Rauten und Trägerplatten müssen die Beugungssignal zu korrigieren, so dass eine genaue Strukturfaktoren berechnet, ermittelt und verwendet werden. Drittens, jede Überlappung der Beugungssignal der Probe mit Streuung oder Beugung von den DAC-Komponenten, wie beispielsweise Diamanten, Dichtung und Druck transmitting Medium, müssen beseitigt werden. Viertens, im DAC zum Zentrum des Goniometers der Probe Ausrichten ist schwierig. Die Richtung senkrecht zur Lastachse des DAC wird immer durch die Dichtung blockiert und ist nicht zugänglich, entweder mit dem optischen Mikroskop oder dem Röntgenstrahl. In axialer Richtung kann das optische Mikroskop sichtbar nur ein verschobenes Bild der Probe aufgrund des hohen Brechungsindex des Diamanten. Diese Unterschiede erfordern die Erfindung von neuen Hochdruck-Einkristall-Beugungsmessverfahren.
Die Partnerschaft für den Extreme Xtallography (PX ^ 2) Projekt ist ein neues Hochdruck Einkristalldiffraktometrie mit DACs gewidmet Forschungsinitiative. Das Projekt auf den GeoSoilEnviroCARS gehostet wird Versuchsstation 13-BM-C an der APS, die den größten Teil der Infrastruktur , einschließlich Detektoren bietet, fokussiert Röntgenstrahlen und einem 6-Kreis schwere Diffraktometer 12,13 für eine Vielzahl von fortgeschrittenen Kristallographie Experime optimiertnts. Das Diffraktometer hat sechs Drehfreiheitsgraden, vier Abtast- Orientieren (μ, η, χ und φ) und zwei Detektor-Ausrichtvorrichtung (δ und υ). Die Winkel Konventionen von 13 Sie werden verwendet , um die Bewegung der Probe und dem Detektor zu beschreiben, obwohl der η, χ und φ Bewegungen pseudo-Winkel sind von der Geometrie kappa realen Motoren des Instruments abgeleitet. Die experimentellen Verfahren wurden für die Hochdruck-Einkristall Beugungs mit DACs und eine Reihe von Datenverarbeitung und -analyse-Software-Pakete optimiert wurde entwickelt. In diesem Manuskript präsentieren wir ein detailliertes Protokoll für eine typische Hochdruck – Einzelbeugungsexperiment Kristall der BX-90 Typ DAC 9 als Führung bei PX ^ 2 zu sammeln und zu analysieren , Daten.
In diesem Bericht zeigen wir die Einzelheiten des Verfahrens für Einkristall-Beugungsexperimente mit DACs am GSECARS 13-BM-C-Strahlrohr durchgeführt wird. BX-90 Typ DACs mit BA-Diamant Ambosse und Trägerplatten sind für Einkristall – Beugungsexperimenten 2,9,15 empfohlen. Der Vorteil der BX-90 Typ DAC ist seinem breiteren Winkel Zugang im Vergleich zu den herkömmlichen symmetrischen DACs, die 9,15 für eine effektive Abtastung vieler Beugungspeaks bietet. Die breite Winkel Zugriff kritisch wird für Proben mit niedrigerer Symmetrie und mit kleineren Einheitszellen: die erstere Beugungspeaks erfordern , um die Gitterparameter genau zu beschränken, und diese geben weniger Beugungspeaks innerhalb der gegebenen Winkel Zugang 2. Je mehr Winkel Zugang gelangt man in das Experiment, desto genauer Atompositionsparameter misst man 2,4. Eingeschränkte Winkel Zugang kann in einem zweidimensionalen reziproken Vektordatensatz, mak führening zuverlässige Interpretation der Daten mathematisch unmöglich 2.
Ein wichtiger, aber oft übersehen Schritt ist geeignet Druckübertragungsmedium zu wählen. Obwohl Druckmedien wie Argon, Silikonöl oder Methanol-Ethanol-Wasser – Lösung in früheren Einkristall Beugungsexperimenten verwendet wurden das hat nicht mehr als 10 GPa 21-23, diese Druckmedien deutlich nonhydrostatic werden zwischen 5-10 GPa 22 und stark reduzieren die Qualität des Kristalls während der Kompression 2,22. Unsere allgemeine Erfahrung ist, dass nur er und Ne Ergebnis in hoher Qualität Experimente bis zu 50 GPa (zB verweist 6,7). An den APS können diese Gase bequem mit der Verwendung von GSECARS / Compres Gasladevorrichtung 14 geladen DACs werden. Wenn er oder Ne als Druckmedium gewählt wird, schrumpft die Probenkammer während der Gasbelastung (Abbildung 2). Sobald die Probe direkt auf die Dichtung berührt,es bricht leicht während der Kompression. So ist es wichtig, eine ausreichend große Probenkammer zu bohren, dessen Durchmesser wenigstens 2/3 des culet Durchmesser, um den Kontakt zwischen der Probe zu vermeiden und die Dichtung nach der Gasbeladung.
Die Synchrotron-monochromatische Einkristalldiffraktometrie Setup bei PX ^ 2 ist einzigartig. Im Vergleich zu den Labor Diffraktometer liefert die Synchrotron-Röntgenquelle , die einen viel höheren Fluß (> 10 4) 4,27,28, die deutlich das Verhältnis Signal-zu-Rauschen verbessert und verringert die Datenerfassungszeit 4,27,28. Synchrotron basierte Pulverbeugung ist auch häufig verwendet , 4 , um die Struktur von Materialien bei hohen Drücken durch die Rietveld – Ansatz zu bestimmen. Einkristalldiffraktometrie hat Vorteile gegenüber dem Rietveld – Ansatz, weil es den Einbau von Gitterparameter und Strukturparameter 2,4 abkoppelt. Pulverbeugung mit Rietveld in der Regel passend erfordert passend sowohl lat Tice Parameter und Strukturparameter zur selben Zeit, während die Anzahl der unabhängigen Beobachtungen 4 typischerweise viel niedriger als in Einkristall – Beugungs ist. Ein weiteres gemeinsames Strukturbestimmungsmethode ist Laue – Beugungs, die mit einem Flächendetektor 4 polychromatischer Strahlung verwendet. Im Vergleich zu monochromen Datenerfassung bei PX ^ 2, erfordert die Reduktion von Laue – Verfahren Daten zusätzliche Bedingungen einschließlich harmonischen Entfaltung und Intensität Normalisierung, die 4,24 zusätzliche Schwierigkeiten bei der Datenanalyse erstellt. Einfarbige Einkristalldiffraktometrie ist eine einfache Möglichkeit, Strukturen zu lösen, aber es hat seine eigenen Grenzen. Ein idealer Datensatz von monochromen Einkristalldiffraktometrie erfordert einen Defekt losen Kristall mit einer Größe von zehn um, und die Kristallqualität muss bei hohen Drücken zu erhalten. Diese Anforderungen kann schwierig sein , für einige nicht-quenchable Mineralien gerecht zu werden, wie bridgmanite 25.
Inhalt "> Zeit Einkristalldiffraktometrie ist aufgelöst Lage ist , die transiente metastabilen Zuständen und Transformationskinetik während druckinduzierte strukturelle Übergänge erfassen, und ist einer der zukünftigen Forschungsrichtungen für PX ^ 2 26. Die quantitative Charakterisierung von Defekten und Gitterdynamik, basierend auf einer Analyse von Röntgen diffuse Streuung bei hohen Drücken ist auch in der Entwicklung bei der PX ^ 2 26. Eine kompakte optische Plattform für Laserheizte Hochdruck Einkristalldiffraktometrie gebaut wird, und die Erde-science – Community zu studieren das Verhalten ermöglichen von Materialien , die unter Tief Erde Bedingungen 26.The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde in GeoSoilEnviroCARS (Sector 13), Partnerschaft für den Extreme Kristallographie-Programm (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS) und Argonne National Laboratory durchgeführt. GeoSoilEnviroCARS wird durch die National Science Foundation-Geowissenschaften (EAR-1.128.799) und Department of Energy-Geowissenschaften (DE-FG02-94ER14466) unterstützt. Der PX ^ 2-Programm wird von Compres unter NSF Kooperationsvereinbarung EAR 11-57758 unterstützt. Die Nutzung der Advanced Photon Source wurde durch das US Department of Energy, Office of Science, dem Büro des Basic Energy Sciences, unter Vertrag Nr DE-C02-6CH11357 unterstützt. Die Verwendung des Compres-GSECARS Gasladesystem wurde von Compres unter NSF Kooperationsvereinbarung EAR 11-57758 und durch GSECARS durch NSF Zuschuss EAR-1128799 und DOE gewähren DE-FG02-94ER14466 unterstützt. Wir möchten auch für die freundliche Bereitstellung der Proben aus RRUFF Sammlungen Prof. RT Downs an der University of Arizona danken.
Diamond | Almax | P01037 | Boehler-Almax type diamond |
Backing plate | Almax | P01289 | Backing plate's design should match the diamond's design |
Re gasket | Alfa Aesar | 10309 | |
Epoxy | Henkel Loctite | Stycast 2651 | |
Polymer micromesh | MiTeGen | M3-L18SP-25 | |
Goniometer head | Hampton Research | HR4-647 | |
Software: ATREX | Open source software | Website: https://github.com/pdera/GSE_ADA | |
Software: RSV | Open source software | Website: https://github.com/pdera/RSV | |
Software: cell_now | Bruker Corporation | ||
Software: CCD_DC | Free software |