Síntesis y microdifracción a presiones y temperaturas extremas
Summary
La calefacción celda de yunque de diamante láser combinado con técnicas de micro-difracción sincrotrón permite a los investigadores a explorar la naturaleza y propiedades de las nuevas fases de la materia a la presión y la temperatura (PT) condiciones extremas. Muestras heterogéneas pueden caracterizarse<em> In situ</em> A alta presión mediante cartografía 2D y en polvo combinada, de un solo cristal y métodos de difracción multigrano.
Abstract
Compuestos de alta presión y polimorfos son investigados para una amplia gama de propósitos, tales como determinar las estructuras y procesos de interiores planetarios profundas, materiales de diseño con propiedades novedosas, entender el comportamiento mecánico de los materiales expuestos a tensiones muy altas como en las explosiones o impactos. Síntesis y análisis estructural de los materiales en condiciones extremas de presión y temperatura conlleva notables desafíos técnicos. En la celda de yunque de diamante climatizada láser (LH-DAC), se genera una presión muy alta entre las puntas de dos en contra yunques de diamante forzados uno contra el otro, rayos láser infrarrojos enfocados, brilló a través de los diamantes, permiten alcanzar temperaturas muy elevadas en muestras que absorben la radiación láser. Cuando el LH-DAC se instala en una línea de luz sincrotrón que proporciona la radiación de rayos X muy brillante, la estructura de los materiales en condiciones extremas puede palpar in situ. LH-DAC muestras, aunque muy pequeñas, pueden mostrar highly variable de tamaño de grano, fase y composición química. Con el fin de obtener el análisis estructural de alta resolución y la caracterización más completa de una muestra, se recogen datos de difracción en las redes 2D y combinamos polvo, cristal único y técnicas de difracción multigrano. Los resultados representativos obtenidos en la síntesis de un nuevo óxido de hierro, Fe 4 O 5 1 serán mostrados.
Introduction
La presión puede cambiar fundamentalmente las propiedades y la unión de la materia. La topografía de la Tierra, la composición, la dinámica, el magnetismo e incluso la composición de la atmósfera están profundamente ligados a los procesos que ocurren en el interior del planeta que está bajo una presión extremadamente alta y la temperatura. Procesos de interior de la tierra incluyen terremotos, volcanismo, convección térmica y química, y la diferenciación. De alta presión y la temperatura se utilizan para sintetizar materiales súper duras como el diamante y el nitruro de boro cúbico. Síntesis de alta PT combinada con in situ de difracción de rayos x permite a los investigadores a identificar las estructuras cristalinas de los nuevos materiales o polimorfos de alta presión de extrema importancia tecnológica. El conocimiento de las estructuras de alta presión y propiedades permite la interpretación de la estructura y los procesos de interior de los planetas, el modelado del comportamiento de los materiales bajo condiciones extremas, la síntesis y el diseño de nuevos materiales, y achievement de una comprensión fundamental más amplio de comportamiento de los materiales. La exploración de las fases de alta presión es técnicamente exigente, debido a la doble desafíos de generar de forma controlada las condiciones ambientales extremas y el sondeo de muestras pequeñas dentro de las células del medio ambiente voluminosos.
Una gama de materiales y técnicas se puede utilizar para llevar a cabo la síntesis en condiciones extremas 2, 3. El equipo más adecuado para cada experimento en particular depende del material investigado, el PT de destino, y las técnicas de sondeo. Entre los dispositivos de alta presión, la LH-DAC tiene menor tamaño de la muestra, pero es sin embargo capaz de alcanzar el más alto PT estática (por encima de 5 mbar y 6000 K) y permite la resolución de análisis estructural por rayos x más alta. El protocolo se describe a continuación llevado al descubrimiento de Fe 4 O 5 1 y es aplicable a una amplia gama de materiales y condiciones de síntesis. El LH-DAC es el más adecuado para los materiales que absorben eficientementela longitud de onda del láser de ~ 1 m disponibles a alta presión líneas de luz sincrotrón (estaciones 13-IDD en la Fuente Avanzada de Fotones, Argonne National Lab, por ejemplo de 16 BID y), para presiones de síntesis hasta 5 mbar y temperaturas superiores a unos 1500 K. estructuras bastante complejas y muestras multifase se pueden caracterizar con las estrategias de microdifracción de rayos X que se presentan aquí. Otras técnicas, como la calefacción DAC conjunto 4 y calentamiento por resistencia locales, son adecuados para temperaturas de síntesis más bajos. CO 2 5 calentamiento por láser, con longitud de onda de alrededor de 10 micras, es adecuado para el calentamiento de materiales transparentes para el láser de infrarrojos YLF, pero la absorción de la radiación de CO 2. Otros dispositivos, tales como multi-yunque, de pistón-cilindro y París-Edimburgo prensas, proporcionan muestras de mayor volumen necesarios para los experimentos de difracción de neutrones, por ejemplo.
En el LH-DAC, inventado en 1967 6, 7, 8, de alta presión es generated en una muestra pequeña situada entre las puntas de dos yunques de diamante opuestos. En los sistemas de calefacción láser instalados en sincrotrón estaciones experimentales 9, 10, 11, rayos láser se entregan en una muestra de ambas partes a través de los yunques de diamante, mientras que un haz de rayos X brillante se centra en el punto caliente. Las muestras que absorben la luz del láser se calientan mientras difracción de rayos X se utiliza para monitorear el progreso de la síntesis. La radiación térmica emitida por la muestra calentada láser es dependiente de la temperatura. Espectros de emisión térmica obtenida de ambos lados de la muestra se utiliza para calcular la temperatura de la muestra mediante el ajuste de los espectros para la función de la radiación Plank suponiendo un comportamiento de cuerpo negro 8.
El análisis de la estructura cristalina de los productos de síntesis en una LH-DAC se lleva a cabo utilizando el sincrotrón brillante haz de rayos X, platinas motorizadas de alta precisión y los detectores de rayos x rápidas disponibles en la estación experimental dedicada sincrotróns. Recopilamos datos de difracción de rayos x en una rejilla 2D y personalizar la estrategia de recolección de datos de acuerdo con el tamaño de grano. Este enfoque permite: i) Mapa de la composición de la muestra, ii) obtener análisis de datos robusta de una muestra compleja mediante la combinación de varias fases de cristal único, el polvo y las técnicas de difracción de varios granos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cada paso del protocolo descrito se debe realizar con mucho cuidado para evitar riesgos de fracaso experimental a través de roturas catastróficas de los yunques, inestabilidad junta y la pérdida de presión, la incapacidad para lograr la temperatura objetivo, contaminación de la muestra, severa no hydrostaticity, etc.
El mayor desafío de la síntesis de alta PT es la interpretación de los datos de difracción de rayos X, un problema demasiado extenso como para resumirlos aquí…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La Universidad de Nevada, Las Vegas (UNLV) Ciencia de alta presión y el Centro de Ingeniería es apoyado por el Departamento de Administración de Energía Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA) del Acuerdo de Cooperación DE-NA0001982. Este trabajo se realizó en el equipo de alta presión de Colaboración Acceso (HPCAT) (Sector 16), y en los GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) (Sector 13), Advanced Photon Fuente (APS), el Laboratorio Nacional de Argonne (ANL). Operaciones HPCAT son apoyados por el DOE NNSA bajo Laudo No. DE-NA0001974 y DOE-BES bajo Laudo No. DE-FG02-99ER45775, con financiación parcial de la instrumentación por la NSF. GeoSoilEnviroCARS el apoyo de la Fundación Ciencias de la Ciencia de la Tierra Nacional (EAR-0622171) y el Departamento de Energía (DOE)-Ciencias de la Tierra (DE-FG02-94ER14466). APS con el apoyo de DOE-BES, bajo el contrato DE-AC02-06CH11357. Agradecemos GSECARS y COMPRESORES para el uso del sistema de carga de gas.
Materials
| diamond anvils | Almax Easylab | N/A | |
| WC seats | Almax Easylab | N/A | The conical housing needs to match the conical shape of the anvil bottom |
| SX-165 CCD | Marresearch | ||
| XRD 1621 xN ES | Perkin Elmer | ||
| W needle | Ted pella, Inc | MT26020 |
References
- Lavina, B., et al. Discovery of the recoverable high-pressure iron oxide Fe4O5. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 17281-17285 (2011).
- Eremets, M. I. . High pressure experimental methods. , (1996).
- Loveday, J. . High-pressure physics. Scottish graduate series. , (2012).
- Dubrovinskaia, N., Dubrovinsky, L. Whole-cell heater for the diamond anvil cell. Rev. Sci. Instrum. 74, 3433-3437 (2003).
- Boehler, R., Chopelas, A. A new approach to laser-heating in high-pressure mineral physics. Geophys. Res. Lett. 18, 1147-1150 (1991).
- Ming, L., Bassett, W. A. Laser-heating in diamond anvil press up to 2000 °C sustained and 3000 °C pulsed at pressures up to 260 Kilobars. Rev. Sci. Instrum. 45, 1115-1118 (1974).
- Bassett, W. The birth and development of laser heating in diamond anvil cells. Rev. Sci. Instrum. 72, 1270-1272 (2001).
- Boehler, R. Laser heating in the diamond cell: techniques and applications. Hyperfine Interact. 128, 307-321 (2000).
- Shen, G. Y., Prakapenka, V. B., Eng, P. J., Rivers, M. L., Sutton, S. R. Facilities for high-pressure research with the diamond anvil cell at GSECARS. J. Synchr. Radiat. 12, 642-649 (2005).
- Meng, Y., Shen, G., Mao, H. K. Double-sided laser heating system at HPCAT for in situ x-ray diffraction at high pressures and high temperatures. J. Phys.-Cond. Mat. 18, 1097-1103 (2006).
- Prakapenka, V. B., et al. Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium. High Press. Res. 28, 225-235 (2008).
- Boehler, R., De Hantsetters, K. New anvil designs in diamond-cells. High Press. Res. 24, 391-396 (2004).
- Lorenzana, H. E., Bennahmias, M., Radousky, H., Kruger, M. B. Producing diamond anvil cell gaskets for ultrahigh-pressure applications using an inexpensive electric discharge machine. Rev. Sci. Instrum. 65, 3540-3543 (1994).
- Barnett, J., Block, S., Piermarini, G. Optical fluorescence system for quantitative pressure measurement in diamond-anvil cell. Rev. Sci. Instrum. 44, 1-9 (1973).
- Piermarini, G., Block, S., Barnett, J., Forman, R. Calibration of pressure-dependence of R1 ruby fluorescence line to 195 kbar. J. Appl. Phys. 46, 2774-2780 (1975).
- Mao, H., Bell, P., Shaener, J., Steinberg, D. Specific volume measurements of Cu, Mo, Pd, and Ag and calibration of ruby R1 fluorescence pressure gauge from 0.06 to 1 Mbar. J. Appl. Phys. 49, 3276-3283 (1978).
- Dorfman, S. M., Prakapenka, V. B., Meng, Y., Duffy, T. S. Intercomparison of pressure standards (Au, Pt, Mo, MgO, NaCl and Ne) to 2.5 Mbar. J. Geophys. Res. 117, (2012).
- Rivers, M., et al. The COMPRES/GSECARS gas-loading system for diamond anvil cells at the advanced photon source. High Press. Res. 28, 273-292 (2008).
- Jeanloz, R. W., Heinz, D. L. Experiments at high-temperature and pressure – laser-heating through the diamond cell. J. Phys. 45, 83-92 (1984).
- Shen, G., Mao, H. K., Hemley, R. J., Duffy, T. S., Rivers, M. L. Melting and crystal structure of iron at high pressures and temperatures. Geophys. Res. Lett. 25, 373-376 (1998).
- Hammersley, A., Svensson, S., Hanfland, M., Fitch, A., Hausermann, D. Two-dimensional detector software: From real detector to idealised image or two-theta scan. High Press. Res. 14, 235-248 (1996).
- Dera, P., Zhuravlev, K., Prakapenka, V., Rivers, M. L., Finkelstein, G. J., Grubor-Urosevic, O., Clark Tschauner, O., M, S., Downs, R. T. High pressure single-crystal micro X-ray diffraction analysis with GSE_ADA/RSV software. High Pressure Research. 33, 466-484 (2013).
- Grunbaum, F. Remark on phase problem in crystallography. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 72, 1699-1701 (1975).
- Hauptman, H. The phase problem of x-ray crystallography. Rep. Progr. Phys. 54, 1427-1454 (1991).
- Buhler, J., Reichstein, Z. Symmetric functions and the phase problem in crystallography. Amer. Math. 357, 2353-2377 (2005).
