在这份报告中,我们描述了在以先进光子源的GSECARS 13-BM-C光束线与金刚石压腔进行单晶X射线衍射实验的详细过程。 ATREX和RSV程序用于分析数据。
在这份报告中,我们描述了与在先进光子源的GSECARS 13-BM-C光束线金刚石压腔(DAC)进行单晶X射线衍射实验的详细过程。在13-BM-C DAC的方案是伙伴极端Xtallography(PX ^ 2)项目的一部分。 BX-90型DAC,带有圆锥型钻石砧和背板被推荐用于这些实验。样品室应与稀有气体被加载以保持静水压力的环境。将样品对准衍射测角器的旋转中心。该MARCCD区域检测器被校准以从实验6的粉末衍射图案。样品的衍射峰进行了分析与ATREX软件程序,并随后与RSV软件程序索引。 RSV被用来细化单晶的UB矩阵,并用此信息与峰值预测功能,更衍射峰可以位于。代表从绿辉石单晶衍射数据(钙0.51 0.48钠)(镁0.44 0.44铝的 Fe 2+ 0.14铁3+ 0.02)硅收集2 O 6个样品。数据分析在0.35 GPA给出了与P2 /正空间群单斜晶点阵,并且发现了晶格参数为:α= 9.496±0.006,A,B = 8.761±0.004埃,C = 5.248±0.001埃,β= 105.06±0.03º,α=γ= 90°。
单晶X-射线衍射是最有效的和公认的方法来确定在不同的实验条件下的结晶材料的化学组成和结构中的一个。最近有在高压单晶衍射发展一批1-5。压力是影响的行为和地球和行星材料的特性的主要因素之一。高压实验常规揭示普通材料的新多晶型物和可以发现的方法来合成它们不可能使在环境条件下的化学品。最近,几个新的晶型硅已确定用高压单晶衍射,从而提供新的洞察地幔6-8的属性。
从在大气压下单晶衍射不同,高压单晶衍射需要一个压力容器,以产生并保持数据收集过程中的压力。在高压单晶衍射最常用的压力容器是钻石砧细胞(DAC),它是由一对由金属框架/金属垫片保持在一起的金刚石砧的,以及一个压力传递介质,以提供静水环境中的样品室4,9-11。用金刚石砧电池单晶衍射从不同的衍射在几个重要方面的环境条件。首先,倒易空间的覆盖率显著由于通过DAC和背衬片的身体限制的X射线的角度存取降低。第二,由钻石和背板的X射线的角度依赖性吸收必须被确定并用于校正衍射信号,使得准确结构因素可以计算出来的。第三,与从DAC部件,如钻石,垫圈和压力transmittin散射或衍射样品的衍射信号的任何重叠摹中,必须消除。第四,在DAC的样品对准测角器的中心是困难的。垂直于DAC的负载轴的方向总是由垫圈阻止,并且不向任一光学显微镜或X射线束访问。在轴向方向上,在光学显微镜只能形象化因为金刚石的高折射率的样品的位移的图像。这些差异需要新的高压单晶衍射测量方法的发明。
该伙伴关系的极端Xtallography(PX ^ 2)项目是一个新的研究项目,致力于高压单晶衍射的DAC。该项目是在GeoSoilEnviroCARS实验站13-BM-C在APS,它提供了大部分的基础设施,包括检测器托管,聚焦X射线和一个6圆重型衍射仪12,13为各种先进晶体experime优化NTS。衍射仪具有六个角自由度,四个采样-定向(μ,η,χ,φ)和两个检测器,定向(δ和υ)。从你13的角约定用来描述样本和检测器的运动,虽然η,χ,φ运动是从乐器的卡伯几何真实马达衍生的伪角度。实验程序已经用于与DAC的高压单晶衍射优化,数据处理和分析软件包一个包已经被开发出来。在这个手稿中,我们提出了使用BX-90型DAC 9典型的高压单晶衍射实验的详细协议,为指导,以收集和PX ^ 2分析数据。
在这份报告中,我们显示在GSECARS 13-BM-C光束线开展与DAC的单晶衍射实验的详细过程。 BX-90型DAC,带有BA型钻石砧和背板被推荐为单晶衍射实验2,9,15。在BX-90型DAC的优点是相对于传统的对称数模转换器,它提供了许多衍射峰9,15的有效采样其更宽的角度的访问。广角访问成为具有较低对称的样品和具有较小单元电池关键:前者需要更多的衍射峰准确地约束晶格参数,而后者给定角访问2内更少的衍射峰。越角门禁一体到达实验中,更精确的原子位置参数中的一个措施2,4。限制角访问可能会导致二维倒数矢量数据集,麦ING可靠的资料解释数学上是不可能2。
其中一个重要的,但常常被忽视的一步是选择合适的传压介质。虽然压力介质,诸如氩气,硅油或甲醇-乙醇-水的溶液中以前单晶衍射实验中使用的不超过10 GPA 21-23,这些压力介质成为显著非静力5-10 GPA 22之间,并大大降低了晶体的压缩2,22中的质量。我们一般的经验是,只有他和氖导致高品质的实验高达50 GPA( 例如 ,参考6,7)。在APS中,这些气体可以方便地装入与使用GSECARS /压缩模式气体加载装置14的DAC。当He或Ne被选择作为压力介质,样品室的气体负载( 图2)期间收缩。一旦样品直接接触垫片,它在压缩过程中容易破碎。因此钻一个足够大的样品室,其直径为底尖直径的至少2/3,以避免在样品和气体负荷后垫圈之间的接触是重要的。
在PX ^ 2基于同步单色单晶衍射的设置是独一无二的。相比于实验室衍射仪,同步加速器X射线源提供高得多的通量(> 10 4)4,27,28,其显著提高了信噪比并降低了数据采集时间4,27,28。同步加速器基粉末衍射通常也用来确定在通过的Rietveld方法4高的压力的材料的结构。单晶衍射具有优势在特维德的办法,因为它分离的晶格参数和结构参数2,4配件。与通常特维德装修粉末衍射需要配件都纬度蒂斯参数,并在同一时间结构参数,而独立观察的数目通常比在单晶衍射4低得多。另一种常见的结构测定方法是劳厄衍射,它使用多色辐射与区域检测器4。相比于PX ^ 2单色数据收集,劳厄法数据的减少需要额外的条件,包括谐波去卷积和强度归一化,这增加了额外的困难在数据分析4,24。单色单晶衍射是解决结构的简单的方法,但它有其自身的局限性。单色单晶衍射的一个理想的数据集需要具有大小几十μm的一个缺陷少的晶体,并在晶体质量需要在高压下保存。这些要求可能难以满足对某些非淬火矿物质,如bridgmanite 25。
内容“>时间分辨单晶衍射能够在压力引起的结构转变捕获瞬态亚稳状态和相变动力学,并且是未来的研究方向为PX之一^ 2 26的缺陷和晶格动力学,定量定性的基础上分析X射线在高压下漫散射也正在开发的PX ^ 2 26,激光加热高压单晶衍射紧凑的光学平台正在建设,并将使地球科学界研究的行为深土条件下26的材料。The authors have nothing to disclose.
这项工作是在GeoSoilEnviroCARS(部门13),伙伴至尊晶体程序(PX ^ 2),先进光子源(APS)和阿贡国家实验室进行的。 GeoSoilEnviroCARS是由美国国家科学基金会地球科学(EAR-1128799)和能源地质系(DE-FG02-94ER14466)的支持。在PX ^ 2计划是由美国国家科学基金会根据合作协议EAR 11-57758压缩模式的支持。先进光子源的用途由能源,科技,基础能源科学办公室的办公室的美国能源部合同号DE-C02-6CH11357支持。在压缩模式,GSECARS气体装载系统的使用是由美国国家科学基金会根据合作协议EAR 11-57758压缩模式,并通过NSF资助EAR-1128799和能源部授予的DE-FG02-94ER14466 GSECARS支持。我们也想在亚利桑那大学的谢教授RT为丘陵敬请从RRUFF藏品提供样品。
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 |