本稿では、光量子ソースでGSECARS 13-BM-Cのビームラインでダイヤモンドアンビルセルを用いて単結晶X線回折実験を行うための詳細な手順について説明します。 ATREX及びRSVプログラムは、データを分析するために使用されます。
この報告では、光量子ソースでGSECARS 13-BM-Cのビームラインでダイヤモンドアンビルセル(DAC)で、単結晶X線回折実験を行うための詳細な手順について説明します。 13-BM-CでのDACプログラムはエクストリームXtallography(PX ^ 2)プロジェクトのためのパートナーシップの一部です。円錐型ダイヤモンドアンビルとバッキングプレートとのBX-90型のDACは、これらの実験のために推奨されています。試料室は、静水圧環境を維持するために、希ガスでロードする必要があります。サンプルは、回折ゴニオメータの回転中心に位置合わせされます。 MARCCDエリア検出器は、LAB 6から粉末回折パターンで較正されます。試料の回折ピークはATREXソフトウェアプログラムを用いて分析され、その後RSVソフトウェアプログラムで索引付けされています。 RSVは、単結晶のUB行列を改良するために使用され、この情報とピーク予測機能と、複数の回折ピークが位置することができます。代表オンファサイトから単結晶回折データ(約0.51のNa 0.48)、マグネシウム(Mg 0.44のAl 0.44のFe 2+ 0.14のFe 3+ 0.02)のSi 2 O 6サンプルを採取しました。データの分析は0.35 GPaのでP2 / n個の空間群と単斜格子を与え、格子パラメータがあることが判明した:a = 9.496±0.006 A、B = 8.761±0.004 A、C = 5.248±0.001Å、β= 105.06±0.03º、α=γ= 90°。
単結晶X線回折は、異なる実験条件での結晶性物質の化学組成および構造を決定するための最も効率的かつ十分に確立された方法の一つです。最近の高圧単結晶回折における発展の数1-5がありました。圧力は、地球や惑星物質の挙動や性質に影響を与える主な要因の1つです。高圧実験は、日常的に一般的な材料の新しい多形を明らかにし、周囲条件で行うことが不可能である化学物質を合成する方法を明らかにすることができます。最近、いくつかの新しいケイ酸塩の多形体は、地球のマントル6-8の特性に新たな洞察を提供高圧単結晶回折で同定されています。
大気圧での単結晶回折異なる高圧単結晶回折を生成するように圧力容器を必要としデータ収集中に圧力を維持します。高圧単結晶回折で使用される最も一般的な圧力容器は、金属フレーム/金属ガスケットによって一緒に保持されたダイヤモンドアンビルの一対で構成されているダイヤモンドアンビルセル(DAC)、および静水圧を提供するために、圧力伝達媒体であります試料室4,9-11内の環境。ダイヤモンドアンビルセルを用いた単結晶回折には、いくつかの重要な点で周囲条件で回折とは異なります。まず、逆空間のカバレッジを大幅にDACとバッキングプレートの体を介して制限されたX線の角度のアクセスに還元されます。第二に、ダイヤモンドとバッキングプレートによるX線の角度依存性の吸収を測定し、正確な構造因子を計算することができるように、回折信号を補正するために使用されなければなりません。このようなダイヤモンド、ガスケットおよび圧力transmittinとしてDACコンポーネントからの散乱や回折したサンプルの回折信号の第三に、任意の重複、グラムメディアは、排除されなければなりません。第四に、ゴニオメータの中心にDACのサンプルを整列させることは困難です。 DACの負荷軸に垂直な方向は常にガスケットによって遮断され、かつ光学顕微鏡やX線ビームのいずれかにアクセスできません。軸方向では、光学顕微鏡は、理由だけで、ダイヤモンドの高屈折率のサンプルの変位画像を視覚化することができます。これらの違いは、新しい高圧単結晶回折測定方法の発明を必要とします。
エクストリームXtallography(PX ^ 2)プロジェクトのためのパートナーシップのDACと高圧単結晶回折専用の新しい研究イニシアチブです。プロジェクトはGeoSoilEnviroCARS実験ステーションの検出器などのインフラの大部分を提供するAPS、の13-BM-Cでホストされて、X線を集中し、6円ヘビーデューティー回折計12,13は、高度な結晶のexperimeのさまざまな最適化NTS。回折計は、自由の6の角度、4つのサンプル-配向(μ、η、χ、φ)と2つの検出器配向(δとυ)を有しています。 η、χ、φ動きが楽器のカッパジオメトリ実際のモータ由来擬似角であるが、あなた13からの角度の表記法は、サンプルと検出器の動きを記述するために使用されています。実験手順は、DAC内蔵高圧単結晶回折のために最適化されており、データ処理および解析ソフトウェアパッケージのスイートが開発されています。本稿では、我々はPX ^ 2でデータを収集し、分析するためのガイドとして、BX-90型DAC 9を使用する典型的な高圧単結晶回折実験のための詳細なプロトコルを提示します。
この報告では、GSECARS 13-BM-CのビームラインでのDACを有する単結晶回折実験を行うための詳細な手順を示しています。 BA型ダイヤモンドアンビルとバッキングプレートとのBX-90型DACは単結晶回折実験2,9,15をお勧めします。 BX-90型DACの利点は、多くの回折ピーク9,15の効果的なサンプリングのために提供し、伝統的な対称のDACに比べて、より広い角度のアクセスです。広い角度のアクセスは、より低い対称性を持つ小さい単位セルを有するサンプルのために重要となる。前者は、正確に、格子パラメータを制約するために多くの回折ピークを必要とし、後者は、所定の角度アクセス2内少ない回折ピークを与えます。より多くの角度アクセス1は実験で、より正確な原子位置パラメータ1は2,4を測定達します。制限された角度のアクセスは、2次元の逆数のベクトルデータセット、MAKをもたらすことができます2数学的に不可能で信頼性の高いデータの解釈をる。
一つの重要な、まだしばしば見落とさステップは、適切な圧力伝達媒体を選択することです。アルゴン、シリコーンオイルまたはメタノール-エタノール-水の溶液として、圧力媒体は10GPaで21-23を超えなかった以前の単結晶回折実験に使用したが、これらの圧力媒体はGPaの22 5〜10の間で有意に非静力学となり、大幅に減少させます圧縮2,22中の結晶の品質。私たちの一般的な経験は、その唯一の高品質の実験で彼とNeの結果、最大50万気圧( 例えば 、参考文献6,7)になっています。 APSでは、これらのガスは、好都合GSECARS / COMPRESガスローディング装置14を用いてのDACにロードすることができます。 HeまたはNeのは、圧力媒体として選択されると、試料室は、ガス負荷( 図2)の間に収縮します。サンプルが直接ガスケットに触れたら、それは、圧縮時に割れやすいです。だから、その直径キューレットの直径の少なくとも2/3であり、サンプルガス負荷後のガスケットとの接触を避けるために十分に大きい試料室を、ドリルすることが重要です。
PX ^ 2でシンクロトロンベースの単色単結晶回折のセットアップはユニークです。実験用回折計に比べて、シンクロトロンX線源を大幅に信号対雑音比を改善し、データ収集時間4,27,28を減少させる非常に高いフラックス(> 10 4)4,27,28を提供します 。シンクロトロンベース粉末回折は、一般にリートベルト法4を介して高圧力での物質の構造を決定するために使用されます。それは、格子定数と構造パラメータ2,4の嵌合を分離するので、単結晶回折は、リートベルト法に勝る利点を有します。リートベルトフィッティングを有する粉末回折は、通常、両方のフィッティング緯度が必要です同時にTICEパラメータと構造パラメータ、独立した観測値の数は、典型的には、単結晶回折4よりもはるかに低いです。別の一般的な構造の決意方法は、領域検出部4と多色放射線を使用ラウエ回折です。 PX ^ 2で単色のデータ収集と比較して、ラウエ法データの削減は、データ分析4,24で追加の困難を追加し、高調波デコンボリューションと強度の正規化、などの追加条項を必要とします。単色単結晶回折構造を解決するための簡単な方法ですが、まだそれは、独自の制限があります。単色単結晶回折の理想的なデータセットは数十μmの大きさを有する欠陥のない結晶を必要とし、結晶品質が高い圧力で維持する必要があります。これらの要件は、このようなbridgmanite 25などのいくつかの非クエンチミネラル、のために満たすことが困難な場合があります。
コンテンツ">時間分解単結晶回折は、圧力誘起構造遷移中に準安定状態と変換速度過渡をキャプチャすることができ、かつ^ 2 26。欠陥や格子ダイナミクスの定量的特性評価分析に基づいて、PXのための今後の研究の方向性の一つであります高圧で散漫散乱X線の^ 2 26 PXでも開発中である。レーザー加熱高圧単結晶回折が建設されている、と行動を研究する地球科学コミュニティを可能にするためのコンパクトな光学プラットフォーム深い土類条件26下の材料。The authors have nothing to disclose.
この作品は、極端な結晶学プログラム(PX ^ 2)、光量子ソース(APS)、およびアルゴンヌ国立研究所のためのGeoSoilEnviroCARS(セクター13)、パートナーシップで実施しました。 GeoSoilEnviroCARSは、全米科学財団、地球科学(EAR-1128799)およびエネルギー地球科学の部門(DE-FG02-94ER14466)によってサポートされています。 PX ^ 2プログラムは、NSF協力協定のEAR 11から57758の下COMPRESでサポートされています。光量子ソースは、契約番号DE-C02-6CH11357の下、科学、エネルギー基本科学のオフィスのオフィス、米国エネルギー省によってサポートされていたの使用。 COMPRES-GSECARSガスローディングシステムの使用は、NSFの助成金EAR-1128799を通じてNSF協力協定のEAR 11から57758の下とGSECARSによってCOMPRESによってサポートされていましたし、DOEは、DE-FG02-94ER14466を付与します。我々はまた、親切RRUFFコレクションからのサンプルを提供するためのアリゾナ大学の教授RTダウンズに感謝したいと思います。
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 |