本报告中,我们描述了在先进光子源GSECARS 13-BM-C光束线上使用金刚石压腔进行单晶X射线衍射实验的详细步骤。采用ATREX和RSV程序对数据进行分析。
本报告中,我们描述了在先进光子源GSECARS 13-BM-C光束线上使用金刚石压腔进行单晶X射线衍射实验的详细步骤。采用ATREX和RSV程序对数据进行分析。
本文中,我们详细描述了在先进光子源GSECARS 13-BM-C光束线上使用金刚石压腔(DAC)进行单晶X射线衍射实验的具体步骤。13-BM-C光束线的DAC实验项目属于极端晶体学合作计划(Partnership for Extreme Xtallography,PX^2)的一部分。建议在这些实验中使用BX-90型金刚石压腔,配备锥形金刚石压砧和背板。样品腔应充入惰性气体,以维持静水压环境。将样品对准衍射测角仪的旋转中心。使用LaB6的粉末衍射图谱对MARCCD面探测器进行校准。样品的衍射峰使用ATREX软件程序进行分析,随后由RSV软件程序进行指标化。RSV用于优化单晶的UB矩阵,结合该信息及峰位预测功能,可进一步定位更多衍射峰。我们采集了来自一个绿辉石样品(Ca0.51Na0.48)(Mg0.44Al0.44Fe2+0.14Fe3+0.02)Si2O6)的代表性单晶衍射数据。数据分析表明,在0.35 GPa压力下,该样品为单斜晶系,空间群为P2/n,晶格参数为: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。
单晶X射线衍射是确定晶体材料在不同实验条件下化学组成和结构的最高效且最成熟的方法之一。近年来,高压单晶衍射技术已取得若干进展1-5。压力是影响地球和行星材料行为与性质的主要因素之一。高压实验通常能够揭示常见材料的新多晶型结构,并可能发现无法在常压条件下合成的化合物的制备途径。最近,通过高压单晶衍射已鉴定出多种新的硅酸盐多晶型结构,为理解地球地幔的性质提供了新的见解6-8。
与常压下单晶衍射不同,高压单晶衍射需要使用压力容器在数据采集过程中产生并维持压力。高压单晶衍射中最常用的压力容器是金刚石压砧池(diamond anvil cell, DAC),它由一对通过金属框架/金属垫片固定的金刚石压砧组成,并包含一种压力传递介质,以在样品腔内提供静水压环境4,9-11。使用金刚石压砧池进行单晶衍射与常压条件下的衍射在多个重要方面存在差异。首先,由于金刚石压砧池本体和背板对X射线角度入射的限制,倒易空间的覆盖范围显著减小。其次,必须确定金刚石和背板对X射线的角度依赖性吸收,并据此校正衍射信号,以准确计算结构因子。第三,必须消除样品衍射信号与金刚石压砧池组件(如金刚石、垫片和压力传递介质)产生的散射或衍射信号之间的重叠。第四,将样品在金刚石压砧池中精确对准测角仪中心十分困难。垂直于金刚石压砧加载轴的方向始终被垫片遮挡,无法被光学显微镜或X射线束访问;而在轴向方向上,由于金刚石具有高折射率,光学显微镜只能观察到样品的偏移图像。这些差异促使了新型高压单晶衍射测量方法的发明。
极端晶体学合作项目(Partnership for Extreme Xtallography,PX^2)是一项致力于使用金刚石对顶砧(DAC)开展高压单晶衍射研究的全新科研计划。该项目依托于先进光子源(APS)的GeoSoilEnviroCARS实验站13-BM-C,该站点提供了大部分基础设施,包括探测器、聚焦X射线以及一台专为多种先进晶体学实验优化的六轴重型衍射仪12,13。该衍射仪具有六个角度自由度,其中四个用于样品取向(µ、η、χ 和 φ),两个用于探测器取向(δ 和 υ)。样品和探测器的运动采用You 13提出的角度约定进行描述,尽管η、χ和φ运动是基于仪器kappa几何结构的实际电机所导出的伪角度。实验流程已针对使用金刚石对顶砧(DAC)的高压单晶衍射进行了优化,并开发了一套完整的数据处理与分析软件工具。在本文中,我们以BX-90型金刚石对顶砧9为例,详细介绍了一项典型的高压单晶衍射实验的操作流程,作为在PX^2平台上进行数据采集与分析的指导方案。
1. 样品制备
注意:样品制备过程包括三个主要步骤:制备空的金刚石对顶砧(DAC)、装载样品以及装载惰性气体作为压力传压介质。金刚石对顶砧的制备和样品装载已在 Lavina et al. 10 中详细描述,压力传压介质的装载已在 Rivers et al. 14 中描述。此处我们简要介绍典型的样品制备过程。
2. 数据采集

3. 数据分析
注意:数据分析使用 ATREX/RSV 软件套件进行 2,18有关软件中所采用原理的详细说明,请参见 Dera 的研究工作。 等 2
我们展示了一个关于硅酸盐矿物硬玉(omphacite)(Ca0.51Na0.48)(Mg0.44Al0.44Fe2+0.14Fe3+0.02)Si2O6 的高压单晶衍射的代表性实例。将硬玉样品装入BX-90型金刚石对顶砧(DAC)中,使用Boehler-Almax(BA)型金刚石压砧和垫片(图1)。样品腔内填充惰性气体传压介质(本实验中为氦气),以确保静水压环境。样品腔的压力为0.35 GPa,通过红宝石荧光法测定。将样品与衍射测角仪的旋转中心对齐(图3、图4)。在ν = 0、δ = 0条件下,使用LaB6粉末标准样品对MARCCD探测器的位置和倾斜角度进行校准(图5)。实验过程中,η、χ和µ角固定为0。首先使用ATREX软件的“Search”功能分析样品的衍射峰(图6)。然后,利用RSV软件对硬玉单晶的晶格参数和UB矩阵进行精修(图7)。基于精修后的UB矩阵,通过软件的“Predict”功能发现了更多的衍射峰(图8)。该硬玉单晶在此压力下的精修晶格参数为: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(表1)。该硬玉晶体属于单斜晶系,空间群为P2/n。我们精修得到的晶格参数与具有相似化学成分和相近压力条件下(P = 0.449 GPa)已发表的硬玉晶格参数一致:a = 9.5541 ±0.0005 Å,b = 8.7481 ±0.0007 Å,c = 5.2482 ±0.0003 Å,β = 106.895 ±0.004º21。

图 1:用于高压单晶衍射实验的 BX-90 DAC 的各个组件。(a)Boehler-Almax(BA)型金刚石;(b)铼垫片;(c)BA 型背板;(d)粘接在 BA 型背板上的 BA 型金刚石;(e)BX-90 DAC 的圆筒部分;(f)BX-90 DAC 的活塞部分;(g)左旋(黑色氧化处理)和右旋(不锈钢处理)压缩螺钉;(h)带碟形弹簧垫圈的右旋压缩螺钉;(i)已组装完毕、准备用于高压单晶衍射实验的 BX-90 DAC。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2: 金刚石对顶砧样品腔在加载惰性气体压力传递介质前后的显微镜图像。 加载气体压力传递介质后,样品腔孔径直径缩小了约30%。请点击此处查看该图的放大版本。

图3: PX^2装置上高压单晶衍射实验装置示意图。 六个角自由度(µ、η、χ、φ、δ 和 υ)以及三个平移方向(x、y 和 z)均已标注。角度符号遵循You13所采用的角度约定。请点击此处查看此图的放大版本。

图4: 将样品室对准旋转中心。 左图:样品室在X射线法线方向(蓝色)、+Δφ(绿色)和-Δφ(红色)φ旋转下的扫描结果。右图:不同φ角度下样品室扫描的X射线透射剖面。X射线透射剖面的偏移用于计算沿入射X射线方向的位置校正。请点击此处查看该图的放大版本。

图5: 使用数据分析软件校准MARCCD探测器。 采用LaB6粉末衍射图样进行校准。 请点击此处查看此图的放大版本。

图6: 使用数据分析软件进行衍射峰搜索。 在此宽范围曝光图像中共检测到63个衍射峰。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 7: 使用 RSV 软件对衍射峰进行指标化并计算样品的 UB 矩阵。 指标化由软件自动完成。请点击此处查看该图的放大版本。

图8: 使用数据分析软件预测衍射峰。 使用峰预测功能,在与图6相同的衍射图像中发现了112个衍射峰。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 晶格参数 | 数值 |
| a | 9.496 ±0.006 Å |
| b | 8.761 ±0.004 Å |
| c | 5.248 ±0.001 Å |
| a | 90º |
| b | 105.06 ±0.03º |
| g | 90º |
表1:0.35 GPa 下绿辉石 (Ca0.51Na0.48)(Mg0.44Al0.44Fe2+0.14Fe3+0.02)Si2O6 的晶格参数。该绿辉石晶体属于单斜晶系,空间群为 P2/n。
本报告中,我们展示了在GSECARS 13-BM-C光束线上使用金刚石对顶砧(DAC)进行单晶衍射实验的详细步骤。建议在单晶衍射实验中使用BX-90型金刚石对顶砧,搭配BA型金刚石压砧和垫片2,9,15。BX-90型对顶砧的优势在于其比传统对称式对顶砧更宽的角域通光范围,从而能够有效采集更多的衍射峰9,15。较宽的角域通光范围对于对称性较低且晶胞较小的样品尤为关键:前者需要更多的衍射峰以精确约束晶格参数,而后者在给定的角域范围内产生的衍射峰数量较少2。实验中获得的角域通光范围越宽,测得的原子位置参数就越精确2,4。若角域通光受限,可能导致获得的倒易空间矢量数据呈二维分布,从而使可靠的数据解析在数学上无法实现2。
一个关键但常被忽视的步骤是选择合适的传压介质。尽管在先前未超过10 GPa的单晶衍射实验中曾使用氩气、硅油或甲醇-乙醇-水溶液作为传压介质 21-23这些压力介质在5-10 GPa之间会显著偏离静水压状态 22,并在压缩过程中显著降低晶体的质量 2,22我们的普遍经验表明,只有氦(He)和氖(Ne)能在高达50 GPa的压力下实现高质量的实验例如,参考文献6,7)。在APS,可使用GSECARS/COMPRES气体加压装置方便地将这些气体加载到DAC中 14当选择 He 或 Ne 作为压力介质时,样品腔在气体加载过程中会收缩图2)。一旦样品直接接触垫片,加压时容易破裂。因此,钻取足够大的样品腔至关重要,其直径至少应为砧面直径的2/3,以避免加气后样品与垫片接触。
位于PX^2的基于同步辐射的单色单晶衍射装置具有独特性。与实验室衍射仪相比,同步辐射X射线源提供的通量显著更高(>104)4,27,28,这显著提高了信噪比并缩短了数据采集时间4,27,28。基于同步辐射的粉末衍射也常用于通过Rietveld方法确定高压下材料的结构4。单晶衍射相较于Rietveld方法具有优势,因为它能够将晶格参数与结构参数的拟合过程解耦2,4。而采用Rietveld拟合的粉末衍射通常需要同时拟合晶格参数和结构参数,且独立观测数据的数量通常远低于单晶衍射4。另一种常见的结构测定方法是劳厄衍射,该方法使用多色辐射配合面探测器4。与PX^2上的单色数据采集相比,劳厄法的数据处理需要引入额外的校正项,包括谐波解卷积和强度归一化,这为数据分析带来了额外的困难4,24。单色单晶衍射是一种直接的结构解析方法,但它自身也存在局限性。理想的单色单晶衍射数据集需要一个无缺陷、尺寸达数十µm的晶体,并且晶体质量需在高压条件下保持稳定。对于某些不可淬火的矿物(如布里奇曼石),这些条件可能难以满足25。
时间分辨单晶衍射技术能够捕捉压力诱导结构相变过程中的瞬态亚稳态及转变动力学,是PX^2 26未来研究方向之一。基于高压下X射线漫散射分析对缺陷和晶格动力学进行定量表征的技术也正在PX^2 26中发展。目前正构建一个紧凑型光学平台,用于激光加热高压单晶衍射实验,该平台将使地球科学界能够研究材料在地球深部条件下的行为26。
作者声明无利益冲突。
本工作在地球土壤环境研究中心(GeoSoilEnviroCARS,第13区)、极端晶体学合作研究计划(PX^2)、先进光子源(APS)以及阿贡国家实验室完成。GeoSoilEnviroCARS 得到美国国家科学基金会地球科学部(EAR-1128799)和美国能源部地球科学部(DE-FG02-94ER14466)的支持。PX^2 计划由 COMPRES 在美国国家科学基金会合作协定 EAR 11-57758 项下支持。先进光子源的使用得到美国能源部科学办公室基础能源科学办公室合同 No. DE-C02-6CH11357 的支持。COMPRES-GSECARS 气体加压系统的使用由 COMPRES 在美国国家科学基金会合作协定 EAR 11-57758 项下支持,并由 GSECARS 通过美国国家科学基金会资助项目 EAR-1128799 和美国能源部资助项目 DE-FG02-94ER14466 提供支持。我们还要感谢亚利桑那大学的 R. T. Downs 教授慷慨提供来自 RRUFF 收藏的样品。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 金刚石 | Almax | P01037 | Boehler-Almax 型金刚石 |
| 背板 | Almax | P01289 | 背板设计应与金刚石设计相匹配 |
| 铼垫片 | Alfa Aesar | 10309 | |
| 环氧树脂 | Henkel Loctite | Stycast 2651 | |
| 聚合物微网 | MiTeGen | M3-L18SP-25 | |
| 测角头 | Hampton Research | HR4-647 | |
| 软件:ATREX | 开源软件 | 网站:https://github.com/pdera/GSE_ADA | |
| 软件:RSV | 开源软件 | 网站:https://github.com/pdera/RSV | |
| 软件:cell_now | Bruker Corporation | ||
| 软件:CCD_DC | 免费软件 |