一种用于高温高压条件下合成及测定冰-VII单晶弹性的外加热金刚石压砧池

摘要

本研究重点介绍用于制备外加热式金刚石压砧细胞（EHDAC）以产生高温高压（HPHT）条件的标准实验方案。EHDAC可用于在极端条件下研究地球和行星内部的物质，也可应用于固体物理和化学领域的研究。

摘要

外加热式金刚石压砧池（EHDAC）可用于在地球及行星内部产生同时具备高压和高温条件的环境。本文介绍了EHDAC组件及其附件的设计与制备方法，包括环形电阻加热器、热和电绝缘层、热电偶的放置，以及使用这些部件组装EHDAC的实验流程。EHDAC可在常压空气中常规实现兆巴级压力和高达900 K的温度，在保护性气氛（如含1% H₂的Ar混合气体）下，温度有望进一步提升至约1200 K。₂）。与通常用于达到高温的激光加热方法相比 >1100 K时，外部加热可轻松实现，并在≤900 K条件下提供更稳定的温度以及更小的样品温度梯度。我们展示了EHDAC在单晶冰-VII合成中的应用，并利用同步辐射X射线衍射和布里渊散射技术，在高温高压同时存在的条件下研究了其单晶弹性性质。

引言

金刚石压砧装置（DAC）是高压研究中最重要的工具之一。结合同步辐射和常规分析方法，该装置已被广泛用于研究行星物质在多兆巴压力下以及宽温度范围内的性质。大多数行星内部都处于高温高压（HPHT）条件下。因此，为了研究行星内部的物理与化学特性，必须在高压下原位加热金刚石压砧装置中的压缩样品。高温不仅对于研究行星物质的相变关系、熔融行为及热力学性质至关重要，还有助于减小压力梯度，促进相变和化学反应，并加速扩散与再结晶过程。目前在金刚石压砧装置中加热样品通常采用两种方法：激光加热法以及内部/外部电阻加热法。

激光加热金刚石对顶砧（DAC）技术已被用于行星内部的高压材料科学和矿物物理研究^1,2。尽管越来越多的实验室能够使用该技术，但通常需要大量的开发和维护工作。激光加热技术已实现高达7000 K的温度³。然而，长时间稳定的加热以及激光加热实验中的温度测量一直是一个持续存在的难题。激光加热过程中的温度通常会出现波动，但可通过热辐射与激光功率之间的反馈耦合加以缓解。更具挑战性的是，对于由多种具有不同激光吸收率的物相组成的样品，其温度的控制与测定尤为困难。此外，样品加热区域的温度梯度较大，且存在显著的不确定性（可达数百K），尽管近年来的技术发展已致力于缓解这一问题^4,

方案

1. 环形加热器的制备

1. 制作环形加热器基座
   1. 根据设计的三维模型，使用叶蜡石材料通过计算机数控（CNC）铣床加工制作环形加热器基座。加热器的尺寸为外径（OD）22.30 mm、内径（ID）8.00 mm、厚度2.25 mm。将加热器基座在炉中于1523 K温度下烧结>20小时。
2. 布线
   1. 将铂10 wt% 铑丝（直径：0.01英寸）剪成3段等长的导线（每段约44 cm）。
   2. 小心地将每根铂/铑丝穿过加热器基座上的孔，每根导线在基座外预留约10 cm用于连接电源。布线时，确保导线低于基座的凹槽。若导线高于凹槽，应使用合适的平头螺丝刀将其压下。
   3. 在10 cm的延长导线上再缠绕更多导线，以降低电阻，从而减少加热过程中延长导线部分的温度。
3. 添加绝缘材料
   1. 使用两个小型陶瓷电绝缘套管保护从环形加热器基座引出的导线。按100:13的比例将水泥粘合剂（例如Resbond 919）与水混合，用该混合物将套管固定在环形加热器基座上。
      注：水泥在393 K下需固化4小时，或在室温下固化24小时。
   2. 使用耐高温编织护套保护外部导线。
   3. 使用CO₂激光切割机切割两个云母环。为实现导线的电气绝缘，使用UHU tac胶将一个云母环分别粘附在加热器的两侧....

结果

在本报告中，我们使用了制备的电阻式微加热器和BX-90 DAC进行EHDAC实验（图1 和 图2）。图1 展示了环形加热器的加工与制备过程。加热器基底的标准尺寸为外径22.30 mm、内径8.00 mm、厚度2.25 mm。环形加热器的尺寸可根据不同类型的压砧座和金刚石进行调整。

我们在约6 GPa压力下，使用EHDAC将压缩的H₂O样品加热至850 K，以合成单晶冰-VII。经过多次加热和冷却循环后，由液态H₂O合成的冰-VII为大尺寸单晶（图3）。所合成的单晶冰VII被用于高温高压条件下的同步辐射X射线衍射（XRD）和布里渊光谱分析。实验过程中确定了温度与功率之间的关系（图4）。单晶XRD数据通过以0.5°/步的速度将ω角从-110°旋转至.......

讨论

在本研究中，我们描述了用于高压研究的EHDAC制备方案。该装置组件包括一个微型加热器以及热绝缘和电绝缘层。此前，针对不同类型的DAC或实验构型，已有多种电阻加热器的设计^{7,17,18,19,20}。大多数加热器由研究人员自行加工，或从工业渠道购买，而这些产品通常并非专为高压实验设计。在普通机械加工车间制造微型加热器往往耗时较长，且难以保证可重复性。在大多数情况下， 不同研究组自行设计的微型加热器并未经过充分优化和系统测试。工业供应商提供的加热器通常也未针对EHDAC实验进行专门设计和优化。由于工业加工车间通常要求大批量订单，定制设计和加工的加热器成本普遍较高。因此，建立标准化且经过充分测试的加热器组件，并提供详细记录的制备流程，将有助于推动整个EHDAC实验领域的发展，使整个高压研究群体受益。此外，热绝缘层.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Au	N/A	N/A	用于压力校准
去离子水	Fisher Scientific	7732-18-5	作为冰-VII合成的起始材料
金刚石压砧池	SciStar, 北京	N/A	用于产生高压
K型热电偶	Omega	L-0044K	用于测量高温
云母	Spruce Pine Mica Company	N/A	用于电绝缘
Pt 10wt%Rh	Alfa Aesar	10065	用作加热器
叶蜡石	McMaster-Carr	8479K12	用于制作加热器基底
Re	Sigma-Aldrich	267317	用作金刚石压砧池的垫片
Resbond 919 陶瓷粘合剂	Cotronics Corp	Resbond 919-1	用于绝缘加热丝以及将金刚石固定在砧座上
红宝石	N/A	N/A	用于压力校准
Ultra-Temp 2300F 陶瓷胶带	McMaster Carr Supply	390-23M	用于热绝缘