极端压力与温度下的合成与微衍射

本实验的总体目标是在高温高压条件下进行合成，并对高压相进行同步辐射微区衍射表征。该目标通过以下步骤实现：首先，在大开口金刚石压砧池中将样品加压至目标压力；第二步，使用双面激光加热系统对样品加热。

同时，通过利用样品发射的黑体辐射来监测温度。最后一步是收集衍射数据，根据样品的晶粒尺寸、单晶、多晶或粉末状态调整数据采集策略。最终，这使得能够对高压相进行可靠的结构分析，并对复杂的非均质样品作出全面表征。

与现有的电阻加热等方法相比，该技术的主要优势在于，它能够在金刚石压腔的高压条件下达到更高的温度。该方法有助于回答电磁地球物理学和地球化学领域的关键问题，例如理解行星内部的物相组成、物质特性以及行星动力学。这些高温高压合成实验在美国阿贡国家实验室的先进光子源进行，实验地点包括地球土壤与病毒先进辐射源中心的13 IDD光束线，或高压协作访问团队的16 IDB光束线。

这些光束线的X射线典型能量为30千电子伏特，焦点处的光束尺寸约为5微米×5微米（半高全宽）。从一个已加载至目标压力的样品开始，将其置于金刚石压砧装置中。

将高压装置安装在水冷铜制样品 holder 中，然后将其固定在样品台的样品位置上。用于加热的激光束和用于衍射的X射线束被引导至样品台旋转轴上的样品位置。

现在，退出并关闭实验站。务必遵守实验室安全规程。加热和衍射系统由远程操作。

首先，使用光电二极管测量样品的X射线吸收谱，以精确定位样品在样品台旋转轴上的位置。接着，将上游和下游的激光加热光学组件移入X射线光路中。调整光学元件焦距，以获得清晰的样品视野。

然后调节加热反射镜，以补偿金刚石压砧的倾斜。开启1063纳米的红外激光器，当样品开始发光时，缓慢增加输送至样品的激光功率。使用成像光谱仪收集热辐射光谱。

假设为黑体行为，并将观测到的光谱拟合到普朗克辐射函数。为确定样品温度，在加热样品的同时调节上下激光器的功率，使样品两侧测得的温度达到目标值。收集一系列衍射图样，以监测随着样品温度升高，初始材料特征峰的消失以及新相峰的出现。

接下来，通过在垂直于X射线束的平面内以几微米为步长移动样品，尽可能均匀地加热样品。完成后，关闭激光器，并将光学组件移出X射线光路。一旦合成完成，即开始X射线衍射数据采集。

以约五微米的步长，在二维网格分布中采集覆盖样品区域的一系列静态衍射图像。使用近似的X射线束尺寸。利用衍射图像选择最适合进行单晶和粉末衍射分析的一组位置：斑点较少的图像可能由一个或少数几个晶体产生，可能提供良好的单晶衍射图样。

呈现平滑或斑点状生长环的样品适用于粉末衍射分析。移动样品台，使第一个单晶位置位于X射线光路中，并采集广角衍射图像。此外，以不超过1度的角步长采集一组旋转衍射图样。

对每个单晶位置重复此操作。接下来，移动样品，使确定用于粉末衍射的位置处于X射线束中。

以较大的角度步长采集旋转衍射图像，例如，总开角为70度时，每个粉末衍射位置重复采集七张图像，步长为10度。这些粉末衍射图样是在赤铁矿与铁的混合物在15吉帕和1700开尔文条件下加热后获得的。

传压介质为氖气。预期会形成Fe405的高压相，但结果随位置不同而有所变化。该数据对应于样品的边缘部分，在此区域Fe405的合成并未发生。

相反，形成了氧化铁（FEO）。局部较高的铁氧比可能是由于局部铁与赤铁矿的比例略高，或热诱导产生的化学梯度所致。在此位置，形成了 FE 4 0 5。

其峰呈红色。此外，还可观察到迪拜细粒非结晶赤铁矿的环状结构。这表明反应不完全，最可能的原因是加热不均匀。

最终位点代表反应完全且几乎生成了纯的FE 4 0 5的区域。这是导致发现EPI 4 0 5的单晶衍射图谱。该图谱使用G-S-E-A-D-A和RSV软件进行标定。

使用RSV软件展示了倒易空间中峰位的三维视图，以及FE 4 0 5晶胞结构。与粉末衍射数据类似，在金刚石对顶砧装置中测得的单晶衍射数据也存在分辨率低和强度可靠性受限的问题。尽管如此，此类数据的三维特性使其能够进行更为可靠的解析。

掌握该技术后，按照本操作流程可在一小时以内完成。还可进行其他方法，如回收样品的微分析和第一性原理计算，以支持对结构数据的解析，并理解高压相的稳定性和性质。