Síntesis y microdifracción a presiones y temperaturas extremas

El objetivo general de este procedimiento es realizar la síntesis a alta presión y temperatura, y realizar la caracterización de microdifracción de sincrotrón de las fases de alta presión. Esto se logra cargando primero una muestra a la presión objetivo en una celda de yunque de diamante de amplia apertura. El segundo paso es calentar la muestra utilizando un sistema de calentamiento láser de doble cara.

Mientras tanto, la temperatura se controla aprovechando la radiación del cuerpo negro emitida. El paso final es recopilar datos de difracción, ajustando la estrategia de recopilación de datos al tamaño de grano de la muestra, monocristal, múltiples cristales y polvo. En última instancia, esto permite un análisis estructural robusto de las fases de alta presión y una descripción completa de muestras heterogéneas complejas.

La principal ventaja de esta técnica sobre los métodos existentes, como el calentamiento resistivo, es que puede alcanzar temperaturas mucho más altas en las condiciones de alta presión en una celda de hierro de diamante. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en los campos de la electrogeofísica y la geoquímica, como la comprensión de las fases, la composición de los interiores planetarios, las propiedades y la dinámica planetaria. Estos experimentos de síntesis de alta presión y temperatura se realizan en la fuente de fotones avanzados del Laboratorio Nacional Argonne, ya sea en el geosuelo y el Centro Viro para fuentes de radiación avanzadas, línea de haz 13 IDD, o aquí en el equipo de acceso colaborativo de alta presión, línea de haz 16 IDB.

La energía típica de los rayos X en estas líneas de haz es de 30 kilonvoltios de electrones, y el tamaño del haz en el punto focal es de aproximadamente cinco micrómetros por cinco micrómetros. Ancho completo a la mitad del máximo. Comience con una muestra cargada a la presión objetivo en un montaje de celda de yunque de diamante.

El dispositivo de alta presión en el soporte de cobre refrigerado por agua. A continuación, móntelo en la etapa de muestra. El rayo láser utilizado para el calentamiento y el haz de rayos X utilizado para la difracción se alimentan de la posición de la muestra en el eje de rotación de la etapa de muestra.

Ahora, salga y cierre la estación experimental. Siga siempre los procedimientos de seguridad del laboratorio. Los sistemas de calefacción y difracción se operan de forma remota.

En primer lugar, utilice los perfiles de absorción de rayos X de la muestra medidos con un fotodiodo para posicionar con precisión la muestra en el eje de rotación de la etapa de muestra. A continuación, mueva los componentes ópticos de calentamiento láser aguas arriba y aguas abajo hacia la trayectoria del haz de rayos X. Enfoque la óptica para una visualización clara de la muestra.

A continuación, ajuste los espejos calefactores para compensar la inclinación de los yunques de diamante. Encienda los láseres infrarrojos de 1063 nanómetros y aumente lentamente la potencia del láser entregada a la muestra cuando la muestra comience a brillar. Recoja el espectro de radiación térmica utilizando un espectrógrafo de imágenes.

Asumir el comportamiento del cuerpo negro y ajustar el espectro observado a la función de radiación de la tabla. Para determinar la temperatura de la muestra, ajuste la potencia de los láseres superior e inferior para alcanzar la temperatura objetivo medida en ambos lados de la muestra mientras calienta la muestra. Recopile patrones de fracción para monitorear la desaparición de los picos característicos iniciales del material y la aparición de los nuevos picos de fase a medida que aumenta la temperatura de la muestra.

A continuación, caliente la muestra lo más uniformemente posible moviéndola en la plana perpendicular al haz de rayos X en pasos de unos pocos micrómetros. Una vez hecho esto, apague los láseres y mueva los componentes ópticos fuera de la trayectoria de los rayos X. Una vez completada la síntesis, inicie la recopilación de datos de difracción de rayos X.

Adquiera un conjunto de imágenes fijas de difracción en una distribución de cuadrícula 2D que cubra el área de la muestra con un tamaño de paso de aproximadamente cinco micrómetros. El tamaño aproximado del haz de rayos X. Utilice las imágenes de difracción para seleccionar el conjunto de ubicaciones más adecuadas para el análisis de difracción de monocristal y polvo Las imágenes que muestran pocas manchas probablemente sean generadas por uno o unos pocos cristales y podrían proporcionar buenos patrones de difracción de un solo cristal.

Los patrones que muestran anillos de compra lisos o irregulares son adecuados para el análisis de difracción de polvo. Transfiera la etapa de muestra para colocar la primera ubicación de un solo cristal en la trayectoria de rayos X y recopilar una imagen de difracción de gran angular. Además, recopile un conjunto de patrones de difracción de rotación con un tamaño de paso angular de un grado o menos.

Repita esto para cada ubicación de cristal individual. A continuación, mueva la muestra. Por lo tanto, un sitio identificado para la difracción de polvo está en el haz de rayos X.

Recopile imágenes de difracción de rotación con un tamaño de paso angular grande, por ejemplo, para una apertura total de 70 grados. Siete imágenes con un tamaño de paso de 10 grados se repiten para cada ubicación de difracción de polvo. Estos patrones de difracción del polvo se obtienen después de que una mezcla de hematita y hierro se calentó a 15 giga pascales y 1700 kelvin.

El medio transmisor de presión es el neón. Se espera que se forme la fase de alta presión de FE 4 0 5, pero los resultados varían según la ubicación. Estos datos se refieren a una porción marginal de la muestra donde no se produjo la síntesis de FE 4 0 5.

En su lugar, se formó wite FEO. La proporción localmente alta de hierro a oxígeno es probablemente causada por una proporción local de hierro a hematita ligeramente más alta o un gradiente químico inducido térmicamente. En este lugar, se formó FE 4 0 5.

Sus picos están en rojo. Además, se observan anillos de Dubái de hematita de grano fino y no cristalizado. Esto sugiere que la reacción es incompleta, probablemente debido a un calentamiento no homogéneo.

El sitio final es representativo de un lugar donde la reacción fue completa y se formó FE 4 0 5 casi puro. Aquí está el patrón de difracción de un solo cristal que condujo al descubrimiento de EPI 4 0 5. Se indexa mediante el software G-S-E-A-D-A y RSV.

Utilizando el software RSV se muestra una vista tridimensional de las ubicaciones de los picos en el espacio recíproco, junto con la celda unitaria FE 4 0 5. Al igual que los datos de difracción de polvo, los datos de difracción de un solo cristal sufren de limitaciones de confiabilidad de baja resolución e intensidad cuando se miden en una celda de diamante. No obstante, la naturaleza tridimensional de los datos permite una interpretación más robusta.

Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en menos de una hora siguiendo este procedimiento. Se pueden realizar otros métodos, como el microanálisis de las muestras recuperadas y los cálculos de primeros principios. Esto apoyará la interpretación de los datos estructurales y comprenderá la estabilidad y las propiedades de las fases de alta presión.