エクストリーム圧力と温度での合成とMicrodiffraction

この手順の全体的な目標は、高圧および高温での合成を行うこと、および高圧相のシンクロトロンマイクロ回折特性評価を行うことです。これは、まず、開口部の広いダイヤモンドアンビルセルに目標圧力でサンプルをロードすることによって達成されます。2番目のステップは、両面レーザー加熱システムを使用してサンプルを加熱することです。

一方、温度は放出された黒体放射を利用して監視されます。最後のステップは、回折データを収集し、データ収集戦略をサンプルの粒度、単結晶、多結晶、および粉末に調整することです。最終的に、これにより、高圧相の堅牢な構造解析と、複雑な不均一サンプルの包括的な記述が可能になります。

抵抗加熱のような既存の方法に対するこの技術の主な利点は、ダイヤモンド鉄セルの高圧条件ではるかに高い温度に達することができることです。この方法は、相の理解、惑星内部の構成、特性、惑星ダイナミクスなど、電気地球物理学および地球化学分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。これらの高圧および温度合成実験は、アルゴンヌ国立研究所の先進光子源、ジオソイルおよびViro先端放射線源センター、13 IDDビームライン、または高圧協調アクセスチーム、16 IDBビームラインのいずれかで行われます。

これらのビームラインでのX線の典型的なエネルギーは30キロ電子ボルトで、焦点スポットでのビームサイズは約5マイクロメートル×5マイクロメートルです。半値全幅。まず、ダイヤモンドアンビルセルマウントに目標圧力までサンプルをロードします。

水冷銅ホルダーの高圧装置。次に、これをサンプルステージにマウントします。加熱に用いるレーザー光と回折に用いるX線は、試料ステージの回転軸上の試料位置に照射されます。

次に、実験ステーションを出て閉じます。常に実験室の安全手順に従ってください。加熱および回折システムは遠隔操作されます。

まず、フォトダイオードで測定したサンプルのX線吸収プロファイルを使用して、サンプルステージの回転軸上にサンプルを正確に配置します。次に、上流と下流のレーザー加熱光学部品をX線ビームパスに移動します。光学系に焦点を合わせて、サンプルを鮮明に表示します。

次に、ダイヤモンドアンビルの傾きを補正するために、加熱ミラーを調整します。1063ナノメートルの赤外線レーザーをオンにし、サンプルが光り始めたら、サンプルに供給されるレーザー出力をゆっくりと増やします。イメージング分光器を使用して熱放射スペクトルを収集します。

黒体の振る舞いを仮定し、観測されたスペクトルを板の放射関数に当てはめます。サンプル温度を決定するには、上部レーザーと下部レーザーの出力を調整して、サンプルを加熱しながらサンプルの両側で測定された目標温度を達成します。フラクションパターンを収集して、初期材料特性ピークの消失と、サンプルの温度が上昇するにつれて新しい相ピークの出現を監視します。

次に、試料をX線ビームに対して垂直な平野に数マイクロメートル刻みで移動させることにより、試料をできるだけ均一に加熱します。これが完了したら、レーザーの電源を切り、光学部品をX線経路から外します。合成が完了したら、X線回折データの収集を開始します。

約5マイクロメートルのステップサイズでサンプル領域をカバーする2Dグリッド分布で静止回折画像のセットを取得します。おおよその X 線ビーム サイズ。回折画像を使用して、単結晶および粉末の回折分析に最適な位置のセットを選択します スポットがほとんどないことを示す画像は、1つまたは少数の結晶によって生成される可能性が高く、良好な単結晶回折パターンを提供する可能性があります。

滑らかなまたはむらのあるバイリングを示すパターンは、粉末回折分析に適しています。サンプルステージを平行移動して、X線経路の最初の単結晶位置を配置し、広角回折像を収集します。さらに、角度ステップサイズが1度以下の回転回折パターンのセットを収集します。

単結晶の位置ごとにこれを繰り返します。次に、サンプルを移動します。したがって、粉末回折のために特定された部位はX線ビームにあります。

大きな角度ステップサイズ(たとえば、合計70度の開口部)を持つ回転回折像を収集します。10度のステップサイズを持つ7つの画像が、各粉末回折位置で繰り返されます。これらの粉末回折パターンは、ヘマタイトと鉄の混合物を15ギガパスカルと1700ケルビンで加熱した後に得られます。

圧力伝達媒体はネオンです。FE 4 0 5の高圧相が形成されると予想されますが、結果は場所によって異なります。このデータは、FE 4 0 5の合成が起こらなかったサンプルの周辺部分を示しています。

代わりに、ウィットFEOが結成されました。局所的に高い鉄と酸素の比率は、局所的な鉄とヘマタイトの比率がわずかに高いか、熱的に誘発される化学的勾配によって引き起こされる可能性があります。この場所で、FE 4 0 5が形成されました。

そのピークは赤です。さらに、細粒の非結晶化ヘマタイトのドバイリングが見られます。これは、反応が不完全であり、おそらく不均一な加熱によるものであることを示しています。

最終的な部位は、反応が完了し、ほぼ純粋なFE 4 0 5が形成された場所を表しています。これがEPI4 0 5の発見につながった単結晶回折パターンです。これは、G-S-E-A-D-AおよびRSVソフトウェアを使用してインデックス化されます。

RSVソフトウェアを使用して、FE 4 0 5ユニットセルとともに、逆数空間内のピーク位置の3次元ビューを示します。粉末回折データと同様に、単結晶回折データは、ダイヤモンドアニルセルで測定した場合、分解能と強度の信頼性に限界があります。それにもかかわらず、データの3次元の性質により、より堅牢な解釈が可能になります。

一度習得すれば、この手順に続いて、このテクニックは1時間以内に行うことができます。回収されたサンプルの微量分析や第一原理計算などの他の方法も実行できます。これにより、構造データの解釈をサポートし、高圧相の安定性と特性を理解します。