Methodenartikel

High-Sensitivity Nucleaire Magnetische Resonantie bij Giga-Pascal Drukken: een nieuw instrument voor Onderzoek naar elektronische en chemische eigenschappen van de gecondenseerde materie onder extreme omstandigheden

11.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/52243

⸱

10 oktober 2014

 , 
1Faculty of Physics and Earth Sciences, University of Leipzig

In dit artikel

Samenvatting

Kernspinresonantie is een van de belangrijkste spectroscopische hulpmiddelen. Hier wordt de ontwikkeling van een nieuwe benadering onder hoge druk gepresenteerd, momenteel tot 10,1 GPa. Dit opent een nieuw venster naar de natuurkunde en chemie van gecondenseerde materie, waar onderzoek onder hoge druk van groot belang is.

Samenvatting

Kernspinresonantie (NMR) is een van de belangrijkste technieken voor de studie van gecondenseerde materiesystemen, hun chemische structuur en hun elektronische eigenschappen. De toepassing van hoge druk maakt het mogelijk om nieuwe materialen te synthetiseren, maar de reactie van bekende materialen op hoge druk is een zeer nuttige tool voor het bestuderen van hun elektronische structuur en het ontwikkelen van theorieën. Bijvoorbeeld, hogedruksynthese zou aan de oorsprong van het leven kunnen staan; en het begrijpen van het gedrag van kleine moleculen onder extreme druk zal ons meer vertellen over fundamentele processen in ons universum. Het is geen wonder dat er altijd grote belangstelling is geweest om NMR beschikbaar te hebben bij hoge drukken. Helaas liggen de gewenste drukken vaak ver in het Giga-Pascal (GPa) bereik en vereisen speciale tangcelapparaten waarbij slechts zeer kleine, afgesloten volumes beschikbaar zijn. Dit heeft het gebruik van NMR in het verleden bijna volledig beperkt, en pas recentelijk werd een nieuwe aanpak voor hooggevoelige GPa NMR, die een resoneerende micro-spoel binnen de monsterkamer heeft, voorgesteld. Deze aanpak stelt ons in staat om hoge gevoeligheid te bereiken met experimenten die de kracht van NMR brengen naar Giga-Pascal druk gecondenseerde materie onderzoek. Eerste toepassingen, de detectie van een topologische elektronische transitie in gewoon aluminiummetaal en het sluiten van de pseudo-gap in hoge temperatuur supergeleiding, tonen de kracht van een dergelijke aanpak. Ondertussen is het bereik van haalbare drukken enorm toegenomen met een nieuwe generatie tangcellen (tot 10,1 GPa), die passen in standaard NMR magneten. Deze aanpak kan een nieuw, belangrijk hulpmiddel worden voor de onderzoek van veel gecondenseerde materiesystemen, in de chemie, geochemie, en in de fysica, aangezien we nu structurele veranderingen kunnen observeren met de ogen van een zeer veelzijdige sonde.

Inleiding

Sinds Percy Bridgman hallmark experimenten van de gecondenseerde materie onder hoge hydrostatische druk in het begin van de vorige eeuw, heeft het gebied van hoge druk fysica snel 1 geëvolueerd. Een groot aantal intrigerende verschijnselen er voorkomen onder druk van verscheidene GPa 2. Daarnaast is de reactie van de gecondenseerde materie systemen aan hoge druk ons veel geleerd over hun elektronische grond en aangeslagen toestanden 3,4.

Helaas, voor het onderzoek van de elektronische eigenschappen van gecondenseerde materie op Giga-Pascal drukken zijn zeldzaam, met een x-ray of DC weerstand metingen leidt de weg 5. In het bijzonder wordt de detectie van elektronische of kernmagnetische momenten met elektron spin (ESR) of kernmagnetische resonantie (NMR) experimenten gebonden bijna onmogelijk om te implementeren in een typische hoge druk aambeeld cellen waarin men moet het signaal opvragen via een kleine volume vastgelegd door aambeelden en een pakking.

Verschillende groepen hebben geprobeerd om dit probleem op te lossen met behulp van complexe arrangementen, bijvoorbeeld, twee split-pair radiofrequentie (RF) spoelen gewikkeld langs de flanken van de aambeelden 6, een enkele of dubbele lus hair-pin resonator 7,8; . of zelfs een split rhenium pakking als RF pick-up spoel 9, zie figuur 1 is nog, deze benaderingen nog steeds met een lage signaal-ruisverhouding (SNR), beperken de experimentele toepassingen op grote - γ kernen zoals 1 H 10. De geïnteresseerde lezer wordt verwezen naar andere hogedruk resonante tankcircuit experimenten 11-15. Pravica en Silvera 16 verslag van de hoogste druk bereikt in een aambeeld cel voor NMR met 12,8 GPa, die de ortho-para omzetting van waterstof onderzocht.

Met grote interesse in het toepassen van NMRom de eigenschappen van quantum deeltjes te bestuderen, onze groep was geïnteresseerd in het hebben van NMR beschikbaar bij hoge druk, als goed. Tenslotte, in 2009 kon worden aangetoond dat hoge gevoeligheid aambeeld cel NMR inderdaad mogelijk als een resonerende radiofrequente (RF) micro-spoel direct in de hoge-druk holte omsluit het monster 17 is geplaatst. Bij een dergelijke benadering wordt de NMR gevoeligheid verbeterd door verscheidene grootteordes (vooral door de dramatische toename vulfactor van de RF spoel), die zelfs uitdagender NMR-experimenten mogelijk, bijvoorbeeld 17 O NMR op poeders van een hoge-temperatuur supergeleider met maximaal 7 GPa 18. Supergeleiding in deze materialen kan aanzienlijk worden versterkt door de toepassing van druk, en het is nu mogelijk om dit proces te volgen met een lokale elektronische probe die fundamenteel inzicht in de belangrijkste processen belooft. Een ander voorbeeld van de kracht van NMR onder hoge druk ontstaan ​​van wat was Believed aan routine verwijzingen experimenten zijn: om de geïntroduceerde nieuwe aambeeld cel NMR te testen, een van de meest bekende materialen werd gemeten - eenvoudige aluminium metaal. Als de druk werd verhoogd, een onverwachte afwijking van de NMR verschuiving van wat men zou verwachten voor een gratis-elektron systeem werd gevonden. Herhaalde experimenten, ook onder verhoogde druk, bleek dat de nieuwe resultaten waren inderdaad betrouwbaar. Tot slot, met de band structuur berekeningen werd vervolgens gevonden dat de resultaten van de manifestatie van een topologische overgang van het Fermi oppervlak van aluminium, die niet konden worden gedetecteerd door berekeningen jaar geleden, toen de rekenkracht was laag. Extrapolatie van de bevindingen omgevingsomstandigheden gebleken dat de eigenschappen van dit metaal dat bijna overal gebruikt worden beïnvloed door dit elektronische conditie.

Om een ​​aantal verschillende toepassingen oefenen speciaal aambeeld cellen (previous cellen hadden de Cavend ingevoerdish Laboratorium en omgebouwd voor NMR) ontwikkeld. Momenteel is de gebruikte zelfgebouwde chassis kunnen bereiken drukken tot 25 GPa met een paar 800 urn culet 6H-SiC aambeelden. NMR-experimenten werden succesvol werd tot 10,1 GPa, so far. De NMR prestaties van deze nieuwe cellen bleek uitstekend 19 te zijn. De belangrijkste component titanium-aluminium (6) -Vanadium (4) met een extra lage interstitiële level (rang 23), die een vloeisterkte van ongeveer 800 MPa 20. Door de niet-magnetische eigenschappen (de magnetische susceptibiliteit χ ongeveer 5 dpm) is voldoende materiaal voor het aambeeld cel chassis. De afmetingen van de ingebrachte cellen (zie figuur 2 voor een overzicht van alle zelfgebouwde aambeeld celontwerpen) zijn klein genoeg om te passen in reguliere standaard boring NMR magneten. De kleinste ontwerp, de LAC-TM1, dat is slechts 20 mm hoog en 17 mm in diameter, past ook typische kleine, koude-boring magneten (30 mm boring). De LAC-TM2, die uiterlijk chassis de auteurs ontworpen, gebruikt vier M4 Allen verzonken bouten (gemaakt uit dezelfde legering als de cel chassis) als druk aandrijfmechanisme, waardoor een soepele bediening van de inwendige druk (blauwe prints bevestigd aanvullende sectie).

Kenmerkend worden diamant aambeelden gebruikt om hoogste drukken van meer dan 100 GPa genereren. Xu en Mao 21-23 hebben aangetoond dat moissanite aambeelden verschaffen een kosteneffectief alternatief in hogedruk onderzoek tot drukken van ongeveer 60 GPa. Daarom werden moissanite aambeelden voor de ingevoerde GPa NMR benadering. De beste resultaten werden behaald met op maat gemaakte groot-cone 6H-SiC aambeelden uit het aambeeld afdeling van Charles & Colvard. Met deze cellen voor drukken tot 10,1 GPa, het gebruik van 800 urn culet aambeelden bleek te resulteren in zeer goede NMR gevoeligheid. Ter vergelijking, al. Bericht Lee et een SNR van 1 1 H NMR leidingwater, terwijl de SNR van het ingebrachte micro-coil benadering vertoonde een waarde van 25 voor 1/7 van hun omvang, zelfs op een iets lager magnetisch veld.

Met deze nieuwe benadering van hooggevoelige aambeeld cel NMR kan men vele toepassingen die spannende nieuwe inzichten in de fysica en chemie van moderne materialen beloven na te streven. Zoals altijd, gevoeligheid en resolutie uiteindelijk beperkt de toepassing van NMR, in het bijzonder wanneer men geïnteresseerd is in veel hogere drukken dat de kleinere afmetingen culet eisen. Dan heeft men niet alleen de cel ontwerp optimaliseren nog kleinere RF spoelen, maar ook reflectie op methoden voor het verhogen nucleaire polarisatie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1 Montage en uitlijnen van de 6H-SiC Large Cone Boehler type aambeelden

  1. Bevestig de zuiger en xy plaat in de montage-gereedschap en plaats de Boehler type aambeelden in de zithoek.
  2. Zorg ervoor dat elke aambeeld zit stevig in de backing platen.
  3. Met behulp van epoxyhars, (bv Stycast 1266), lijm beide aambeelden om hun zetels. Cure voor 12 uur bij KT, of 65 ° C in een oven gedurende 2 uur.
  4. Voor een voldoende aambeeld uitlijning, gebruik dan de M1 set-schroeven om de steunplaten te lijnen en te bewaken van de parallelliteit van beide aambeelden. Als de aambeelden werden niet evenwijdig te zijn, verwijder de epoxyhars en start bij punt 1.2.

2 Pakking Voorbereiding

  1. Boor 1 mm gaatjes in een chip van gegloeide Cu-Be (Cu 98 w%, Be 2 gew%, dikte van 0,5 mm) voor de koperen geleidepennen.
  2. Plaats drie 5 mm lange stukken van 1 mm diameter niet geïsoleerde koperdraad in de gaten, die verdeeld zijn over het aambeeld, om als guide pinnen voor de Cu-Be pakking.
  3. Controleer voor de juiste aarding tussen de geleidepennen en het cellichaam. Typisch wordt een DC-weerstand van ongeveer 0,1 Ω gewenst. Verbeteren met een toepassing van een kleine hoeveelheid geleidende zilver.
  4. Plaats de Cu-Be chip bovenop de moissanite aambeeld en sluit de cel.
  5. Met behulp van een hydraulische pers, onder druk van de pakking tot ongeveer 1/8 ste van de culet diameter voor maximale werkende stabiliteit. Toezicht houden op de werkelijke dikte van de inkeping met een micrometer remklauw.
  6. Boor een gat van de juiste diameter (½ van de culet diameter) in het midden van de inkeping.
  7. Snijd twee kanalen in de pre-ingesprongen pakking. De kanalen moeten diep genoeg zijn om de 18 urn koperdraad van de micro-spoel tegemoet te komen.
  8. Harden de voorbereide pakking bij 617 K voor 2 tot 3 uur in een oven.

3 Voorbereiden en laden van de Micro-coil

  1. Gebruik een stukje van 1 mm koperdraad eend het draad door de doorvoer van de zuiger. Bevestig de koperdraad met epoxyhars en genezen volgens stap 1.3.
  2. Kies een priem (zie de lijst van materialen), die de gewenste diameter voor de micro-spoel en zet deze vast tussen een paar draaibare boorkop-kaken.
  3. Lijm (met bijvoorbeeld vernis van SCB, zie de lijst van materialen) het ene uiteinde van de 18 micrometer koperdraad op de spanklauwen, terwijl het andere uiteinde en draai de boorkop kaak, zodat de draad wordt opgerold op de priem.
  4. Wanneer de micro-spoel van de gewenste geometrie vast het andere uiteinde van de kabel tegen de lijm ook.
  5. Gebruik verdunde vernis aan de spoel oefen een kleine hoeveelheid bovenop de wikkelingen.
  6. Verwijder de spoel voorzichtig uit de priem met teflon tape.
  7. Plaats wat epoxyhars (zie punt 1.3), zonder toevoegingen in de kanalen van de pakking.
  8. Plaats de micro-coil in de steekproef kamer en zet de draden in de kanalen.
  9. Genezen van de Epoxy hars volgens stap 1.3.
  10. Soldeer een draad van de micro-spoel om de hete draad en de andere naar een gids pin.
  11. Voeg wat zilver geleidende pasta op de top van elke kruising. Het genezen meestal duurt enige minuten.
  12. Verbinding beide juncties met een kleine hoeveelheid epoxyhars.
  13. Hard de epoxy volgens stap 1.3.
  14. Controleer nu de DC-weerstand van de spoel na elke stap.
  15. Het monster in de micro-coil. Wees ervan bewust dat een onnodig fysiek contact de spoel kan vernietigen.
  16. Voeg fijngemalen robijn poeder om het monster voor drukkalibratie.
  17. Tot slot, overspoelen de steekproef kamer met een geschikt drukmiddel. Gebruik paraffine-olie om ervoor te zorgen bijna-hydrostatische omstandigheden tot 9 GPa.
  18. Sluit de cel zorgvuldig.

4 toepassen en bewaken van de druk

  1. Op het eerste, iets draai de M3 Allen verzonken schroeven.
  2. Voor het onder druk zet de cel in een bankschroef. Nu, draaitwee tegengestelde schroeven paarsgewijs.
  3. Leg de druk cel in een geschikte cel houder.
  4. Stel de positie van de cel zodat de laserbundel de monsterkamer bereikt.
  5. Gebruik de fijninstelling tabel robijn poeder zich in de laserbundel.
  6. Bewaken van de robijn fotoluminescentiespectrum met de bijbehorende spectrometer software.
  7. Pak de werkelijke druk in de steekproef holte van de waargenomen spectrale verschuiving van de robijn R1 en R2 lijnen.
  8. Equilibreer de druk cel ten minste 12 uur vóór NMR metingen wordt begonnen.

5 Het uitvoeren van NMR experimenten

  1. Monteer de druk cel op een typische NMR probe. Fabricage juiste cel houders in een mechanische werkplaats.
  2. Soldeer de hete draad op de probe. Controleer goed elektrisch contact tussen de cel en de probe.
  3. Nu, voeren standaard NMR experimenten. Trek erop dat de micro-spoel very gevoelig voor de toegepaste radiofrequente vermogen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Figuur 3 laat zien hoe de compleet gemonteerde druk cel, de bedrading en de montage op een typische NMR sonde eruit. In het volgende zullen verschillende experimenten beoordeeld dat de lezer in staat om een ​​breed overzicht over de voordelen en beperkingen van de geïntroduceerde techniek verzamelen.

figure-results-1
Figuur 1 Verschillende benaderingen voor hoge druk N...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Een nieuwe en veelbelovende methode voor NMR presteren Giga-Pascal druk beschreven. Deze werkwijze opent de deur naar een breed scala van NMR experimenten vanwege de uitstekende gevoeligheid en resolutie. Niettemin verschillende stappen in het protocol beschreven zijn belangrijk voor de uitkomst van het experiment. Vooral de bereiding van de micro-spoel en de vastlegging in de Cu-Be pakking is zeer complex en vereist ervaring. Hieronder staan ​​een aantal belangrijke tips gegeven dat een eerste succesvolle toepassing va...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit onderzoek werd gefinancierd door de International Research Training Group (IRTG) “Diffusie in poreuze materialen”. We danken de technische ondersteuning van Gert Klotzsche en stimulerende discussies met Steven Reichhardt, Thomas Meissner, Damian Rybicki, Tobias Herzig, Natalya Georgieva, Jonas Kohlrautz en Michael Jurkutat.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

```html
Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Titanium grade 23robemetall GmbHASTM F 136
Beryllium koperfolieGoodFellowCU070501Alloy 25 (C17200)
Koperdraad voor micro-spoelPolyfilofferte op aanvraag
Stycast 1266Sil-Mid Ldt.S1266001KG
Moissaniet aambeeldjesCharles & Colvardofferte op aanvraag
Paraffine olie (drukmedium)Sigma Aldrich18512-1L
M4 Allen-schroef met inkeping (Ti64)Der SchraubenladenDIN912 M4x20
Optiprexx PLSAlmax-easylabofferte op aanvraag
Rubiën bolletjes (~10-50 µm)DiamondAnvils.comP00996
Handmatige tuimelpersDiamondAnvils.comA87000
Diktemeter voor pakkingenDiamondAnvils.comA86000
Titanium scalpel Newmatic MedicalNM45200710421 
SchrijfdiamantPlano54467
VijlenFlume1 4444 001
Klemmen (4 bekken)Flume4 561 289
DraaibankFlume4 560 023
BoormachineFlume4 570 020
BoorkopFlume4 570 021
XY-trapFlume4 570 022
Boorkop (0,30 tot 0,50 mm)Flume4 572 652 – 654
Lak voor lage temperatuurSCBshopSCBltv03
```

Referenties

  1. Hemley, R. J. Percy Bridgman´s Second Century. High Pressure Research. 30 (4), 581-619 (2010).
  2. Grochala, W., Hoffmann, R., Feng, J., Ashcroft, N. W. The Chemical imagination at work in very tight places. Angewandte Chemie (International Edition in English). 46 (20), 3620-3642 (2007).
  3. Ma, Y., et al. Transparent dense sodium. Nature. 458 (7235), 182-185 (2009).
  4. Eremets, M. I., Troyan, I. A. Conductive dense hydrogen. Nat Mater. 10 (12), 927-931 (2011).
  5. Jayaraman, A. Diamond anvil cell and high-pressure physical investigations. Rev Mod Phys. 55 (1), 65-108 (1983).
  6. Bertani, R., Mali, M., Roos, J., Brinkmann, D. A diamond anvil cell for high-pressure NMR investigations. Rev Sci Instrum. 63 (6), 3303(1992).
  7. Lee, S. -H., Luszczynski, K., Norberg, R. E., Conradi, M. S. NMR in a diamond anvil cell. Rev Sci Instrum. 58 (3), 415(1987).
  8. Lee, S. -H., Conradi, M. S., Norberg, R. E. Improved NMR resonator for diamond anvil cells. Rev Sci Instrum. 63 (7), 3674(1992).
  9. Pravica, M. G., Silvera, I. F. Nuclear magnetic resonance in a diamond anvil cell at very high pressures. Rev Sci Instrum. 69 (2), 479(1998).
  10. Lee, S. -H., Conradi, M., Norberg, R. Molecular motion in solid H2 at high pressures. Phys Rev B. 40 (18), 12492-12498 (1989).
  11. Vaughan, R. W. An Apparatus for Magnetic Measurements at High Pressure. Rev Sci Instrum. 42 (5), 626(1971).
  12. Yarger, J. L., Nieman, R. A., Wolf, G. H., Marzke, R. F. High-Pressure 1H and 13C Nuclear Magnetic Resonance in a Diamond Anvil Cell. Journal of Magnetic Resonance Series A. 114 (2), 255-257 (1995).
  13. Okuchi, T. A new type of nonmagnetic diamond anvil cell for nuclear magnetic resonance spectroscopy. Physics of the Earth and Planetary Interiors. , 143-144 (2004).
  14. Kluthe, S., Markendorf, R., Mali, M., Roos, J., Brinkmann, D. Pressure-dependent Knight shift in Na and Cs metal. Phys Rev B. 53 (17), 11369-11375 (1996).
  15. Graf, D. E., Stillwell, R. L., Purcell, K. M., Tozer, S. W. Nonmetallic gasket and miniature plastic turnbuckle diamond anvil cell for pulsed magnetic field studies at cryogenic temperatures. High Pressure Research. 31 (4), 533-543 (2011).
  16. Pravica, M., Silvera, I. NMR Study of Ortho-Para Conversion at High Pressure in Hydrogen. Physical Review Letters. 81 (19), 4180-4183 (1998).
  17. Haase, J., Goh, S. K., Meissner, T., Alireza, P. L., Rybicki, D. High sensitivity nuclear magnetic resonance probe for anvil cell pressure experiments. Rev Sci Instrum. 80 (7), 73905(2009).
  18. Meissner, T., et al. New Approach to High-Pressure Nuclear Magnetic Resonance with Anvil Cells. J Low Temp Phys. 159 (1-2), 284-287 (2010).
  19. Meier, T., Herzig, T., Haase, J. Moissanite Anvil Cell Design for Giga-Pascal Nuclear Magnetic Resonance. Rev Sci Instrum. 85 (4), 43903(2014).
  20. Boyer, R. F., Collings, E. W. Materials Properties Handbook: Titanium Alloys. , ASM International. Materials Park, OH. (1994).
  21. Xu, J. -a, Yen, J., Wang, Y., Huang, E. Ultrahigh pressures in gem anvil cells. High Pressure Research. 15 (2), 127-134 (1996).
  22. Xu, J. -a, Mao, H. -k, Hemley, R. J., Hines, E. The moissanite anvil cell a new tool for high-pressure research. J Phys Condens Matter. 14 (44), 11543-11548 (2002).
  23. Xu, J. -a, Mao, H. -k, Hemley, R. J. The gem anvil cell high-pressure behaviour of diamond and related materials. J Phys Condens Matter. 14 (44), 11549-11552 (2002).
  24. Meissner, T., et al. Nuclear magnetic resonance at up to 10.1 GPa pressure detects an electronic topological transition in aluminum metal. J Phys Condens Matter. 26 (1), 15501(2014).
  25. Meissner, T., Goh, S. K., Haase, J., Williams, G. rant V. M., Littlewood, P. B. High-pressure spin shifts in the pseudogap regime of superconducting YBa2Cu4O8 as revealed by 17O NMR. Phys Rev B. 83 (22), (2011).
  26. Goh, S. K., et al. High pressure de Haas–van Alphen studies of Sr2RuO4 using an anvil cell. Current Applied Physics. 8 (3-4), 304-307 (2008).
  27. Tateiwa, N., Haga, Y. Evaluations of pressure-transmitting media for cryogenic experiments with diamond anvil cell. Rev Sci Instrum. 80 (12), 123901(2009).
  28. Hahn, E. Spin Echoes. Phys Rev. 80 (4), 580-594 (1950).
  29. Boehler, R., Ross, M., Boercker, D. Melting of LiF and NaCl to 1 Mbar Systematics of Ionic Solids at Extreme Conditions. Physical Review Letters. 78 (24), 4589-4592 (1997).
  30. Funamori, N., Sato, T. A cubic boron nitride gasket for diamond-anvil experiments. Rev Sci Instr. 79 (5), 053903(2008).
  31. Forman, R. A., Piermarini, G. J., Barnett, J. D., Block, S. Pressure measurement made by the utilization of ruby sharp-line luminscence. Science. 176 (4032), 284-285 (1972).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

NMR met hoge gevoeligheidhogedrukanvilcellenpreparatie van microspoelenrobijndruksensorenparaffineolie mediumelektrische aardverbindingdrukkalibratiemethodestandaard NMR probe

Gerelateerde artikelen