Síntese e microdiffraction a pressões e temperaturas extremas

O objetivo geral deste procedimento é realizar a síntese em alta pressão e temperatura, e realizar a caracterização por microdifração síncrotron das fases de alta pressão. Isso é feito carregando primeiro uma amostra na pressão alvo em uma célula de bigorna de diamante de ampla abertura. O segundo passo é aquecer a amostra usando um sistema de aquecimento a laser de dupla face.

Enquanto isso, a temperatura é monitorada explorando a radiação de corpo negro emitida. A etapa final é coletar dados de difração, ajustando a estratégia de coleta de dados ao tamanho do grão da amostra, cristal único, cristais múltiplos e pó. Em última análise, isso permite uma análise estrutural robusta de fases de alta pressão e uma descrição abrangente de amostras heterogêneas complexas.

A principal vantagem desta técnica sobre os métodos existentes, como o aquecimento resistivo, é que ela pode atingir temperaturas muito mais altas nas condições de alta pressão em uma célula de ferro diamantado. Este método pode ajudar a responder a questões-chave nos campos da eletrogeofísica e geoquímica, como entender as fases, compor interiores planetários, as propriedades e a dinâmica planetária. Esses experimentos de síntese de alta pressão e temperatura são realizados na fonte avançada de fótons do Argonne National Laboratory, seja no geosolo e no Viro Center for Advanced Radiation sources, 13 IDD beam line, ou aqui na equipe de acesso colaborativo de alta pressão, 16 IDB beam line.

A energia típica dos raios-x nessas linhas de feixe é de 30 quilo elétron-volts, e o tamanho do feixe no ponto focal é de cerca de cinco micrômetros por cinco micrômetros. Largura total na metade do máximo. Comece com uma amostra carregada para atingir a pressão em uma montagem de célula de bigorna de diamante.

O dispositivo de alta pressão no suporte de cobre refrigerado a água. Em seguida, monte-o no estágio de amostra. O feixe de laser usado para aquecimento e o feixe de raios X usado para difração são pré-fixados para a posição da amostra no eixo de rotação do estágio de amostra.

Agora, saia e feche a estação experimental. Sempre siga os procedimentos de segurança do laboratório. Os sistemas de aquecimento e difração são operados remotamente.

Primeiro, use perfis de absorção de raios X da amostra medidos com um fotodiodo para posicionar com precisão a amostra no eixo de rotação do estágio da amostra. Em seguida, mova os componentes ópticos de aquecimento a laser a montante e a jusante para o caminho do feixe de raios X. Foque a óptica para uma visualização clara da amostra.

Em seguida, ajuste os espelhos de aquecimento para compensar a inclinação das bigornas diamantadas. Ligue os lasers infravermelhos de 1063 nanômetros e aumente lentamente a potência do laser fornecida à amostra quando a amostra começar a brilhar. Colete o espectro de radiação térmica usando um espectrógrafo de imagem.

Assuma o comportamento do corpo negro e ajuste o espectro observado à função de radiação da prancha. Para determinar a temperatura da amostra, ajuste a potência dos lasers superior e inferior para atingir a temperatura alvo medida em ambos os lados da amostra enquanto aquece a amostra. Colete padrões de fração para monitorar o desaparecimento dos picos característicos iniciais do material e o aparecimento dos novos picos de fase à medida que a temperatura da amostra aumenta.

Em seguida, aqueça a amostra o mais uniformemente possível, movendo-a na perpendicular plana ao feixe de raios X em passos de alguns micrômetros. Feito isso, desligue os lasers e mova os componentes ópticos para fora do caminho de raios-x. Uma vez concluída a síntese, inicie a coleta de dados de difração de raios-x.

Adquira um conjunto de imagens de difração estática em uma distribuição de grade 2D que cubra a área da amostra com o tamanho do passo de cerca de cinco micrômetros. O tamanho aproximado do feixe de raios X. Use as imagens de difração para selecionar um conjunto de locais mais adequados para análise de difração de cristal único e pó As imagens que mostram poucos pontos provavelmente são geradas por um ou alguns cristais e podem fornecer bons padrões de difração de cristal único.

Os padrões que mostram anéis de compra lisos ou irregulares são adequados para análise de difração de pó. Traduza o estágio de amostra para colocar o primeiro local de cristal único no caminho do raio-x e colete uma imagem de difração de grande angular. Além disso, colete um conjunto de padrões de difração de rotação com um tamanho de passo angular de um grau ou menos.

Repita isso para cada local de cristal. Em seguida, mova a amostra. Portanto, um local identificado para difração de pó está no feixe de raios-x.

Colete imagens de difração de rotação com um tamanho de passo angular grande, por exemplo, para uma abertura total de 70 graus. Sete imagens com uma repetição de tamanho de passo de 10 graus para cada local de difração de pó. Esses padrões de difração de pó são obtidos após uma mistura de hematita e ferro ser aquecida a 15 giga pascais e 1700 kelvin.

O meio transmissor de pressão é neon. Espera-se que a fase de alta pressão de FE 4 0 5 seja formada, mas os resultados variam de acordo com a localização. Esses dados referem-se a uma porção marginal da amostra onde não ocorreu a síntese de FE 4 0 5.

Em vez disso, o wite FEO foi formado. A proporção localmente alta de ferro para oxigênio é provavelmente causada por uma proporção local de ferro para hematita ligeiramente mais alta ou um gradiente químico induzido termicamente. Neste local, FE 4 0 5 foi formado.

Seus picos estão em vermelho. Além disso, anéis de Dubai de hematita não cristalizada de granulação fina são vistos. Isso sugere que a reação é incompleta, provavelmente devido ao aquecimento não homogêneo.

O local final é representativo de um local onde a reação foi completa e quase puro FE 4 0 5 foi formado. Aqui está o padrão de difração de cristal único que levou à descoberta do EPI 4 0 5. É indexado usando o software G-S-E-A-D-A e RSV.

Uma visão tridimensional dos locais de pico no espaço recíproco, juntamente com a célula unitária FE 4 0 5 é mostrada usando o software RSV. Como os dados de difração de pó, os dados de difração de cristal único sofrem limitações de confiabilidade de baixa resolução e intensidade quando medidos em uma célula de anil de diamante. No entanto, a natureza tridimensional dos dados permite uma interpretação mais robusta.

Uma vez dominada, esta técnica pode ser feita em menos de uma hora Após este procedimento. Outros métodos, como microanálise de amostras recuperadas e cálculos de primeiro princípio, podem ser realizados. Isso apoiará a interpretação de dados estruturais e entenderá a estabilidade e as propriedades das fases de alta pressão.