В этом докладе мы опишем подробные процедуры для проведения одиночных экспериментов по дифракции кристалла рентгеновских с алмазной наковальнях на GSECARS 13-BM-C пучкового на Advanced Photon Source. программы Atrex и RSV используются для анализа данных.
В этом докладе мы опишем подробные процедуры для проведения одиночных экспериментов по дифракции кристалла рентгеновских с алмазной наковальнях (КСР) в GSECARS 13-BM-C пучкового на Advanced Photon Source. Программа DAC на 13-BM-C является частью Партнерства для экстремальных Xtallography (2 PX ^) проекта. DACs BX-90 типа с алмазных наковален конического типа и отступающих пластин рекомендуются для этих экспериментов. Отборная камера должна быть загружена с благородным газом для поддержания среды гидростатического давления. Образец выравнивается с центром вращения дифракционной гониометра. Детектор площадь MARCCD калибруется с порошковой дифракции от 6 LaB. В образец дифракционные пики анализируют с программой программного обеспечения Atrex, а затем индексируются с программой RSV программного обеспечения. РСВ используется для уточнения матрицы UB монокристалла, и с этой информацией и функции пика предсказания, более дифракционных пиков могут быть расположены. представительмонокристалл дифракционные данные из омфаците (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 образца были собраны. Анализ полученных данных дал моноклинную решетку с Р2 / п пространственной группы на 0,35 ГПа, и были найдены параметры решетки , чтобы быть: а = 9,496 ± 0,006 Å, б = 8,761 ± 0,004 Å, с = 5,248 ± 0,001 Å, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90º.
Монокристалл дифракции рентгеновских лучей является одним из наиболее эффективных и хорошо зарекомендовавших способов определить химический состав и структуру кристаллического материала при различных экспериментальных условиях. В последнее время было несколько 1-5 событий в камерах высокого давления монокристаллической дифракции. Давление является одним из основных факторов, влияющих на поведение и свойства Земли и планетарных материалов. Эксперименты высокого давления обычно открывают новые полиморфы распространенных материалов, и может раскрыть способы синтезировать химические вещества, которые невозможно сделать в условиях окружающей среды. В последнее время несколько новых силикатных полиморфные были идентифицированы с высоким давлением монокристаллической дифракции, которые обеспечивают новое понимание свойств земной мантии 6-8.
В отличие от монокристаллической дифракции при атмосферном давлении, при высоком давлении монокристалл дифракция требует сосуд высокого давления для генерирования иподдержания давления в процессе сбора данных. Наиболее распространенным сосуд высокого давления используется в камерах высокого давления монокристаллической дифракции является алмазной ячейке (ЦАП), который состоит из пары алмазных наковален, скрепленных металлическим каркасом / металлической прокладкой, и передающую давление среду, чтобы обеспечить гидростатический среда в камере образца 4,9-11. Монокристалл дифракции с использованием алмазной ячейке отличается от дифракции в условиях окружающей среды в нескольких важных направлениях. Во-первых, охват обратного пространства значительно снижается из-за ограниченного рентгеновским угловым доступом через тело ЦАП и отступающих пластин. Во-вторых, в зависимости от угла поглощения рентгеновских лучей алмазов и отступающих пластин должны быть определены и использоваться для коррекции сигнала дифракции, так что точные структурные факторы могут вычисляться. В-третьих, любое перекрытие дифракционного сигнала образца с разбросом или дифракцией компонентов ЦАП, таких как алмазы, прокладку и transmittin давленияг среда, должны быть устранены. В-четвертых, совместив образца в DAC к центру гониометра трудно. Направление, перпендикулярное к оси нагрузки на ЦАП всегда блокируется прокладки, и не доступен либо с помощью оптического микроскопа или пучка рентгеновского излучения. В осевом направлении, оптический микроскоп может визуализировать только смещенный изображение образца из-за высокого показателя преломления алмаза. Эти различия требуют изобретение новых методов измерения дифракционной монокристаллических высокого давления.
Партнерство для экстремальных Xtallography (2 PX ^) проект представляет собой новый исследовательская инициатива, посвященная высокого давления монокристаллической дифракции с DACs. Проект размещается на GeoSoilEnviroCARS опытной станции 13-BM-C на APS, которая обеспечивает большую часть инфраструктуры , включая детекторы, ориентированные рентгеновские лучи и 6-круг для тяжелых условий эксплуатации дифрактометр 12,13 оптимизированы для различных передовых кристаллографии experimeNTS. Дифрактометр имеет шесть угловых степеней свободы, четыре образца-ориентирование (μ, η, x и φ) и два детектора ориентирующих (б и v). Угловые конвенции от вас 13 используются для описания движения образца и детектора, хотя η, χ и ф движения являются псевдо-углы , полученные из геометрии Каппа реальных двигателей инструмента. Экспериментальные методики были оптимизированы для высокого давления монокристаллической дифракции с DACs, и набор обработки данных и программного обеспечения для анализа пакетов был разработан. В этой рукописи, мы представляем подробный протокол для типичного высокого давления монокристаллического дифракционного эксперимента с использованием типа BX-90 ЦАП 9, в качестве руководства для сбора и анализа данных при РХ ^ 2.
В этом докладе мы покажем детальную процедуру проведения одиночных экспериментов кристаллической дифракции с DACs на пучкового GSECARS 13-BM-C. DACs типа BX-90 с алмазных наковален BA-типа и отступающих пластин рекомендуются для монокристаллических дифракционных экспериментов 2,9,15. Преимущество BX-90 типа ЦАП является более широким угловым доступом по сравнению с традиционными симметричными DACs, что обеспечивает эффективное выборки многих дифракционных пиков 9,15. Широкий угловой доступ становится критическим для образцов с более низкой симметрией и с меньшими единичными элементами: первые требуют больше дифракционных пиков , чтобы точно ограничить параметры решетки, а вторые дают меньше дифракционных пиков в пределах заданной угловой доступа 2. Более угловатыми один доступ достигает в эксперименте, более точные атомные позиционные параметры измеряются 2,4. Ограниченный угловой доступа может привести к двумерным вектор обратной набора данных, MakING надежную интерпретацию данных математически невозможно 2.
Одним из важных, но часто забывают шаг заключается в выборе подходящей среды передачи давления. Хотя средства массовой информации под давлением , такие как аргон, силиконовое масло или метанол-этанол-вода раствор использовали в предыдущих экспериментах одиночных кристаллической дифракции , которые не превышала 10 ГПа 21-23, эти средства массовой информации давление стало значительно негидростатическая между 5-10 ГПа 22, и значительно уменьшить качество кристалла при сжатии 2,22. Наш общий опыт показывает, что только Он и Ne результат в высоких экспериментах качества до 50 ГПа (например, ссылки 6,7). В ЛПВ, эти газы могут быть удобно загружены в ЦАП с использованием GSECARS / COMPRES загрузки газа устройство 14. Когда он или Ne выбран в качестве среды , передающей давление, образец камеры сжимается во время загрузки газа (рисунок 2). После того, как образец непосредственно затрагивает прокладку,он легко ломается при сжатии. Поэтому важно, чтобы развернуть большую достаточно камеру для образца, диаметр которых составляет по меньшей мере 2/3 от Culet диаметра, чтобы избежать контакта между образцом и прокладки после газовой нагрузки.
Синхротрона на основе монохромные монокристалл установки дифракции при РХ ^ 2 является уникальным. По сравнению с лабораторным дифрактометрах, синхротронное источник рентгеновского излучения обеспечивает гораздо больший поток (> 10 4) 4,27,28, что значительно улучшает отношение сигнал-шум и сокращает время сбора данных 4,27,28. Синхротронное на основе порошковой дифракции также широко используется для определения структуры материалов при высоких давлениях посредством подхода Ритвельда 4. Монокристалл дифракция имеет преимущества по сравнению с подходом Ритвельда, потому что разъединяет примерку параметров решетки и структурных параметров 2,4. Порошковая дифракция с Ритвелд обычно требует установки арматуры и Lat Параметры Тайс и структурные параметры в то же время, в то время как число независимых наблюдений , как правило , значительно ниже , чем в монокристаллической дифракции 4. Другой метод определения общей структуры является Лауэ дифракция, которая использует полихроматического излучения с детектором 4 зоны. По сравнению с монохроматическим сбора данных на PX ^ 2, восстановление данных метода Лауэ требует соблюдения дополнительных условий , включая гармоники деконволюции и нормализации интенсивности, который добавляет дополнительные трудности при анализе данных 4,24. Монохромный монокристалл дифракция является прямым способом решения структур, но она имеет свои ограничения. Идеальный набор данных монохроматического монокристаллической дифракции требует от дефектов менее кристалл с размером десятков мкм, а качество кристалла необходимо сохранить при высоких давлениях. Эти требования могут быть трудно удовлетворить для некоторых Неподавляемый минералов, таких как bridgmanite 25.
Содержание "> Время решена монокристалл дифракция способна захватывать переходные метастабильные состояния и кинетика превращения во время давления индуцированных структурных переходов, а также является одним из направлений будущих исследований для PX ^ 2 26. Количественная характеристика дефектов и динамики решетки, основанные на анализе рентгеновского диффузного рассеяния при высоких давлениях также в стадии разработки на PX ^ 2 26. компактная оптическая платформа для лазерной нагреваемого высокого давления монокристаллического дифракции строится, и позволит землю научное сообщество для изучения поведения материалов в условиях глубокого заземления 26.The authors have nothing to disclose.
Эта работа была выполнена в GeoSoilEnviroCARS (сектор 13), Партнерства по программе Экстремальные кристаллографии (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS) и Аргоннской национальной лаборатории. GeoSoilEnviroCARS поддерживается Национальным научным фондом-наук о Земле (EAR-1128799) и Департамента энергетики-землеведения (DE-FG02-94ER14466). 2 Программа PX ^ поддерживается COMPRES в рамках НФС Соглашения о сотрудничестве между EAR 11-57758. Использование Advanced Photon Source был поддержан Департаментом энергетики США, Управления науки, Управление основной энергии наук, по договору № DE-C02-6CH11357. Использование системы газовой нагрузки COMPRES-GSECARS была поддержана COMPRES в рамках НФС Соглашения о сотрудничестве между EAR 11-57758 и GSECARS через грант NSF EAR-1128799 и DOE грант DE-FG02-94ER14466. Мы также хотели бы поблагодарить Downs проф RT в Университете штата Аризона за любезно предоставленные образцы из коллекций RRUFF.
Diamond | Almax | P01037 | Boehler-Almax type diamond |
Backing plate | Almax | P01289 | Backing plate's design should match the diamond's design |
Re gasket | Alfa Aesar | 10309 | |
Epoxy | Henkel Loctite | Stycast 2651 | |
Polymer micromesh | MiTeGen | M3-L18SP-25 | |
Goniometer head | Hampton Research | HR4-647 | |
Software: ATREX | Open source software | Website: https://github.com/pdera/GSE_ADA | |
Software: RSV | Open source software | Website: https://github.com/pdera/RSV | |
Software: cell_now | Bruker Corporation | ||
Software: CCD_DC | Free software |