I denna rapport beskriver vi detaljerade förfaranden för att utföra enkla kristall röntgendiffraktion experiment med en diamant städ cell vid GSECARS 13-BM-C strålröret vid Advanced Photon Source. Atrex och RSV program används för att analysera data.
I denna rapport beskriver vi detaljerade förfaranden för att utföra enkla kristall röntgendiffraktion experiment med en diamant städ cell (DAC) vid GSECARS 13-BM-C strålröret vid Advanced Photon Source. DAC programmet vid 13-BM-C är en del av partnerskapet för Extreme Xtallography (PX ^ 2) projekt. BX-90 typ DAC med konisk typ diamant städ och fästplattor rekommenderas för dessa experiment. Provkammaren ska laddas med ädelgas för att upprätthålla ett hydrostatiskt tryck miljö. Provet är anpassad till rotationscentrum för diffraktion goniometer. Områdesdetektor MARCCD är kalibrerad med en pulver diffraktionsmönster från labb 6. Prov diffraktionstoppar analyseras med Atrex programmet, och sedan indexeras med RSV programmet. RSV används för att förfina UB matris av enkristallen, och med denna information och topp förutsägelse funktion, kan fler diffraktionstoppar placeras. Representativenda kristall diffraktion data från en omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 prov samlades. Analys av data gav en monoklinisk gitter med P2 / n rymdgrupp på 0,35 GPa, och gitterparametrarna befanns vara: a = 9,496 ± 0,006 Å, b = 8,761 ± 0,004 Å, c = 5,248 ± 0,001 Å, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90 °.
Enkristall röntgendiffraktion är ett av de mest effektiva och väl etablerade sätt att bestämma den kemiska sammansättningen och strukturen hos ett kristallint material vid olika experimentella betingelser. Nyligen har det förekommit ett antal 1-5 av utvecklingen inom högtrycks enda kristall diffraktion. Trycket är en av de viktigaste faktorerna som påverkar beteendet och egenskaperna hos jorden och planet material. Högtrycks experiment avslöjar rutinmässigt nya polymorfer av vanliga material och kan avslöja sätt att syntetisera kemikalier som är omöjliga att göra på omgivningsförhållanden. Nyligen har flera nya silikat polymorfer identifierats med högtrycks enda kristall diffraktion, som ger ny insikt i egenskaperna hos jordens mantel 6-8.
Skiljer sig från enkelkristall diffraktion vid atmosfärstryck, kräver högtrycks enkristall diffraktion ett tryckkärl för att generera ochupprätthålla trycket under datainsamlingen. Den vanligaste tryckkärl som används i högtrycks enkristall diffraktion är diamant städet cell (DAC), som är sammansatt av ett par diamant städ som hålls samman av en metallram / metallpackning, och en trycköverförande medium för att tillhandahålla en hydrostatisk miljö i provkammaren 4,9-11. Enda kristall diffraktion använder en diamant städ cell skiljer sig från diffraktion vid omgivningsförhållanden på flera viktiga sätt. Först täckningen av ömsesidig utrymme minskas betydligt på grund av begränsad röntgenvinkel tillgång genom kroppen av DAC och fästplattorna. För det andra måste vinkelberoende absorption av röntgenstrålar av diamanter och fästplattor bestämmas och användas för att korrigera brytningssignalen så att korrekta struktur faktorer kan beräknas. För det tredje, överlappning av provets diffraktion signal med spridning eller diffraktion från DAC komponenter, såsom diamanter, packning och tryck transmitting medium, måste elimineras. För det fjärde är det svårt att anpassa provet i DAC till mitten av goniometer. Riktningen vinkelrätt mot belastningsaxeln hos DAC alltid blockeras av packningen, och är inte tillgänglig för antingen den optiska mikroskop eller röntgenstråle. I den axiella riktningen, kan det optiska mikroskopet endast visualisera en förskjuten bild av provet på grund av den högt brytningsindex av diamant. Dessa skillnader kräver uppfinningen av nya diffraktion mätmetoder enda kristall högtrycks.
Partnerskapet för Extreme Xtallography (PX ^ 2) projektet är ett nytt forskningsinitiativ tillägnad högtrycks enda kristall diffraktion med DAC. Projektet är värd på GeoSoilEnviroCARS Experimental Station 13-BM-C vid APS, som ger de flesta av infrastrukturen inklusive detektorer, fokuserade röntgen och en 6-cirkel tunga diffraktometer 12,13 optimerad för en mängd avancerad krist experiments. Diffraktometern har sex vinkelfrihetsgrader, fyra prov orienterande (μ, η, × och φ) och två detektor-orienterings (ö och v). Vinkel konventioner från Du 13 används för att beskriva rörelsen av provet och detektorn, även om η, χ och ^ rörelser är pseudo-vinklar som härrör från instrumentets kappa geometri verkliga motorer. De experimentella förfaranden har optimerats för högtrycks enda kristall diffraktion med DAC, och en svit av databehandling och analys programvarupaket har tagits fram. I detta manuskript, presenterar vi ett detaljerat protokoll för en typisk högtrycks enda kristall diffraktion experiment med användning av BX-90 typ DAC 9, som en guide för att samla in och analysera data på PX ^ 2.
I denna rapport visar vi detaljerat förfarande för att utföra enkla kristall diffraktion experiment med DAC vid GSECARS 13-BM-C beamline. BX-90 typ DAC med BA-typ diamant städ och fästplattor rekommenderas för enkel kristall diffraktion experiment 2,9,15. Fördelen med BX-90 typ DAC är dess bredare vinkel tillgång jämfört med de traditionella symmetriska DAC, vilket ger en effektiv provtagning av många diffraktionstoppar 9,15. Den breda vinkel tillgång blir kritisk för prover med lägre symmetri och med mindre enhetsceller: den förstnämnda kräver mer diffraktionstoppar att begränsa gitterparametrarna noggrant, och den senare ger färre diffraktionstoppar inom givna vinkel tillgång 2. Ju mer vinkel tillgång en når i experimentet, desto mer exakta atompositions parametrar man mäter 2,4. Begränsad vinkel tillgång kan resultera i en tvådimensionell ömsesidig vektor dataset, making tillförlitliga uppgifter tolkning matematiskt omöjligt 2.
En viktig, men ofta förbisedd steg är att välja lämplig trycköverförande medium. Även om tryckmedia såsom argon, silikonolja eller metanol-etanol-vatten-lösning användes i tidigare enkelkristall diffraktion experiment som inte översteg 10 GPa 21-23, dessa tryckmedier blivit betydligt nonhydrostatic mellan 5-10 GPa 22, och kraftigt minska kvaliteten av kristallen under kompression 2,22. Vår allmänna erfarenhet har varit att endast han och Ne resultat i högkvalitativa experiment upp till 50 GPa (t.ex. refererar 6,7). Vid APS kan dessa gaser lämpligen laddas i DAC med användning av GSECARS / kompres gas-laddningsapparaten 14. När han eller Ne väljs som tryckmedium, krymper provkammaren under gasmängd (Figur 2). När provet berör direkt packningen,det bryts lätt under kompressionen. Så det är viktigt att borra en tillräckligt stor provkammaren, vars diameter är minst 2/3 av culetten diameter, för att undvika kontakt mellan provet och packningen efter gasmängd.
Synkrotronljus baserade monokromatisk enda kristall diffraktion setup på PX ^ 2 är unik. Jämfört med laboratorie diffraktometrar ger synkrotron röntgenkällan en mycket högre flöde (> 10 4) 4,27,28, vilket avsevärt förbättrar signal-brusförhållande och minskar datainsamlingstiden 4,27,28. Synchrotron baserat pulver diffraktion är också vanligt förekommande att bestämma strukturen av material vid höga tryck genom Rietveld tillvägagångssätt 4. Enda kristall diffraktion har fördelar över Rietveld tillvägagångssätt eftersom det avkopplar montering av gitterparametrar och strukturella parametrar 2,4. Pulver diffraktion med Rietveld passar vanligtvis kräver montering både lat TICE parametrar och strukturella parametrar samtidigt, medan antalet oberoende observationer är vanligtvis mycket lägre än i enkristall diffraktion 4. En annan vanlig strukturbestämning metod är Laue diffraktion, som använder polykromatiskt strålning med en detektor område 4. Jämfört med monokromatisk datainsamling på PX ^ 2, en minskning av Laue metod uppgifter krävs ytterligare villkor, inklusive harmonisk deconvolution och intensitet normalisering, vilket lägger till ytterligare svårigheter i dataanalys 4,24. Monochromatic enkristall diffraktion är ett enkelt sätt att lösa strukturer, men det har sina egna begränsningar. En idealisk dataset av monokromatiskt enda kristall diffraktion kräver en defekt mindre kristall med en storlek på tiotals um, och kristall kvalitet måste bevara vid höga tryck. Dessa krav kan vara svåra att uppfylla för vissa icke-quenchable mineraler, såsom bridgmanite 25.
innehåll "> Tid löst enda kristall diffraktion kan fånga den övergående metastabila tillstånd och omvandlings kinetik under tryck inducerade strukturella övergångar, och är en av de framtida forskningsinriktningar för PX ^ 2 26. Kvantitativ karaktärisering av defekter och fackverks dynamik, baserad på analys röntgen diffus spridning vid höga tryck är också under utveckling vid PX ^ 2 26. En kompakt optisk plattform för laser uppvärmd högtrycks enda kristall diffraktion byggs, och gör det möjligt för jordvetenskapssamhället att studera beteendet av material under djupjordförhållanden 26.The authors have nothing to disclose.
Arbetet utfördes vid GeoSoilEnviroCARS (Sector 13), Partnerskap för Extreme Kristallografi program (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS), och Argonne National Laboratory. GeoSoilEnviroCARS stöds av National Science Foundation-Earth Sciences (EAR-1128799) och Department of Energy-geovetenskaper (DE-FG02-94ER14466). PX ^ 2 Programmet stöds av kompres enligt NSF samarbetsavtal EAR 11-57.758. Användning av Advanced Photon Source stöddes av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energivetenskaper under kontrakt nr DE-C02-6CH11357. Användning av kompres-GSECARS gas lastningssystem stöddes av kompres enligt NSF samarbetsavtal EAR 11-57758 och GSECARS genom NSF bidrag EAR-1128799 och DOE bevilja DE-FG02-94ER14466. Vi vill också tacka Prof. RT Downs vid University of Arizona för vänligt tillhandahålla prover från RRUFF samlingar.
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 |