Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Högtrycks Single Crystal diffraktion på PX ^ 2

Published: January 16, 2017 doi: 10.3791/54660
Automatic Translation
1, 1, 2, 2, 1, 2, 2
1Hawai’i Institute of Geophysics and Planetology, University of Hawai’i at Manoa, 2Center for Advanced Radiation Sources, University of Chicago

Summary

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.

Abstract

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 °.

Introduction

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.

Protocol

1. Provframställning

OBS! Provberedning process omfattar tre viktiga steg: att förbereda den tomma DAC, inläsning av provet och inläsning av inert gas trycköverförande medium. DAC förberedelse och provladdning har beskrivits i detalj i Lavina et al. 10 och trycköverförande medium lastning har beskrivits i Rivers et al. 14 Här beskriver vi kortfattat den typiska provberedningsprocess.

  1. Välj ett par koniska diamanter med matchande fästplattor.
    1. Säkerställa att de platta topparna hos diamant städ (culets) är identiska med varandra.
      OBS: Diametern för culetten beror på målet maximalt tryck av experimentet.
    2. Säkerställa att den koniska huset hos fästplattan matchar formen på den koniska diamant. Se till att höjden av diamant, diametern på den bakre sidan av diamant, det opening vinkeln på fästplattan och öppningsvinkel DAC är kompatibla med varandra, för att maximera vinkel tillgång för diffraktion 9,15.
  2. Rengör diamanter och fästplattor i en aceton ultraljudsbad under 3-5 minuter. Ställ ultraljuds renare "Sonic" -läge. Undersök diamanter och fästplattor under ett optiskt mikroskop och ta bort allt synligt damm eller skräp.
  3. Placera diamant i det koniska huset hos stödplattan, och aggregatet i en monteringsjigg.
  4. Applicera några kg av last till diamant med komprimerings skruvar, så att den är i intim kontakt med stödplattan. Sedan gäller ca 0,1 g av epoxi runt den yttre omkretsen av diamant. Upphetta aggregatet till 70 ° C under 8 h för att härda epoxin.
  5. Rengöra det inre av DAC, baksidan av fästplattorna och de culets av diamanter med aceton, och placera fästplattorna med diamanter i DAC.
  6. justert positionerna för diamanter med ställskruvar som håller fästplattan på plats, så att städ culets är koncentriska när de två motsatta diamanter kommer i kontakt med.
  7. Kontrollera att lutningsvinkeln mellan de två culets söker interferensfransar under ett optiskt mikroskop. Justera lutningsvinkeln av diamanter genom att finjustera belastningen av ställskruvarna, så att antalet fransar minimeras 10.
  8. Placera en bit av 250 um tjockt rhenium (Re) metallfolie mellan de två diamanter, och fixa det på plats med vax.
    OBS: Denna nya folie fungerar som packningen av DAC.
  9. Belasta jämnt och långsamt genom att dra åt de fyra komprimeringsskruvar DAC och övervaka tjockleken förändring av Re packningen med en mikrometer genom att mäta den totala tjockleken av DAC montering.
  10. När tjockleken på Re packningen är ~ 40 pm, avlägsna belastningen i kompressionsskruvar långsamt och ta ut före indragen packning.
  11. Använd en laser fräsmaskin för att borra ett hål i mitten av pre-indrag, vars diameter är minst 2/3 av culet diameter. Rikta in packningen med ett optiskt mikroskop, och ställa in den avsedda diametern av packningen hålet i laserfräsmaskin användargränssnitt. Tryck på "scanna" för att borra hålet.
  12. Blötlägg det borrade packningen i aceton och rengöra den med ett ultraljud renare i normalläge. Rengör culets av diamanter med aceton. Placera det borrade packningen tillbaka i DAC.
    OBS: Hålet i packningen tjänar som provkammaren.
  13. Placera en enda kristall prov i mitten av packningen hål, som också bör vara i centrum av diamant culet.
    OBS: Den optimala provstorleken är 20 ^ m x 20 ^ m x 5 | am (längd x bredd x tjocklek).
  14. Placera en liten ruby ​​sfär (~ 10 mikrometer i diameter) nära till provet.
    OBS: ruby ​​sfär fungerar som tryck markör.
  15. Placera DAC med provet i than kompres / GSECARS gasmängd kärl och belastning komprimerad helium (He) eller neon (Ne) -gas till ett maximalt tryck av ca 25.000 psi för att fylla kärlet 14.
  16. Öka trycket inuti DAC provkammaren genom att dra åt kompressionsskruvar DAC, och övervaka trycket med rubin fluorescens 16.

2. Datainsamling

  1. Plats ~ 1 mg Lab 6 pulver vid rotationscentrum för diffraktometer, och samla pulver diffraktionsmönster vid flera MARCCD detektorpositioner varierar med δ vinkeln. Samla pulver diffraktionsmönster genom att klicka på "Start" knappen MARCCD EPICS-gränssnittet. Använda detta diffraktionsmönster för att kalibrera detektorn-provavstånd och lutningen på MARCCD detektorn 2.
  2. Efter genomgången detektorkalibrering, ta bort Lab 6 standarden från diffraktometer. Placera DAC i provhållaren, och satte den på the diffraktometer s provstadiet.
    1. Använd en klämma-typ innehavaren att hålla omgivningstemperatur DAC, en vattenkyld klämtyp hållare för höga DAC temperatur och polymermicromesh monterade på en ACA / IUCr standard goniometer huvudet för att hålla ett prov vid omgivningens tryck och temperatur.
      OBS: I följande steg (2,3-2,8), är alla reglage rörelse uppnås med EPICS användargränssnittet (EUI).
  3. Rotera φ axel, så att provkammaren är vinkelrät mot betraktelse zoom kamera genom att ställa in φ vinkel 120 i EUI.
  4. Hitta provkammaren med visnings kameran på minsta förstoring först. Centrera provet image genom att ändra prov X, Y och Z i EUI. Fokusera bilden av provet genom att ändra mikroskopets Z i EUI, och sedan zooma in till maximal förstoring.
  5. Rikta provkammaren image till centrum av visnings kameran genom att ändra prov X, Y och Z i EUI. Justera provposition utmed kamerans axel, tills den är i fokus (med användning av en förutbestämd kamerans fokus för att uppskatta positionen för rotationscentrum i denna riktning). vrid sedan φ vinkel 90 i EUI, så att provkammaren är vinkelrät mot den infallande röntgenstrålen.
  6. För att korrigera för prov förskjutning från mitten av instrumentet längs DAC-axeln, skanna positionen DAC i både horisontell och vertikal riktning vinkelrätt mot den infallande röntgen använder SCANW programvara, med hjälp av motordrivna översättningar inbyggda i goniometer, samtidigt samla utsända strålen intensitetsdata med en fotodiod detektor placerad bakom provet.
    OBS: fotodioddetektor är monterad på ett pneumatiskt manöverdon och kan flyttas in och ut ur balken på avstånd från styrstationen.
  7. Hitta mittläget i det uppsamlade intensitet skanning med hjälp av "centrum" funktion SCANW, motsvarande maximalt överföring. Detta är center av provkammaren.
  8. Rotera provet med hjälp av goniometer φ axel med ett par grader med hjälp av EUI, och upprepa vertikal överföring skanningen. Upprepa genomsökningen två gånger, både positiva och negativa cp förskjutningar.
  9. Beräkna provposition utmed den infallande röntgen riktning med följande ekvation 17
    ekvation 1
    Där AY är avståndet längs den infallande röntgen riktning att provet är förskjuten från mitten av instrumentet är Δφ förändringen i φ vinkeln mellan skanningar, AS x + och AS x- är positionsförskjutningar av röntgen sändning profil när φ vinkel lutas + Δφ och -Δφ.
    OBS: Flera iterationer av skanningar kan göras för att förbättra noggrannheten i prov positionering.
  10. Efter att rikta provet samla enda kristall diffraktion uppgiftermed CCD_DC programvara 1.
    1. Först samlar en φ-scan med en fotodiod genom att klicka på "scan" -knappen på SCANW programvara för att bestämma den maximala öppningsvinkeln och för att bestämma den funktionella-formen av absorptionen effekten av diamant städ och fästplattor.
    2. Efter φ-scan, genomföra ett brett φ exponering (då detektorn lämnas öppen medan φ roteras) för att täcka den maximala öppningsvinkeln att DAC tillåter, följt av en serie steg cp exponeringar, vart och ett täcker 1 °. Utför detta steg genom att ställa in "total räckvidd" till den maximala öppningsvinkeln, och ställa in "Antal steg" till samma nummer i CCD_DC programvara. Samla breda cp avsökningar vid olika detektorpositioner genom att specificera detektorarmen position i ö-och v riktningar i CCD_DC mjukvaran, för att tillåta tillgång till fler diffraktionstopparna.
      OBS: För kristaller med en enhetcell större än 10 Å, samling av 10 ° breda steg skannar täcker samma vinkelområde rekommenderas också. Exponeringstiderna bestäms genom absorption från diamant, och intensitet av diffraktion funktioner från provet. Vanligtvis väljer exponeringstiden som maximerar intensiteterna hos diffraktionstoppar utan mättnad. En typisk exponeringstiden är 1-5 s / °. insamling Typiska data från en kristall i en detektor läge och ett tryck tar ca 30 min.

3. Dataanalys

OBS: dataanalys utförs med användning av den Atrex / RSV programsvit 2,18. För en detaljerad förklaring av de principer som används i programmet hänvisas till arbete Dera, et al. 2

  1. Process LAB sex kalibreringsfilen.
    1. Öppna Lab 6 pulver diffraktion bild samlas vid varje detektorposition i software. Mata in våglängden för infallande röntgenstrålar (0,434 A) och tryck på "förfina Cal" -knappen.
      OBS: Programvaran beräknar automatiskt provet-detektoravstånd och lutningen av detektorn med avseende på den infallande röntgenstrålen. Detektorkalibrering endast utförs vid detektorpositioner ν = 0, δ 0 =. Kalibrerings bilder som samlats in på icke-noll ν och δ används för kontroll av kalibrerings kvalitet.
    2. Spara kalibreringsfiler för varje detektorläge genom att manuellt redigera v och ö inställningar vid behov.
      OBS: Atrex lagrar detektorkalibrerings CAL filer associerade med varje bild-serie. När du öppnar en bild, kontrollerar programmet om den tillhörande CAL filen finns. Om det inte är, finns det möjlighet att välja en sådan fil.
  2. När du har sparat kalibreringar för alla detektorpositioner, skapa dessa föreningar genom att markera "Tilldela cal" kryssrutan i Atrex programvara, Så att programmet kommer ihåg vilka kalibreringar att använda.
  3. Sök efter provets diffraktionstoppar, och montera toppintensitet.
    1. Öppna vidvinkel φ exponering i programvaran. Gå till "Sök" panel, och söka efter diffraktionstoppar i vidvinkel exponering. Manuellt ta bort de över mättad diffraktionstoppar från diamant och diffraktionstoppar nära de Re packningsringarna.
    2. Montera diffraktionstoppar att få sina exakta positioner och intensiteter. Sök efter provets diffraktionstoppar för alla detektorpositioner genom att klicka på "peak search" -knappen i mjukvaran, och spara motsvarande topp tabeller genom att klicka på "spara toppar" -knappen.
  4. Rekonstruera diffraktionstoppar "fördelning i ömsesidig utrymme.
    1. I programmet, öppna topp bord för en detektor läge, och en bild i steg φ scan, vilket är enssociated med samma detektorposition. Om detektorkalibrering fil har ännu inte tilldelats till den här filen serie väljer lämplig CAL filen. Gå till "Scan" panel, och tryck på "beräkna Prof. från Scan" -knappen.
      OBS: Detta steg hittar φ vinkel för varje diffraktionstopp vid vilken toppintensiteten är starkast.
    2. Spara den resulterande topp tabellen .pks fil. Upprepa detta steg för alla de stora rotations bilder på olika detektorpositioner.
  5. Index diffraktionstopparna.
    1. Med hjälp av RSV programvara, öppnar den första toppen tabellen fil. Använd "Append" funktion för att slå ihop alla ytterligare topp tabeller. Använd RSV plugin för att hitta den preliminära UB matris av denna kristall och indexera diffraktionstopparna. Programvaran kommer automatiskt att söka efter den mest sannolika UB matris.
    2. Öppna preliminära UB matrisen i RSV genom att importera .p4p filen och förfina UB matris medd-avstånd av varje diffraktion topp med hjälp av "Noggrannare w / d-spac" -knappen. Om symmetri kristall är känt för att välja lämpliga begränsningar kristallsystem.
      ANMÄRKNING: När förfining konvergerar, är den optimerade UB matrisen och gitterparametrarna hos kristallen (a, b, c, α, β och γ) bestämdes.
    3. Spara den optimerade UB matris som .ub fil.
      OBS: I den inledande topp sökprocessen programmet kan ha missat några lågintensiva toppar som kommer att vara mycket värdefull i strukturbestämning.
  6. Att söka efter de saknade toppar gå tillbaka till programmet och öppna vidvinkel φ exponering bild (den tillhörande kalibreringsfilen ska laddas automatiskt).
  7. I "tippa" panel öppnar UB matris av kristallen och simulera diffraktionsmönstret. I "toppar" panel, söka efter de observerade diffraktionstoppar, och ta bort de icke-observerade topparna (textrutan bredvidtill "Observed" -knappen gör det möjligt att ange det minsta pixelintensiteten tröskeln inom toppmonteringslåda som krävs för toppen som skall betraktas som "observerade"). Montera positionerna och intensiteten hos topparna genom att klicka på "peak fit" -knappen, sedan spara topp tabellen.
  8. Slå samman alla de förutsagda topp bord vid olika detektorpositioner med RSV programvara med hjälp av funktionen "lägg". Om olika exponeringsinställningar (rotationshastighet i ° / sek) användes, använda lämpliga skalfaktorer när du öppnar nya .pks filer.
  9. Exportera den sammanslagna topp tabellen som en .hkl textfil, som kan användas för att förfina kristallstrukturen med SHELX programpaketet. Detaljerade förfaranden för att genomföra struktur förfining med SHELX har väl beskrivits på annat håll 19,20.

Representative Results

Vi visar ett representativt exempel på högtrycks enda kristall diffraktion på silikatmineral 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. Den omphacite provet laddades i en BX-90 typ DAC med Boehler-Almax (BA) typ diamant städ och fästplattor (Figur 1). Provkammaren fylldes med en ädel-gas trycköverförande medium (helium i detta fall) för att säkerställa ett hydrostatiskt tryck miljö. Trycket i provkammaren var 0,35 GPa, bestämd genom ruby ​​fluorescens. Provet i linje med rotationscentrum för den diffraktion goniometer (fig 3, 4). Vi kalibrerade positionen och lutningen på MARCCD detektorn vid ν = 0, δ = 0 med en pulverstandard Lab 6 (figur 5). Under experimentet, η, `7; och | j vinklar fixerades vid 0. diffraktionstoppar av provet först analyseras med hjälp av "Sök" funktion Atrex programvara (Figur 6). Därefter tillsattes gitterparametrarna och UB matrisen av den omphacite enkristall förfinas med användning av RSV-mjukvara (Figur 7). Med den eleganta UB matris av kristallen, var mer diffraktionstoppar hittas med hjälp av "tippa" -funktionen av programvaran (Figur 8). Den raffinerade gitterparametrarna för denna omphacite enda kristall vid detta tryck är: 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 = 90º (Tab. 1). Den omphacite kristallen visade sig ha en monoklin gitter i P 2 / n rymdgrupp. Våra raffinerade gitterparametrar är förenliga med de publicerade gitterparametrarna hos omphacite med enliknande kemisk sammansättning och vid en liknande tryck: P = 0,449 GPa, a = 9,5541 ± 0,0005 Å, b = 8,7481 ± 0,0007 Å, c = 5,2482 ± 0,0003 Å, β = 106,895 ± 0.004º 21.

Figur 1
Figur 1: Komponenter i BX-90 DAC som används för högtrycks enda kristall diffraktion. (A) Boehler-Almax (BA) Typ diamant; (B) Re packning; (C) BA typ stödplatta; (D) BA typ diamant limmas på BA typ stödplatta; (E) cylinder del av BX-90 DAC; (F) kolv del av BX-90 DAC; (G) vänsterhänta (svart oxid yta) och högerhänt (rostfritt stål yta) komprimera skruvar: (h) högerhänt komprimering skruv med skivfjäderbrickor; ( Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2: Mikroskop bild av DAC provkammaren före och efter ädelgas trycköverförande mediet lastning. Efter att gasen trycköverförande mediet lastning, krympte provkammaren hålet vid ~ 30% i diameter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3: Experimentuppställning för hög pressure enda kristall diffraktion vid PX ^ 2. De sex vinkelfrihetsgrader (μ, η, χ, φ, δ och υ) och de tre translationella riktningar (x, y och z) är märkta. Beteckningen för vinklar följer vinkel konventionen av dig 13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: Justera provkammaren till rotationscentrum. Vänster: provkammar skannar på röntgen normal riktning (blå) och φ-rotation av + Δφ (grön) och -Δφ (röd). Höger: röntgenöverföringsprofilerna för provkammaren skannar på olika cp vinklar. Förskjutningarna hos transmissionsprofiler röntgen används för att beräkna positionskorrigering längs inciden t röntgen riktning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5: Kalibrera MARCCD detektorn med hjälp av dataanalys programvara. Lab 6 pulver diffraktionsmönster används för att utföra kalibreringen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6: diffraktionstopp ökning med hjälp av dataanalys programvara. Totalt 63 diffraktionstoppar påträffades i detta breda exponering bilden. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7: Indexering diffraktionstopparna och beräkna UB matris av provet med hjälp av RSV programvara. Indexeringen utföres automatiskt av programmet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8: Att förutsäga diffraktionstopparna med dataanalysmjukvara. 112 diffraktionstoppar återfinnas med samma diffraktionsbild som i figur 6 med användning av topp-förutsägelsefunktionen.com / filer / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

gitterparameter Värde
en 9,496 ± 0,006 Å
b 8,761 ± 0,004 Å
c 5,248 ± 0,001 Å
en 90º
b 105,06 ± 0.03º
g 90º

Tabell 1: Lattice parametrar omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe <strong> 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 vid 0,35 GPa. Den omphacite kristallen visade sig ha en monoklin gitter i P 2 / n rymdgrupp.

Discussion

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.

Disclosures

Författarna förklarar ingen intressekonflikt.

Acknowledgments

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.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Boffa Ballaran, T., Kurnosov, A., Trots, D. Single-crystal X-ray diffraction at extreme conditions: a review. High Pressure Res. 33 (3), 453-465 (2013).
  2. Dera, P., et al. High pressure single-crystal micro X-ray diffraction analysis with GSE_ADA/RSV software. High Pressure Res. 33 (3), 466-484 (2013).
  3. Hejny, C., Minkov, V. S. High-pressure crystallography of periodic and aperiodic crystals. IUCrJ. 2 (2), 218-229 (2015).
  4. Lavina, B., Dera, P., Downs, R. T. Modern X-ray Diffraction Methods in Mineralogy and Geosciences. Spectroscopic Methods in Mineralology and Materials Sciences. 78, 1-31 (2014).
  5. McMahon, M. I., Loa, I., Stinton, G. W., Lundegaard, L. F. Determining complex crystal structures from high pressure single-crystal diffraction data collected on synchrotron sources. High Pressure Res. 33 (3), 485-500 (2013).
  6. Dera, P., et al. Metastable high-pressure transformations of orthoferrosilite Fs(82). Phys Earth Planet Inter. 221, 15-21 (2013).
  7. Finkelstein, G. J., Dera, P. K., Duffy, T. S. Phase transitions in orthopyroxene (En(90)) to 49 GPa from single-crystal X-ray diffraction. Phys Earth Planet Inter. 244, 78-86 (2015).
  8. Zhang, J. S., Dera, P., Bass, J. D. A new high-pressure phase transition in natural Fe-bearing orthoenstatite. Am Mineral. 97 (7), 1070-1074 (2012).
  9. Kantor, I., et al. BX90: A new diamond anvil cell design for X-ray diffraction and optical measurements. Rev Sci Instrum. 83 (12), (2012).
  10. Lavina, B., Dera, P., Meng, Y. Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures. J Vis Exp. (80), (2013).
  11. Miletich, R., Allan, D. R., Kuhs, W. F. High-Pressure Single-Crystal Techniques. Rev Mineral Geochem. 41 (1), 445-519 (2000).
  12. Thorkildsen, G., Mathiesen, R. H., Larsen, H. B. Angle calculations for a six-circle kappa diffractometer. J Appl Crystallogr. 32, 943-950 (1999).
  13. You, H. Angle calculations for a '4S+2D' six-circle diffractometer. J Appl Crystallogr. 32, 614-623 (1999).
  14. Rivers, M., et al. The COMPRES/GSECARS gas-loading system for diamond anvil cells at the Advanced Photon Source. High Pressure Res. 28 (3), 273-292 (2008).
  15. Boehler, R., De Hantsetters, K. New anvil designs in diamond-cells. High Pressure Res. 24 (3), 391-396 (2004).
  16. Mao, H. K., Xu, J., Bell, P. M. Calibration of the Ruby Pressure Gauge to 800-Kbar under Quasi-Hydrostatic Conditions. J Geophys Solid Earth Planets. 91, 4673-4676 (1986).
  17. Smith, J. S., Desgreniers, S. Selected techniques in diamond anvil cell crystallography: centring samples using X-ray transmission and rocking powder samples to improve X-ray diffraction image quality. J Synchrotron Res. 16, 83-96 (2009).
  18. ATREX: IDL code for single crystal XRD data processing. , Available from: https://github.com/pdera/GSE_ADA (2016).
  19. Refinement tutorial. , Available from: https://github.com/pdera/GSE_ADA/blob/master/Documentation/Refinement%20tutorial.pdf (2016).
  20. Sheldrick, G. M. A short history of SHELX. Acta Crystallographica Section A. 64, 112-122 (2008).
  21. Pandolfo, F., Nestola, F., Camara, F., Domeneghetti, M. C. High-pressure behavior of space group P2/n omphacite. Am Mineral. 97 (2-3), 407-414 (2012).
  22. Angel, R. J., Bujak, M., Zhao, J., Gatta, G. D., Jacobsen, S. D. Effective hydrostatic limits of pressure media for high-pressure crystallographic studies. J Appl Crystallogr. 40, 26-32 (2007).
  23. Mccormick, T. C., Hazen, R. M., Angel, R. J. Compressibility of Omphacite to 60 Kbar - Role of Vacancies. Am Mineral. 74 (11-12), 1287-1292 (1989).
  24. Srajer, V., et al. Extraction of accurate structure-factor amplitudes from Laue data: wavelength normalization with wiggler and undulator X-ray sources. J Synchrotron Radiat. 7, 236-244 (2000).
  25. Tschauner, O., et al. Discovery of bridgmanite, the most abundant mineral in Earth, in a shocked meteorite. Science. 346 (6213), 1100-1102 (2014).
  26. Mineral Physics 2016 Long-range Planning Report: Harnessing the Extremes: From Atoms and Bonds to Earthquakes and Plate Tectonics. Dera, P., Weidner, D. , Geo-Prose. (2016).
  27. Rothkirch, A., et al. Single-crystal diffraction at the extreme conditions beamline P02.2: procedure for collecting and analyzing high-pressure single-crystal data. J synchrotron rad. 20 (5), 711-720 (2013).
  28. Merlini, M., Hanfland, M. Single-crystal diffraction at megabar conditions by synchrotron radiation. High Pressure Res. 33 (3), 511-522 (2013).

Tags

Kemi högt tryck synkrotronstrålning enda kristall diffraktion diamant städ cell kristallografi geofysik geokemi mineralogi röntgen
Högtrycks Single Crystal diffraktion på PX ^ 2
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhang, D., Dera, P. K., Eng, P. J.,… More

Zhang, D., Dera, P. K., Eng, P. J., Stubbs, J. E., Zhang, J. S., Prakapenka, V. B., Rivers, M. L. High Pressure Single Crystal Diffraction at PX^2. J. Vis. Exp. (119), e54660, doi:10.3791/54660 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter