Waiting
Login processing...

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

Chemistry

בלחץ גבוה השתברות גביש יחיד ב 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

בדו"ח זה, אנו מתארים נהלים מפורטים לביצוע ניסויים עקיפים יחידים קריסטל רנטגן עם סדן תא יהלום על beamline 13-BM-C GSECARS על מקור הפוטון המתקדם. תוכניות ATREX ו RSV משמשות כדי לנתח את הנתונים.

Abstract

בדו"ח זה אנו מתארים נהלים מפורטים לביצוע ניסויים עקיפים יחידים קריסטל רנטגן עם סדן תא יהלום (DAC) בבית beamline 13-BM-C GSECARS על מקור הפוטון המתקדם. התוכנית DAC ב 13-BM-C הוא חלק השותפות אקסטרים Xtallography (PX ^ 2) פרויקט. DACs סוג BX-90 עם סדני יהלום חרוטים מסוג וצלחות גיבוי מומלץ עבור ניסויים אלו. תא המדגם צריך להיות טעון עם גז אציל לשמור על סביבת לחץ ההידרוסטטי. המדגם מיושר למרכז הסיבוב של goniometer העקיפה. הגלאי באזור MARCCD הוא מכויל עם תבנית עקיפה אבקה מהמעבדה 6. הפסגות העקיפות מדגם מנותחות עם תוכנת ATREX, והם באינדקס אז עם תוכנת RSV. RSV משמש כדי לחדד את מטריקס UB של הגביש היחיד, ועם המידע הזה ופונקצית חיזוי השיא, פסגות עקיפות יותר יכולות להיות ממוקמות. נציגנתונים עקיפים גביש יחיד מתוך אומפקיט (Ca 0.51 Na 0.48) (Mg 0.44 אל 0.44 Fe 2+ 0.14 Fe 0.02 3+) Si 2 O 6 מדגם נאסף. ניתוח הנתונים נתן סריג monoclinic עם קבוצת מרחב P2 / n ב 0.35 GPA, ואת הפרמטרים סריג נמצאו: a = 9.496 ± 0.006 a, b = 8.761 ± 0.004 A, C = 5.248 ± 0.001 A, β = 105.06 ± 0.03º, α = γ = 90º.

Introduction

קרן ה- X עקיף גביש היחיד היא אחת הדרכים היעילות ביותר ומבוססות על מנת לקבוע את ההרכב הכימי ואת המבנה של חומר גבישים ב תנאי ניסויים שונים. לאחרונה חל מספר 1-5 התפתחויות עקיפות גביש יחיד בלחץ גבוה. לחץ הוא אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על ההתנהגות ותכונות של כדור הארץ וחומרים פלנטרית. ניסויים בלחץ גבוה לחשוף הפולימורפים חדש שגרתי של חומרים נפוצים ויכולים לחשוף דרכים לסנתז כימיקלים אשר אי אפשר לעשות בכל תנאי הסביבה. לאחרונה, מספר הפולימורפים סיליקט חדשים זוהו עם עקיפת גביש יחיד בלחץ גבוה, אשר מספקת תובנה חדשה המאפיינים של המעטפת של כדור הארץ 6-8.

שונה עקיף גביש יחיד בלחץ אטמוספרי, עקיפת גביש יחיד בלחץ גבוה דורשת כלי לחץ כדי ליצורלשמור על לחץ במהלך איסוף הנתונים. כלי הלחץ הנפוצים בשוק עקיף גביש יחיד בלחץ גבוה הוא סדן תא יהלום (DAC), אשר מורכב של זוג סדני יהלום מוחזק ביחד על ידי אטם מתכת מסגרת / מתכת, וכן לחץ שמשדר בינוני לספק ההידרוסטטי סביבה בתא מדגם 4,9-11. עקיפת גביש יחידה באמצעות סדן תא יהלום נבדלה עקיף בכל תנאי סביבה במספר הדרכים חשובות. ראשית, סיקור שטח גומלין מצטמצם משמעותי בשל גישה זוויתי רנטגן מוגבל דרך הגוף של ה- DAC ואת לוחות הגיבוי. שנית, הקליטה תלויה בזווית של צילומי רנטגן על ידי היהלומים וצלחות גיבוי צריכה להיקבע ומשתמשת לתקן את האות העקיפה כך גורמי מבנה מדויקים יכולים מחושבים. חפיפה שלישית, כל האות העקיפה של המדגם עם פיזור או עקיפה מן הרכיבים DAC, כגון יהלומים, אטם ולחץ transmittinבינוני g, חייב להתבטל. רביעית, יישור מדגם DAC למרכז של goniometer קשה. הכיוון ניצבת לצייר העומס של DAC חסום תמיד על ידי האטם, אינו נגיש או מיקרוסקופ האופטי או קרן הרנטגן. בכיוון הצירי, מיקרוסקופ האופטי יכול רק לדמיין תמונה עקורה המדגם בגלל מקדם שבירה הגבוהה של היהלום. הבדלים אלה מחייבים המצאת שיטות מדידה עקיפה גביש יחיד בלחץ גבוה חדשות.

השותפות עבור Extreme Xtallography (PX ^ 2) הפרויקט הינו יוזמה מחקר חדש המוקדש עקיפה גביש יחיד בלחץ גבוה עם DACs. הפרויקט מתארח בבית GeoSoilEnviroCARS בתחנת ניסיונות 13-BM-C על APS, מספק ביותר של התשתיות כולל גלאי, התמקד צילומי רנטגן ו diffractometer הכבדה 6-המעגל 12,13 אופטימיזציה עבור מגוון רחב של experime קריסטלוגרפיה מתקדםnts. Diffractometer יש שש דרגות זוויתי של חופש, ארבעה מדגם מכוון (μ, η, χ ו φ) והשנייה המכוונת גלאי (δ ו υ). המוסכמות זוויתי ממך 13 משמשות כדי לתאר את ההצעה של מדגם הגלאי, למרות η, χ ומסמן φ הם פסאודו זוויות נגזרות מנועים האמיתיים הגיאומטריה קאפה של המכשיר. הפרוצדורות ממוטבים עבור עקיפת גביש יחיד בלחץ גבוה עם DACs, וסוויטה של ​​עיבוד נתונים וניתוח תוכנת חבילות פותחתה. בכתב היד הזה, אנו מציגים פרוטוקול מפורט עבור ניסוי עקיף גביש יחיד בלחץ גבוה אופייני משתמש בסוג BX-90 DAC 9, כמדריך לאסוף ולנתח נתונים על PX ^ 2.

Protocol

לדוגמא הכנה 1.

הערה: תהליך הכנת המדגם כולל שלושה שלבים עיקריים: הכנת DAC ריק, טעינת המדגם ומעמיס את לחץ גז אינרטי משדר בינוני. הכנת DAC וטעינת מדגם תוארו בפירוט Lavina et al. 10, ולחץ משדר טעינה בינונית תוארה ריברס et al. 14 כאן אנו מתארים בקצרה את תהליך הכנת המדגם הטיפוסי.

  1. בחר זוג יהלומים חרוטי עם התאמת צלחות גיבוי.
    1. ודאו הטיפים השטוחים של סדני היהלום (culets) זהים זה לזה.
      הערה: הקוטר של culet תלויה בלחץ המקסימאלי היעד של הניסוי.
    2. ודא כי דיור החרוטים של הצלחת הגיבוי תואם את הצורה של יהלום החרוטים. ודא כי הגובה של היהלום, הקוטר של הצד האחורי של היהלום, openinזווית גרם של הצלחת גיבוי זווית הפתיחה של DAC הם תואמים זה לזה, על מנת למקסם את הגישה זוויתי עבור דיפרקציה 9,15.
  2. נקה את היהלומים וצלחות גיבוי באמבטיה קולית אצטון במשך 3-5 דקות. הגדר את השואב הקולי למצב "סוניק". לבחון את היהלומים וצלחות גיבוי תחת מיקרוסקופ אופטי, ולהסיר את כל האבק הגלוי או פסולת.
  3. מניח את יהלום דיור החרוטים של הצלחת הגיבוי, ואת ההרכבה ב לנענע גובר.
  4. החל כמה ק"ג של עומס ליהלום עם ברגים כבישה, כך שהוא נמצא בקשר אינטימי עם צלחת גיבוי. לאחר מכן, החל על 0.1 גרם של אפוקסי סביב ההיקף החיצוני של היהלום. מחמם את ההרכבה עד 70 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות כדי לרפא את אפוקסי.
  5. נקו את הפנים של ה- DAC, בצד האחורי של לוחות גיבוי ואת culets של יהלומים עם אצטון, במקום צלחות גיבוי עם יהלומים DAC.
  6. Adjust את עמדותיהם של יהלומים עם ברגים קבוצה אשר מחזיקים את הצלחת הגיבוי במקום, כך culets סדן הם בעלי מרכז משותף כאשר מגיעים שני יהלומים מנוגדים במגע.
  7. בדוק את זווית ההטיה בין שני culets מחפש בשולי הפרעה תחת מיקרוסקופ אופטי. התאם את זווית ההטיה של היהלומים על ידי כיוון עדין את העומס של ברגי הקבוצה, כך שמספר בשולים ממוזערים 10.
  8. מניחים פיסת רניום עבה 250 מיקרומטר (Re) רדיד מתכת בין שני יהלומים, ולתקן אותה במקום עם שעווה.
    הערה: פעולות רדיד Re זה כמו האטם של DAC.
  9. החל העומס אחיד לאט על ידי הידוק הארבעה ברגי הדחיסה של DAC, ולפקח על שינוי עובי אטם Re עם מיקרומטר ידי מדידת העובי הכולל של הרכבת DAC.
  10. כאשר עובי אטם Re הוא ~ 40 מיקרומטר, להסיר את העומס של ברגי הדחיסה לאט, ולהוציא את האטם מראש מסוכסך.
  11. השתמש lasאה מכונת טחינה לקדוח חור במרכז של-הזחה מראש, שקוטרו הוא לפחות 2/3 של הקוטר culet. יישר את האטם עם מיקרוסקופ אופטי, ולהגדיר את הקוטר המיועד של חור האטם בממשק משתמש מכונת טחינת ליזר. לחצו על כפתור ה "לסרוק" לקדוח את החור.
  12. משרים את אטם קדח לתוך אצטון לנקות אותו עם שואב קולי במצב רגיל. נקו את culets של יהלומים עם אצטון. מניח את גב אטם קדח DAC.
    הערה: חור האטם משמשת לתא המדגם.
  13. מניח מדגם גביש יחיד במרכז חור האטם, אשר גם צריך להיות במרכז culet היהלומים.
    הערה: גודל המדגם האופטימלי הוא 20 מיקרומטר x 20 מיקרומטר x 5 מיקרומטר (אורך x רוחב x עובי).
  14. מניח כדור אודם קטן (~ 10 מיקרומטר קוטר) קרובים המדגם.
    הערה: בתחום האודם משמש סמן ללחץ.
  15. מניחים את DAC עם המדגם בתוך tהוא compres / GSECARS גז טעינת כלי והליום דחוס עומס (הוא) או ניאון (Ne) גז בלחץ מרבי של כ 25,000 psi למלא את כלי 14.
  16. להגביר את הלחץ בתוך החדר מדגם DAC ידי הידוק ברגי הדחיסה של DAC, ולנטר את הלחץ עם קרינת אודם 16.

2. איסוף נתונים

  1. מקום ~ 1 מ"ג LAB 6 אבקה במרכז הסיבוב של diffractometer, ולאסוף דפוסי עקיפת אבקה בעמדות גלאים כמה MARCCD משתנות לפי זווית δ. אסוף את דפוסי עקיפת אבקה ידי לחיצה על הכפתור "התחל" של ממשק MARCCD האפוסים. השתמש דפוס עקיף זו כדי לכייל את מרחק גלאי-מדגם ואת ההטיה של גלאי MARCCD 2.
  2. לאחר השלמת כיול גלאי, להסיר את תקן מעבדה 6 מן diffractometer. מניחים את הוצאות רכישה נדחות בעל מדגם, והניח אותו על הדואר הבמה מדגם של diffractometer.
    1. השתמש בעל מהדק-טיפוס שנוטר DACs טמפרטורת הסביבה, מחזיק מקורר מים מהדק מסוג עבור DACs בטמפרטורה גבוהה, ופולימר micromesh רכוב על הראש goniometer תקן ACA / IUCr להחזיק מדגם בלחץ טמפרטורת הסביבה.
      הערה: בשלבים הבאים (2.3-2.8), כל פקדי התנועה מושגים עם ממשק משתמש אפוסים (EUI).
  3. סובב את ציר φ כך קאמרית המדגם הוא בניצב זום המצלמה לצפייה על ידי קביעת זווית φ כדי 120 EUI.
  4. מצא את התא המדגם עם מצלמת הצפייה בהגדלת המינימום ראשון. מרכז את תדמיתה של המדגם על ידי שינוי מדגם X, Y ו- Z של EUI. למקד את התמונה של המדגם על ידי שינוי Z מיקרוסקופ EUI, ולאחר מכן להתמקד-אל ההגדלה המרבית.
  5. יישר את התמונה מדגם של תא למרכז המצלמה לצפייה על ידי שינוי מדגם X, Y ו- Z של EUI. לשנות את המיקום המדגם לאורך של ציר המצלמה עד שהוא בפוקוס (באמצעות מצלמה להתמקד שנקבע מראש כדי להעריך את המיקום של מרכז הסיבוב בכיוון זה). ואז לסובב את זווית φ 90 ב EUI כך קאמרית המדגם הוא בניצב קרן הרנטגן האירוע.
  6. כדי לתקן את עקירת מדגם ממרכז המכשיר לאורך ציר DAC, לסרוק את עמדת DAC הוא בכיוונים אופקיים ואנכיים בניצב האירוע רנטגן באמצעות תוכנת SCANW, באמצעות תרגומים ממונעים המובנה בתוך goniometer, תוך איסוף קרן משודרת נתוני עצמת גלאי פוטודיודה ממוקמים מאחורי המדגם.
    הערה: גלאי פוטודיודה הוא רכוב על מפעיל פנאומטי וניתן לנוע פנימה והחוצה של הקורה מרחוק מתחנת הבקרה.
  7. מצא את עמדת מרכז הסריקה העוצמת שנאספה באמצעות הפונקציה "מרכז" של SCANW, מתאים שידור מרבי. זהו center של החדר המדגם.
  8. סובב את המדגם באמצעות ציר φ goniometer בכמה מעלות באמצעות EUI, וחזור על סריקת ההעברה האנכית. חזור על הסריקה פעמים, הוא קיזוז φ חיובי ושלילי.
  9. לחשב את המיקום המדגם לאורך הכיוון של האירוע רנטגן עם המשוואה הבאה 17
    משוואה 1
    איפה ΔY הוא המרחק לאורך הכיוון של האירוע רנטגן כי המדגם הוא עקור ממרכז המכשיר, Δφ הוא השינוי בזווית φ בין סריקות, ΔS x + ו- ΔS X- הוא הקיזוז מיקומית של ההולכה של רנטגן פרופיל, כאשר זווית φ מוטה על ידי + Δφ ו -Δφ.
    הערה: חזרות כמה סריקות יכול להיעשות כדי לשפר את הדיוק של מיקום מדגם.
  10. לאחר יישור המדגם, לאסוף את הנתונים העקיפים גביש היחידעם CCD_DC תוכנה 1.
    1. בהתחלה, לאסוף סריקה-φ עם פוטודיודה על ידי לחיצה על הכפתור "לסרוק" על תוכנת SCANW כדי לקבוע את זווית הפתיחה מקסימלית כדי לקבוע את הצורה התפקודית של אפקט הספיגה של סדני היהלום וצלחות גיבוי.
    2. לאחר סריקת φ, לבצע חשיפה φ רחבה (שבמהלכו הגלאי הושאר פתוח במהלך φ מסובב) כדי לכסות את זווית הפתיחה מקסימלית כי DAC מאפשר, ואחריו סדרה של חשיפות φ הצעד, כל מכסה 1 °. ביצוע שלב זה על ידי קביעת "מגוון הכולל" לזווית הפתיחה מקסימלית, וקביעת "מספר צעדים" לאותו מספר בתוכנה CCD_DC. אסוף סריקות φ רחבות על עמדות גלאים שונות על ידי ציון תנוחת יד הגלאי בכיווני δ ו- ν בתוכנת CCD_DC, כדי לאפשר גישת פסגות עקיפות יותר.
      הערה: לקבלת גבישים עם יחידהתא גדול מ -10 A, אוסף של 10 ° סריקות רחבות צעד כיסוי באותו הטווח זווית מומלץ גם. פעמי חשיפה נקבעות על ידי ספיגת מיהלום, ועוצמת העקיפה כוללת מן המדגם. בדרך כלל לבחור את זמן החשיפה הממקסם העוצמות של הפסגות העקיפות ללא רוויה. זמן חשיפה טיפוסי הוא 1-5 s / °. איסוף נתונים אופייני קריסטל אחד בכל עמדת גלאי אחד ולחץ אחד לוקח בערך 30 דקות.

.3 ניתוח נתונים

הערה: מניתוח הנתונים מתבצע באמצעות חבילת ATREX / RSV תוכנת 2,18. לקבלת הסבר מפורט של העקרונות מנוצלים את התוכנה בבקשה לראות את העבודה של Dera, et al. 2

  1. לעבד את קובץ הכיול במעבדת 6.
    1. פתח את התמונה עקיפה 6 אבקת מעבדה שנאספו במיקום כל גלאי בשנות הoftware. הזן את אורך הגל של קרני רנטגן האירוע (0.434 א), ולחץ על כפתור "לחדד קאל".
      הערה: התוכנה באופן אוטומטי לחשב את המרחק המדגם-גלאי ואת ההטיה של הגלאי ביחס קרן הרנטגן האירוע. כיול גלאי מתנהל רק על עמדות גלאי ν = 0, δ = 0. תמונות הכיול שנאספו מאפס ν ו δ משמשות לאימות איכות כיול.
    2. שמור את קבצי כיול עבור כל עמדת גלאים ידי העריכה באופן ידני את הגדרות ν ו δ, לפי צורך.
      הערה: חנויות ATREX גלאי כיול קבצי .cal הקשורים לכל סדרת תמונה. בעת פתיחת תמונה, והתוכנית בודקת אם הקובץ .cal הקשורים קיים. אם זה לא, יש את האפשרות לבחור קובץ כזה.
  2. לאחר שמירת הכיולים עבור כל עמדות הגלאים, ליצור קשרים אלו על ידי סימון התיבה "הקצאת קאל" בתוכנת ATREX, כך שהתכנית תזכור את הכיולים להשתמש.
  3. חפש את הפסגות העקיפות של המדגם, וכן להתאים את עוצמות השיא.
    1. פתח את החשיפה φ הזווית הרחבה בתוכנה. עבור ללוח "חיפוש", ולחפש את הפסגות העקיפות בחשיפת הזווית הרחבה. מחקו באופן ידני את הפסגות עקיפות-רווי מעל מיהלום ואת הפסגות העקיפות קרובות טבעות אטם Re.
    2. התאם את הפסגות העקיפות לקבל עמדות והעוצמות המדויקות שלהם. חפש את הפסגות העקיפות של המדגם עבור כל עמדות הגלאים ידי לחיצה על הכפתור "חיפוש שיא" בתוכנה, ולשמור שולחנות השיא המקבילים ידי לחיצה על "פסגות להציל" הכפתור.
  4. משחזר את ההפצה של הפסגות העקיפות בחלל גומלין.
    1. בתכנית, לפתוח את טבלת השיא לתפקיד גלאי אחד, ותמונה אחת בסריקת φ הצעד, שהנוssociated עם עמדת הגלאים אותו. אם קובץ כיול גלאי טרם הוקצה סדרה בקובץ זה, בחר את קובץ .cal המתאים. עבור ללוח "סריקה", ולחץ על "פרופ לחשב מן סריקה" כפתור.
      הערה: שלב זה יהיה למצוא את הזווית φ עבור כל שיא עקיף שבה עוצם השיא הוא החזק ביותר.
    2. שמור את קובץ .pks שולחן שיא וכתוצאה מכך. חזור על שלב זה עבור כל תמונות הסיבוב הרחבות על עמדות גלאים שונות.
  5. אינדקס הפסגות העקיפות.
    1. שימוש בתוכנת ה- RSV, לפתוח את הקובץ לשולחן השיא הראשון. השתמש בפונקציה "צרף" למזג את כל שולחנות שיא נוסף. השתמש תוסף RSV כדי למצוא את מטריקס UB הראשוני של קריסטל זה וכדי מדד הפסגות העקיפות. התוכנה באופן אוטומטי לחפש מטריצת UB הסבירה ביותר.
    2. פתח את מטריקס UB הטרומי RSV באמצעות יבוא קובץ .p4p, ולזקק את מטריקס UB עםד-ריווח של שיא כל עקיפה באמצעות הלחצן "חדד w / d-spac". אם הסימטריה של הגביש ידוע, בחר אילוצי מערכת גבישית מתאימים.
      הערה: כאשר העידון מתכנס, מטריצת UB אופטימיזציה פרמטרי הסריג של הגביש (a, b, c, α, β ו γ) נחושות.
    3. שמור את מטריקס UB אופטימיזציה כקובץ .ub.
      הערה: בתהליך חיפוש השיא הראשוני התכנית עלולה להחמיץ כמה פסגות בעצימות נמוכות כי תהיינה יקרה מאוד בקביעת המבנה.
  6. לחפש פסגות החסרות אלה לחזור התוכנה, ולפתוח את תמונת החשיפה φ הזווית הרחבה (קובץ הכיול הקשורים צריך להיות טעון באופן אוטומטי).
  7. בחלונית 'חזה ", לפתוח את מטריקס UB של הגביש ולדמות את הדפוס העקיף. בחלונית "פיקס", לחפש את הפסגות העקיפות ציינו, ולהסיר את הפסגות הנצפות (בתיבת הטקסט הבאהכדי "ציין" על הכפתור מאפשר לציין את הסף עוצם פיקסל המינימום בתוך תיבת הולם שיא דרוש השיא להיחשב "נצפה"). התאימו את עמדות ועוצמות של פסגות על ידי לחיצה על כפתור "בכושר שיא", ולאחר מכן לשמור את הטבלה שיא.
  8. מיזוג כל השולחנות שיא לצפותם עמדות גלאים שונות עם תוכנת RSV באמצעות הפונקציה "לצרף". אם טרם בוצע הגדרות חשיפה שונות (מהירות סיבוב ° / sec) שמשו, השתמשו גורמי קנה מידה מתאימים בעת פתיחת קבצי .pks חדשים.
  9. לייצא את הטבלה שיא הממוזגת כקובץ טקסט .hkl, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לחדד את המבנה הגבישי עם חבילת התוכנה SHELX. נהלים מפורטים לביצוע עידון מבנה עם SHELX תוארו גם במקומות אחרים 19,20.

Representative Results

אנחנו מראים דוגמה אחת נציג עקיפה גביש יחיד בלחץ גבוה על אומפקיט מינרליים סיליקט (Ca 0.51 Na 0.48) (Mg 0.44 אל 0.44 0.14 2 + Fe Fe 0.02 3+) Si 2 O 6. המדגם אומפקיט הועמס בתוך DAC סוג BX-90 עם Boehler-Almax (BA) הקלד סדני יהלום וצלחות גיבוי (איור 1). תא מדגם התמלא לחץ אצילי גז משדר בינוני (הליום במקרה זה) כדי להבטיח סביבת הלחץ ההידרוסטטי. הלחץ של החדר המדגם היה 0.35 GPA, נקבע על ידי קרינת אודם. המדגם היה מתואם עם מרכז הסיבוב של goniometer עקיפה (איורים 3, 4). אנו מכוילים את המיקום ואת ההטיה של גלאי MARCCD ב ν = 0, δ = 0 עם תקן אבקת מעבדת 6 (איור 5). במהלך הניסוי, η, `7; ו μ זוויות תוקנו ב 0. הפסגות העקיפות של המדגם היו ראשונים מנותחים באמצעות הפונקציה "חיפוש" של תוכנת ATREX (איור 6). לאחר מכן, את פרמטרי הסריג ומטריצת UB של גביש אומפקיט יחיד זוקקו באמצעות תוכנת RSV (איור 7). עם מטריקס UB המעודן של הגביש, פסגות עקיפות יותר נמצאו באמצעות הפונקציה 'חזה "של התוכנה (איור 8). פרמטרי הסריג המעודנים של גביש יחיד אומפקיט זה בלחץ זה הם: a = 9.496 ± 0.006 a, b = 8.761 ± 0.004 A, C = 5.248 ± 0.001 A, β = 105.06 ± 0.03º, α = γ = 90º (Tab. 1). גביש אומפקיט נמצא סריג monoclinic בקבוצת המרחב P 2 / n. פרמטרי הסריג המעודנים שלנו עולים בקנה אחד עם פרמטרי הסריג שפורסמו אומפקיט עםהרכב כימי דומה בלחץ דומה: P = 0.449 GPA, a = 9.5541 ± 0.0005 a, b = 8.7481 ± 0.0007 A, C = 5.2482 ± 0.0003 A, β = 106.895 ± 0.004º 21.

איור 1
איור 1: רכיבים של BX-90 DAC המשמש עקיפה גביש יחיד בלחץ גבוה. (א) Boehler-Almax (BA) יהלום סוג; (ב) אטם Re; (ג) צלחת גיבוי BA סוג; (ד) סוג BA יהלום מודבק על צלחת גיבוי BA סוג; (ה) גליל חלק BX-90 DAC; (ו) בוכנה חלק BX-90 DAC; (ז) שמאלי (גימור תחמוצת שחור) ימני (גימור נירוסטה) ברגי דחיסה: (ח) בורג דחיסה ימני עם דיסקיות קפיציות דיסק; ( אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2: תמונת מיקרוסקופ של תא מדגם DAC לפני ואחרי לחץ גז אציל משדר טעינה בינונית. לאחר לחץ גז משדר טעינה בינונית, החור הקאמרי מדגם התכווץ ב ~ 30% בקוטר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: התקנה ניסיונית עבור טרום גבוההssure עקיפה גביש יחיד ב PX ^ 2. ששת מעלות זוויתי של חופש (μ, η, χ, φ, δ ו υ) ושלושת כיוונים translational (x, y ו- z) מסומנים. את הכיתוב עבור זוויות כדלקמן האמנה זוויתי של אתה 13. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: יישר את תא מדגם למרכז הסיבוב. משמאל: סריקות קאמרית מדגם ב בכיוון נורמלי רנטגן (כחול) φ-סיבוב על ידי + Δφ (ירוק) -Δφ (אדום). מימין: פרופילי שידור רנטגן של הסריקות הקאמריות מדגם בזוויות φ שונות. המנטרל של פרופילי שידור רנטגן משמש לחישוב התיקון מיקומית לאורך inciden t בכיוון רנטגן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5: כיול גלאי MARCCD באמצעות תוכנת ניתוח נתונים. דפוס עקיף אבקת מעבדה 6 משמש לבצע הכיול. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6: חיפוש שיא השתברות באמצעות תוכנת ניתוח נתונים. בשנת 63 פסגות עקיפות הכולל נמצאו תמונת חשיפה רחבה זו. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7: אינדקס של הפסגות העקיפות וחישוב מטריקס UB של המדגם באמצעות תוכנת RSV. לאינדקס מתבצע באופן אוטומטי על ידי התוכנה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הספרה 8
איור 8: חיזוי הפסגות העקיפות עם תוכנת ניתוח נתונים. 112 פסגות עקיפות נמצאו עם אותה התמונה העקיפה כמו באיור 6 באמצעות פונקצית שיא-חיזוי.com / קבצים / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

פרמטר הסריג ערך
א 9.496 ± 0.006 Å
ב 8.761 ± 0.004 Å
ג 5.248 ± 0.001 Å
א 90º
ב 105.06 ± 0.03º
g 90º

טבלה 1: פרמטרים סריג של אומפקיט (Ca 0.51 Na 0.48) (Mg 0.44 אל 0.44 Fe <strong> 0.14 2+ Fe 0.02 3+) Si 2 O 6 0.35 GPA. גביש אומפקיט נמצא סריג monoclinic בקבוצת המרחב P 2 / n.

Discussion

בדוח זה אנו מציגים את הנוהל המפורט לביצוע ניסויים עקיפים גביש יחידים עם DACs על beamline 13-BM-C GSECARS. DACs סוג BX-90 עם סדני יהלום BA-סוג וצלחות גיבוי מומלץ ניסויים עקיפים גביש יחיד 2,9,15. היתרון של ה- DAC סוג BX-90 הוא הגישה זוויתי הרחבה שלה לעומת DACs הסימטרי המסורתי, אשר מספק עבור דגימה אפקטיבית של פסגות עקיפות רבות 9,15. הגישה זוויתי הרחבה הופכת להיות קריטית עבור דגימות עם סימטריה נמוכה יותר ועם תאי יחידה קטנים: לשעבר דורשות יותר פסגות עקיפות כדי להגביל את פרמטרי הסריג במדויק, ואת האחרונים לתת פסגות עקיפות פחות בתוך גישת זוויתי הנתונה 2. האחד הגישה זוויתי יותר מגיע בניסוי, הפרמטרים מיקומית האטומיים המדויקים יותר אחד מודד 2,4. גישה זוויתי מוגבלת עלולה לגרום שני נתוני וקטור גומלין ממדיים, Making נתונים לפרשנות אמינה מתמטי בלתי אפשרית 2.

אחד חשוב, אך לעתים קרובות התעלם צעד הוא לבחור בינוני שידור לחץ מתאים. למרות תקשורת לחץ, כמו ארגון, שמן סיליקון או פתרון-אתנול-מים מתנול שמשו בניסויים עקיפים גביש יחידים קודמים כי לא יעלה על 10-GPA 21-23, תקשורת לחץ אלה הופכות באופן משמעותי nonhydrostatic בין 5-10-GPA 22, לצמצם במידה ניכרת איכות הקריסטל במהלך הדחיסה 2,22. החוויה הכללית שלנו כבר שרק הוא Ne תוצאה בניסויים באיכות גבוהה עד 50-GPA (למשל, הפניות 6,7). עם APS, גזים אלו ניתן לטעון בצורה נוחה DACs עם השימוש במנגנון GSECARS / compres גז טעינת 14. כאשר הוא או Ne נבחר כמדיום לחץ, תא המדגם מתכווץ במהלך טעינת הגז (איור 2). לאחר המדגם ישירות נוגע אטם,זה נשבר בקלות במהלך הדחיסה. לכן חשוב לקדוח בתא מדגם מספיק גדול, שקוטרו הוא לפחות 2/3 של הקוטר culet, כדי למנוע את המגע בין המדגם לבין אטם לאחר טעינת הגז.

ההתקנה העקיפה הגביש יחיד מונוכרומטי מבוסס synchrotron ב PX ^ 2 היא ייחודית. בהשוואת diffractometers המעבדה, רנטגן מקור סינכרוטרון מספק שטף הרבה יותר גבוה (> 10 4) 4,27,28, אשר משפר באופן משמעותי את יחס אות לרעש ומקטין את זמן איסוף נתונים 4,27,28. דיפרקציה אבקה מבוססת Synchrotron גם משמשת בדרך כלל כדי לקבוע את המבנה של חומרים בלחץ גבוה דרך הגישה ריטוולד 4. יש עקיפת גביש יחידה יתרונות על פני גישת ריטפלד, משום שהיא מפרידה את ההולם של פרמטרי סריג פרמטרים מבניים 2,4. דיפרקציה אבקה עם ריטוולד הולם בדרך כלל דורשת הולם הן lat פרמטרים טייס ופרמטרים מבניים בעת ובעונה אחת, ואילו מספר תצפיות עצמאית הוא בדרך כלל נמוך בהרבה מאשר עקיפה גביש יחיד 4. שיטת קביעת משותף מבנה נוספת היא עקיפה לאואה, אשר משתמשת קרינה צבעונית עם שטח גלאים 4. לעומת איסוף נתוני מונוכרומטי ב PX ^ 2, הפחתת הנתונים שיטת לאואה דורשת תנאים נוספים כולל deconvolution ההרמוני ונורמליזציה אינטנסיבית, אשר מוסיף קשיים נוספים בניתוח הנתונים 4,24. עקיפת גביש יחידה מונוכרומטי היא דרך פשוטה לפתור מבנים, ובכל זאת יש מגבלות משלו. מערכת נתונים אידיאליים של דיפרקציה קריסטל מונוכרומטי בודדת דורשים גביש פחות-פגם עם גודל של עשרות מיקרומטר, ואת איכות קריסטל צריכה לשמר בלחצים גבוהים. דרישות אלו עלולות להיות קשות כדי לענות על כמה מינרלים שאינם quenchable, כגון 25 bridgmanite.

תוכן "> עקיף גביש יחיד זמן נפתר מסוגלת לכידת מדינות metastable חולפת קינטיקה טרנספורמציה במהלך מעברים מבניים מושרה לחצו, הוא אחד כיווני מחקר העתידיים עבור PX ^ 2 26. אפיון כמותי של פגמים ודינמיקת סריג, המבוסס על ניתוח של רנטגן פיזור דיפוזי בלחצים גבוהים הוא גם בפיתוח על PX ^ 2 26. פלטפורמה אופטית קומפקטית עקיף גביש ליזר מחומם בלחץ גבוה יחיד נבנית, ותאפשר לקהילה-מדעי כדור הארץ כדי לחקור את ההתנהגות של חומרים בתנאים עמוק באדמה 26.

Disclosures

המחברים מצהירים שום ניגוד עניינים.

Acknowledgments

עבודה זו בוצעה על GeoSoilEnviroCARS (משק 13), שותפות לתוכנית קריסטלוגרפיה אקסטרים (PX ^ 2), פוטון מתקדם מקור (APS), ו Argonne National Laboratory. GeoSoilEnviroCARS נתמך על ידי קרן המדע הלאומית למדעים-Earth (EAR-1,128,799) והמחלקה אנרגיה Geosciences (DE-FG02-94ER14466). שקם ^ 2 תכנית נתמכת על ידי compres תחת ההסכם השיתופי NSF EAR 11-57,758. שימוש מתקדם פוטון המקור נתמכה על ידי משרד האנרגיה האמריקני, משרד המדע, משרד האנרגיה של יסוד מדעי, תחת חוזה מס 'DE-C02-6CH11357. השימוש במערכת טעינת גז compres-GSECARS נתמכה על ידי compres תחת NSF שיתופית הסכם EAR 11-57758 ועל ידי GSECARS דרך EAR-1128799 מענק NSF ו DOE להעניק DE-FG02-94ER14466. כמו כן, אנו רוצים להודות דאונס פרופ RT באוניברסיטת אריזונה למתן דגימות חביב מאוספים RRUFF.

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

כימיה גיליון 119 בלחץ גבוה קרינת synchrotron עקיפת גביש יחידה סדן תא יהלום קריסטלוגרפיה גיאופיסיקה גיאוכימיה מינרלוגיה רנטגן
בלחץ גבוה השתברות גביש יחיד ב 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