Waiting
Login processing...

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

Chemistry

High Pressure 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 denne rapport beskriver vi detaljerede procedurer for udførelse af enkelt krystal røntgendiffraktion eksperimenter med en diamant ambolt celle på GSECARS 13-BM-C beamline på Advanced Photon Source. ATREX og RSV programmer bruges til at analysere data.

Abstract

I denne rapport beskriver vi detaljerede procedurer for udførelse af enkelt krystal røntgendiffraktion eksperimenter med en diamant ambolt celle (DAC) på GSECARS 13-BM-C beamline på Advanced Photon Source. DAC program på 13-BM-C er en del af Partnerskab for Extreme Xtallography (PX ^ 2) projekt. BX-90 typen DACs med konisk-type diamant ambolte og bagplader anbefales til disse eksperimenter. Prøvekammeret skal ilægges med ædelgas at opretholde et hydrostatisk tryk miljø. Prøven er justeret til rotation midten af ​​diffraktion goniometer. Den MARCCD områdedetektoren kalibreres med et diffraktionsmønster fra LaB 6. De prøve diffraktionstoppe analyseres med ATREX softwareprogram og derefter indekseres med RSV softwareprogram. RSV bruges til at forfine UB matrix af det indre krystal, og med denne information og peak forudsigelse funktion, kan flere diffraktionstope være placeret. Repræsentantenkelt krystal diffraktion data fra 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 prøve blev indsamlet. Analyse af dataene gav et monoklin gitter med P2 / n rumgruppe på 0,35 GPa, og gitterparametrene viste sig at være: 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

Enkelt krystal røntgendiffraktion er en af ​​de mest effektive og veletablerede måder at bestemme den kemiske sammensætning og struktur af et krystallinsk materiale ved forskellige eksperimentelle betingelser. For nylig har der været en række 1-5 af udviklingen i højtryks-enkelt krystal diffraktion. Trykket er en af ​​de vigtigste faktorer, der påvirker adfærd og egenskaber Jorden og planeternes materialer. eksperimenter Højtryks-rutinemæssigt afslører nye polymorfe af almindelige materialer og kan afdække måder at syntetisere kemikalier, som er umulige at gøre ved omgivelsernes betingelser. For nylig har en række nye silikat polymorfe blevet identificeret med højt tryk enkelt krystal diffraktion, som giver ny indsigt i egenskaberne for Jordens kappe 6-8.

Forskellig fra enkelt krystal diffraktion ved atmosfærisk tryk, højt tryk enkelt krystal diffraktion kræver en trykbeholder til at generere ogopretholde presset under dataindsamlingen. Den mest almindelige trykbeholder anvendes i højtryks-enkelt krystal diffraktion er diamant ambolt celle (DAC), som er sammensat af et par diamant ambolte holdes sammen af ​​en metalramme / metal pakning, og en trykoverførende medium for at tilvejebringe en hydrostatisk miljø i prøven kammer 4,9-11. Enkelt krystal diffraktion ved hjælp af en diamant ambolt celle adskiller sig fra diffraktion ved omgivende forhold i flere vigtige måder. For det første er dækningen af ​​gensidige plads væsentligt reduceret på grund af begrænset røntgen kantet adgang gennem kroppen af ​​DAC og bagpladerne. For det andet skal den vinkel-afhængig absorption af røntgenstråler af diamanterne og bagpladerne bestemmes og anvendes til at korrigere diffraktion signal, således at præcise struktur faktorer kan beregnes. For det tredje, overlapning af prøvens diffraktion signal med scatter eller diffraktion fra DAC komponenter, såsom diamanter, pakning og tryk transmitting medium, skal elimineres. For det fjerde tilpasse prøven i DAC til centrum af vinkelmåleren er vanskelig. Retningen vinkelret på belastningen akse DAC altid blokeret af pakningen, og ikke er tilgængeligt for den optiske mikroskop eller røntgenstrålen. I den aksiale retning, kan det optiske mikroskop kun visualisere et forskudt billede af prøven på grund af den høje brydningsindeks af diamant. Disse forskelle kræver opfindelsen af ​​nye high-pressure enkelt krystal diffraktion målemetoder.

Partnerskabet for Extreme Xtallography (PX ^ 2) projekt er et nyt forskningsinitiativ dedikeret til højt tryk enkelt krystal diffraktion med DACs. Projektet er hosted på GeoSoilEnviroCARS eksperimentelle station 13-BM-C ved APS, som giver de fleste af infrastruktur, herunder detektorer, fokuseret røntgenstråler og en 6-cirkel tunge diffraktometer 12,13 optimeret til en række avancerede krystallografi experimeNTS. Diffraktometret har seks kantede frihedsgrader, fire prøve-orientering (μ, η, × og φ) og to detektor-orienterende (A og υ). De kantede konventioner fra du 13 bruges til at beskrive bevægelsen af prøven og detektoren, selvom η, χ og Ø bevægelser er pseudo-vinkler afledt af instrumentets kappa geometri reelle motorer. De eksperimentelle procedurer er blevet optimeret for høj-tryk enkelt krystal diffraktion med DAC'er, og en suite af databehandling og analyse softwarepakker er blevet udviklet. I dette manuskript, præsenterer vi en detaljeret protokol for en typisk højtryks enkelt krystal diffraktion eksperiment ved hjælp af BX-90 typen DAC 9, som en guide til at indsamle og analysere data på PX ^ 2.

Protocol

1. Prøvefremstilling

BEMÆRK: prøveforberedelse proces omfatter tre store skridt: forbereder den tomme DAC, loading prøven og loading af inaktiv gas pres transmission medium. DAC forberedelse og prøvepåfyldning er blevet beskrevet i detaljer i Lavina et al. 10, og trykoverførende medium lastningen er beskrevet i Rivers et al. 14 Her har vi kort beskrive den typiske prøveforberedelse proces.

  1. Vælg et par koniske diamanter med matchende bagplader.
    1. Sørg for, at de flade spidser af diamant ambolte (culets) er identiske med hinanden.
      BEMÆRK: Diameteren af ​​culet afhænger maksimumsnyttiggørelsesmålet tryk af eksperimentet.
    2. Sikre, at det koniske hus bagpladen passer til formen af ​​den koniske diamant. Sikre, at højden af ​​diamant, diameteren af ​​bagsiden af ​​diamanten, den åbnig vinkel på bagpladen og åbningsvinklen af DAC er forenelige med hinanden, således at maksimere den kantede adgang for diffraktion 9,15.
  2. Rengør diamanter og bagplader i en acetone ultralydsbad i 3-5 min. Indstil ultralydsrenser til "Sonic" mode. Undersøg diamanter og bagplader under et optisk mikroskop, og fjern alle synlige støv eller snavs.
  3. Placer diamant i det koniske hus bagpladen, og samlingen i et monterings jig.
  4. Anvende et par kg af belastning til diamant med komprimerende skruer, således at det er i intim kontakt med bagpladen. Anvend derefter ca. 0,1 g epoxy ved den ydre omkreds af diamant. Opvarm samlingen til 70 ° C i 8 timer til hærdning af epoxy.
  5. Rens det indre af DAC, bagsiden af ​​bagpladerne og culets af diamanterne med acetone, og placere støttepladerne med diamanter i DAC.
  6. Adjust positioner diamanter med sæt skruer, der holder bagpladen på plads, således at ambolt culets er koncentriske, når de to modsatrettede diamanter kommer i kontakt.
  7. Tjek hældningsvinklen mellem de to culets søger interferensbåndene under et optisk mikroskop. Juster hældningsvinklen af diamanterne ved finjustere belastningen af de sæt skruer, således at antallet af frynser minimeres 10.
  8. Læg et stykke 250 um tyk rhenium (Re) metalfolie mellem de to diamanter, og ordne det på plads med voks.
    BEMÆRK: Denne Re folie fungerer som pakning af DAC.
  9. Påfør belastning ensartet og langsomt ved at stramme de fire komprimerende skruer i DAC, og overvåge ændringen af ​​Re pakning tykkelse med et mikrometer ved måling af den totale tykkelse af DAC samling.
  10. Når tykkelsen af ​​Re pakningen er ~ 40 um, fjerne belastningen fra de komprimerende skruer langsomt, og tag pre-indrykket pakning.
  11. Brug en lasER fræsemaskine til at bore et hul i midten af ​​den præ-indskæring, hvis diameter er mindst 2/3 af culetten diameter. Juster pakningen med et optisk mikroskop, og indstille den tilsigtede diameter af pakningen hul i laser fræsemaskine brugergrænseflade. Tryk på knappen "scan" til at bore hullet.
  12. Soak det borede pakning i acetone og rengør den med en ultralydsrenser i normal tilstand. Rengør culets af diamanter med acetone. Placer boret pakning igen DAC.
    BEMÆRK: Hullet i pakningen tjener som prøvekammeret.
  13. Placer et enkelt krystal prøve ved midten af ​​pakningen hul, som også bør være centrum af diamanten culet.
    BEMÆRK: Den optimale stikprøvestørrelse er 20 um x 20 um x 5 um (længde x bredde x tykkelse).
  14. Placer en lille rubin kugle (~ 10 um i diameter) tæt på prøven.
    BEMÆRK: rubin sfære tjener som trykket markør.
  15. Placer DAC med prøven inde than kompression / GSECARS gas loading fartøj og belastning komprimeret helium (He) eller neon (Ne) gas til et maksimalt tryk på ca. 25.000 psi for at fylde karret 14.
  16. Øg trykket i DAC prøvekammeret ved at stramme compressing skruer på DAC, og overvåge trykket med rubin fluorescens 16.

2. Dataindsamling

  1. Sted ~ 1 mg LaB 6 pulver ved rotation midten af diffraktometer, og indsamle pulver diffraktionsmønstre på flere MARCCD detector positioner varierende ved δ vinkel. Saml pulver diffraktionsmønstre ved at klikke på "Start" knappen på MARCCD EPICS interface. Brug denne diffraktionsmønster at kalibrere detektoren-prøve afstand og hældning MARCCD detektoren 2.
  2. Efter endt detektorkalibrering, fjerne LAB 6 standard fra diffraktometer. Placer DAC i prøveholderen, og sætte det på the diffraktometer stikprøve scene.
    1. Brug en holder clamp-typen til at holde omgivelsestemperaturen DACs, en vandkølet clamp-typen holder til højtemperatur DACs og polymer micromesh monteret på en ACA / IUCr standard goniometer hovedet til at holde en prøve ved omgivende tryk og temperatur.
      BEMÆRK: I de følgende trin (2,3-2,8), er alle Motion Controls opnås med EPICS brugergrænseflade (EUI).
  3. Drej φ akse, således at prøvekammeret er vinkelret på visning zoom kamera ved at indstille φ vinkel til 120 i EUI.
  4. Find prøven kammer med visning kameraet på den mindste forstørrelse først. Centrere prøven image ved at ændre prøven X, Y og Z i EUI. Fokusere billedet af prøven ved at ændre mikroskopet Z i EUI, og derefter zoome ind til den maksimale forstørrelse.
  5. Juster prøvekammeret image til centrum af den visning kameraet ved at ændre prøven X, Y og Z i EUI. Juster prøven position langs kameraets akse, indtil det er i fokus (ved anvendelse af et kamera fokus forudbestemt at estimere positionen af ​​rotationscenteret i denne retning). Derefter rotere φ vinkel til 90 i EUI således at prøven kammeret er vinkelret på den indfaldende røntgenstråle.
  6. For at korrigere for prøve forskydning fra midten af ​​instrumentet langs DAC aksen, scanne DAC position i både horisontale og vertikale retninger vinkelret på den indfaldende røntgenstråler ved anvendelse af SCANW software, ved hjælp af motoriserede oversættelser indbygget i goniometer, samtidig med at indsamle transmitterede stråle intensitetsdata med en fotodiode detektor placeret bag prøven.
    BEMÆRK: fotodiode detektoren er monteret på et pneumatisk aktuator og kan bevæges ind og ud af strålen fjernt fra styrestationen.
  7. Find midterpositionen i det opsamlede intensitet scanning ved brug af "center" funktion af SCANW, svarende til maksimal transmission. Dette er den center af prøvekammeret.
  8. Drej prøven ved hjælp af goniometer φ akse med et par grader ved hjælp af EUI, og gentag vertikal overførsel scanning. Gentag scanningen to gange, på både positive og negative ø forskydninger.
  9. Beregn prøven position langs den indfaldende røntgen retning med den følgende ligning 17
    ligning 1
    Hvor AY er afstanden langs den indfaldende røntgenstråler retning, at prøven er forskudt fra midten af instrumentet, Δφ er ændringen i φ vinklen mellem scanninger, AS x + og AS x- er de positionelle forskydninger i X-ray transmission profil, når φ vinkel vippes af + Δφ og -Δφ.
    BEMÆRK: Adskillige gentagelser af scanninger kan gøres for at forbedre nøjagtigheden af ​​prøven positionering.
  10. Efter justering af prøven, indsamle enkelt krystal diffraktion datamed CCD_DC softwaren 1.
    1. I første omgang indsamle en φ-scanning med en fotodiode, ved at klikke på knappen "scan" på SCANW software til at bestemme den maksimale åbningsvinkel og at bestemme den funktionelle-formen af ​​absorption effekt af diamant ambolte og bagplader.
    2. Efter φ-scan, udfører en bred φ eksponering (hvorunder detektoren efterlades åben, mens φ drejes) til dækning maksimal åbningsvinkel, at DAC tillader, efterfulgt af en række trin Ø eksponeringer, der hver dækker 1 °. Udfør dette trin ved at sætte "total intervallet" til den maksimale åbningsvinkel, og indstiller "Antal trin" til det samme nummer i CCD_DC software. Indsamle brede ø scanninger ved forskellige detektor positioner ved at angive detektoren arm position i A og mod Den retninger i CCD_DC software, således at tillade adgang til flere diffraktionsspidser.
      BEMÆRK: For krystaller med en enhedcelle større end 10 Å, samling af 10 ° brede trin scanninger dækker samme vinkelområde anbefales også. Eksponering gange bestemmes af absorption fra diamant, og intensiteten af ​​diffraktion funktioner fra prøven. normalt vælge en eksponeringstid, der maksimerer intensiteterne af diffraktionstoppene uden mætning. En typisk eksponeringstid er 1-5 s / °. Typiske dataindsamling fra en krystal på en detektor position og en tryk tager omkring 30 min.

3. Data Analysis

BEMÆRK: dataanalyse udføres ved hjælp af ATREX / RSV softwarepakke 2,18. For en detaljeret forklaring af de principper, der anvendes i softwaren se arbejdet i Dera, et al. 2

  1. Proces LAB 6 kalibrering fil.
    1. Åbn LAB 6 pulver diffraktion billede indsamlet på hver detektor position i software. Input bølgelængden af ​​indfaldende røntgenstråler (0,434 Å), og tryk på "forfine Cal" knappen.
      BEMÆRK: Softwaren vil automatisk beregne sample-detektor afstand og hældning af detektoren i forhold til den indfaldende røntgenstråle. Detektorkalibrering kun udføres ved detektor positioner ν = 0, δ = 0. De kalibrerings billeder indsamlet på ikke-nul ν og δ anvendes til verifikation af kalibreringen kvalitet.
    2. Gem kalibreringsfiler for hver detektor position ved manuelt at redigere mod Den og o indstillinger efter behov.
      BEMÆRK: ATREX butikker detektor kalibrering .cal filer tilknyttet hvert billede serie. Når du åbner et billede, programmet kontrollerer, om den tilhørende .cal filen er til stede. Hvis det ikke er, er der mulighed for at vælge en sådan fil.
  2. Efter at have gemt de kalibreringer for alle detektor positioner, oprette disse foreninger ved at kontrollere "Assign cal" afkrydsningsfeltet i ATREX software, Således at programmet vil huske hvilke kalibreringer til at bruge.
  3. Søg efter den stikprøvens diffraktionstoppe, og passer peak intensiteter.
    1. Åbn vidvinkel φ eksponering i softwaren. Gå til "Søg" panel, og søge efter de diffraktion toppe i den brede eksponering vinkel. Manuelt slette de over-mættet diffraktionstoppe fra diamanten og diffraktion toppe tæt på de Re pakning ringe.
    2. Monter diffraktionstopværdierne at få deres nøjagtige positioner og intensiteter. Søg efter den stikprøvens diffraktion toppe for alle detektor positioner ved at klikke på "peak søgning" i software, og gem den tilsvarende top tabeller ved at klikke på "gem toppe" knappen.
  4. Rekonstruere diffraktionstoppe 'fordeling i gensidige rum.
    1. I programmet, åbne top bord til en detektor position, og ét billede i trin φ scanning, som er enssociated med samme detektor position. Hvis detektoren kalibreringsfil er endnu ikke blevet tildelt denne fil serie, vælge den relevante .cal fil. Gå til "Scan" panel, og tryk på "beregne Prof. fra scanning" knappen.
      BEMÆRK: Dette trin vil finde φ vinkel for hver diffraktion toppe på den top intensitet er den stærkeste.
    2. Gem den resulterende peak tabellen .pks fil. Gentag dette trin for alle de brede rotation billeder på forskellige detektor positioner.
  5. Indeks diffraktionstopværdierne.
    1. Ved hjælp af RSV software, åbner den første top tabellen fil. Brug "Append" funktion til at fusionere alle yderligere peak borde. Brug RSV plugin for at finde den foreløbige UB matrix af denne krystal og at indeksere diffraktion toppe. Softwaren vil automatisk søge efter den mest sandsynlige UB matrix.
    2. Åbn den foreløbige UB matrix i RSV ved at importere den .p4p filen, og forfine UB matrix medd-afstand for hver diffraktionstop ved hjælp af "Tilpas w / d-SPAC" -knappen. Hvis symmetrien i krystal er kendt, udvælge passende krystal systembegrænsninger.
      BEMÆRK: Når raffinement konvergerer, er den optimerede UB matrix og gitter parametre af krystal (a, b, c, α, β og γ) bestemt.
    3. Gem den optimerede UB matrix som en .ub fil.
      BEMÆRK: I den indledende peak søgeprocessen programmet måske har savnet nogle lave intensitet toppe, der vil være meget værdifuld i strukturen beslutsomhed.
  6. For at søge efter disse manglende toppe gå tilbage til den software, og åbn vidvinkel φ eksponering billede (den tilhørende kalibrering filen skal indlæses automatisk).
  7. I "tippe" panel, åbne UB matrix af krystallen og simulere diffraktionsmønstret. I "toppe" panel søge, for de observerede diffraktionstoppe, og fjern den ikke overholdte toppe (tekstboksen næstetil "Observeret" knappen gør det muligt at specificere minimumstærskel pixel intensitet i peak fitting boks, der er nødvendig for den top, der skal betragtes som "observeres"). Monter positioner og intensiteter af toppene ved at klikke på "peak fit" knappen, derefter gemme peak tabellen.
  8. Flet alle de forudsagte peak tabeller på forskellige detektor positioner med RSV software ved hjælp af "append" funktion. Hvis der blev anvendt indstillinger forskellige eksponering (rotation hastighed i ° / sek), anvendes egnede skaleringsfaktorer ved åbning af nye .pks filer.
  9. Eksporter fusionerede peak tabel som en .hkl tekstfil, som kan bruges til at forfine krystalstrukturen med SHELX softwarepakken. Detaljerede procedurer for struktur raffinement med SHELX er blevet godt beskrevet andetsteds 19,20.

Representative Results

Vi viser en repræsentativt eksempel på højtryks-enkelt krystal 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 prøve blev lagt i en BX-90 typen DAC med Boehler-Almax (BA) type diamant ambolte og bagplader (Figur 1). Prøvekammeret var fyldt med en ædel gas trykoverførende medium (helium i dette tilfælde) for at sikre en hydrostatisk tryk miljø. Trykket af prøvekammeret var 0,35 GPa, bestemt ved rubin fluorescens. Prøven blev justeret med rotationen midten af diffraktion goniometer (3, 4). Vi kalibreret positionen og hældningen af MARCCD detektor ved ν = 0, δ = 0 med en lab 6 pulver standard (figur 5). Under eksperimentet η, `7; og u-vinkler blev fastsat til 0. Diffraktionstoppene af prøven blev først analyseret ved hjælp af "Søg" funktion ATREX software (figur 6). Derefter blev lattice parametre og UB matrix omphacite enkelt krystal raffineret ved anvendelse af RSV-softwaren (Figur 7). Med den raffinerede UB matrix af krystal, blev flere diffraktionstoppe fundet ved hjælp af "tippe" -funktionen i softwaren (Figur 8). De raffinerede gitter parametre denne omphacite enkelt krystal ved dette tryk er: 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 krystal viste sig at have en monoklin gitter i P 2 / n rumgruppe. Vores raffinerede Gitterparametrene er i overensstemmelse med de offentliggjorte gitterparametrene af omphacite med enlignende kemisk sammensætning og på et tilsvarende tryk: 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 anvendes til højt tryk enkelt krystal diffraktion. (A) Boehler-Almax (BA) typen diamant; (B) Re pakning; (C) BA typen bagplade; (D) BA typen diamant limet på BA typen bagplade; (E) cylinder del af BX-90 DAC; (F) stempel del af BX-90 DAC; (G) venstrehåndet (sort oxid overflade) og højrehåndede (rustfrit stål overflade) komprimering skruer: (h) højrehåndet komprimere skrue med disk fjederskiver; ( Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2: Mikroskop billede af DAC prøvekammeret før og efter ædelgas trykoverførende medium belastning. Efter at gassen trykoverførende medium belastning, prøvekammeret hul faldt med ~ 30% i diameter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: Eksperimentel setup for high-pressure enkelt krystal diffraktion på PX ^ 2. De seks kantede frihedsgrader (μ, η, χ, φ, δ og υ) og de tre translationelle retninger (x, y og z) er mærket. Den notation for vinkler følger den kantede konvention Du 13. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4: Juster prøvekammeret til rotationen center. Venstre: prøvekammermoduler scanninger ved røntgen normale retning (blå) og φ-rotation ved + Δφ (grøn) og -Δφ (rød). Til højre: X-ray transmission profiler af prøvekammeret scanninger på forskellige ø vinkler. Forskydningen af ​​X-ray transmission profiler bruges til at beregne den positionelle korrektion langs inciden t X-ray retning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5: Kalibrering af MARCCD detektor ved hjælp af data analyse software. LaB 6 diffraktionsmønster anvendes til at udføre kalibreringen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6: diffraktionstop søgning ved hjælp dataanalyse software. I alt 63 diffraktionstoppe blev fundet i billedet bred eksponering. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7
Figur 7: indeksering af diffraktionstoppe og beregning af UB matrix af prøven under anvendelse af RSV-software. Indekseringen udføres automatisk af softwaren. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8: Forudsigelse diffraktionstoppene med dataanalyse software. 112 diffraktion toppe blev fundet med samme diffraktion billede som i figur 6 under anvendelse af peak-forudsigelse funktion.dk / filer / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

gitterparameter Værdi
-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

Tabel 1: Lattice parametre for 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 ved 0,35 GPa. Den omphacite krystal viste sig at have en monoklin gitter i P 2 / n rumgruppe.

Discussion

I denne rapport viser vi den detaljerede procedure for udførelse af enkelt krystal diffraktion eksperimenter med DAC'er på GSECARS 13-BM-C beamline. BX-90 typen DACs med BA-type diamant ambolte og bagplader anbefales til enkelt krystal diffraktion eksperimenter 2,9,15. Fordelen ved BX-90 typen DAC er dens bredere kantet adgang i forhold til de traditionelle symmetriske DACs, som giver en effektiv prøvetagning af mange diffraktion toppe 9,15. Den brede kantede adgang bliver kritisk for prøver med lavere symmetri og med mindre celler enhed: førstnævnte kræver flere diffraktionstoppe at begrænse gitter parametre præcist, og sidstnævnte giver færre diffraktionstoppe inden for de givne kantede adgang 2. Jo mere kantet adgang man når i eksperimentet, de mere præcise atomare positionelle parametre man måler 2,4. Begrænset kantet adgang kan resultere i en todimensional gensidig vektor datasæt, making pålidelig data fortolkning matematisk umuligt 2.

En vigtig, men ofte overset trin er at vælge passende tryk transmissionsmedium. Selvom trykmedier såsom argon, siliconeolie eller methanol-ethanol-vand-opløsning blev anvendt i tidligere enkelt krystal diffraktion eksperimenter, der ikke oversteg 10 GPa 21-23, bliver disse trykmedium betydeligt nonhydrostatic 5-10 GPa 22, og i høj grad reducere kvaliteten af krystallen under kompression 2,22. Vores generelle erfaring har været, at kun han og Ne resultat i forsøg af høj kvalitet på op til 50 GPa (f.eks referencer 6,7). På APS, kan disse gasser nemt indlæses i DAC'er med brug af GSECARS / kompres gas-lastning apparat 14. Når han eller Ne vælges som trykmedium, prøvekammeret krymper under lastningen gas (figur 2). Når prøven direkte rører pakningen,det bryder let under kompressionen. Så det er vigtigt at bore et stort nok prøvekammer, hvis diameter er mindst 2/3 af culet diameter, for at undgå kontakt mellem prøven og pakningen efter gas loading.

Den synkrotron-baserede monokromatisk enkelt krystal diffraktion setup på PX ^ 2 er unik. Sammenlignet med de labora- diffraktometre, synkrotron røntgenkilden giver en meget højere flux (> 10 4) 4,27,28, som i væsentlig grad forbedrer signal-støj-forholdet og reducerer dataopsamlingstid 4,27,28. Synchrotronbestrålingscenter baseret pulver diffraktion er også almindeligt anvendt til at bestemme strukturen af materialer ved høje tryk gennem Rietveld metode 4. Enkelt krystal diffraktion har fordele i forhold til Rietveld tilgang, fordi det afkobler montering af gitterparametre og strukturelle parametre 2,4. Pulverdiffraktionsmønster med Rietveld montering normalt kræver montering både lat sis parametre og strukturelle parametre på samme tid, mens antallet af uafhængige observationer er typisk meget lavere end i enkelt krystal diffraktion 4. En anden fælles struktur beslutsomhed metode er Laue diffraktion, som bruger polykromatiske stråling med et areal detektor 4. Sammenlignet med monokromatisk dataindsamling på PX ^ 2, reduktion af Laue metode data kræver yderligere vilkår, herunder harmonisk udfoldning og intensitet normalisering, som tilføjer yderligere vanskeligheder i dataanalyse 4,24. Monokromatisk enkelt krystal diffraktion er en enkel måde at løse strukturer, men den har sine egne begrænsninger. En ideel datasæt af monokromatiske enkelt krystal diffraktion kræver en defekt-mindre krystal med en størrelse på snesevis af um, og krystal kvalitet skal bevare ved høje tryk. Disse krav kan være vanskelige at opfylde for en række ikke-quenchable mineraler, såsom bridgmanite 25.

indhold "> Tid løst enkelt krystal diffraktion kan indfange den forbigående metastabile stater og transformation kinetik under tryk fremkaldt strukturelle overgange, og er en af de fremtidige forsknings- retninger for PX ^ 2 26. Kvantitativ karakterisering af fejl og gittermaster dynamik, baseret på analyse af X-ray diffus spredning ved høje tryk er også under udvikling på PX ^ 2 26. En kompakt optisk platform til laser-opvarmet højtryks enkelt krystal diffraktion bliver bygget, og vil gøre det muligt for jord-videnskabelige samfund for at studere af materialer under dyb jordarters betingelser 26.

Disclosures

Forfatterne erklærer nogen interessekonflikt.

Acknowledgments

Dette arbejde blev udført på GeoSoilEnviroCARS (Sector 13), Partnerskabet for Extreme Krystallografi program (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS), og Argonne National Laboratory. GeoSoilEnviroCARS er støttet af National Science Foundation-Earth Sciences (EAR-1128799) og Department of Energy-Geosciences (DE-FG02-94ER14466). PX ^ 2-programmet er støttet af kompres under Cooperative aftale NSF EAR 11-57.758. Anvendelse af Advanced Photon Source blev støttet af det amerikanske Department of Energy, Kontoret for Videnskab, Office of Basic Energi Videnskaber, under kontrakt nr DE-C02-6CH11357. Anvendelse af kompression-GSECARS gas læssesystem blev støttet af kompres under Cooperative aftale NSF EAR 11-57758 og GSECARS gennem NSF tilskud EAR-1128799 og DOE give DE-FG02-94ER14466. Vi vil også gerne takke professor RT Downs på University of Arizona for venligt at give prøverne fra RRUFF samlinger.

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 højtryk synkrotronstråling enkelt krystal diffraktion diamant ambolt celle krystallografi geofysik geokemi mineralogi X-ray
High Pressure 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