I denne rapporten beskriver vi detaljerte prosedyrer for gjennomføring av enkeltkrystall Røntgendiffraksjonsstudier eksperimenter med en diamant ambolt celle på GSECARS 13-BM-C beamline på Advanced Photon Source. Atrex og RSV programmene brukes til å analysere dataene.
I denne rapporten beskriver vi detaljerte prosedyrer for gjennomføring av enkeltkrystall Røntgendiffraksjonsstudier eksperimenter med en diamant ambolt celle (DAC) på GSECARS 13-BM-C beamline på Advanced Photon Source. DAC programmet på 13-BM-C er en del av Partnerskap for Extreme Xtallography (PX ^ 2) prosjekt. BX-90 typen DAC med konisk-type diamant ambolter og bakplatene er anbefalt for disse eksperimentene. Prøvekammeret bør være lastet med edelgass for å opprettholde et hydrostatisk trykk miljø. Prøven er justert til rotasjonssenteret av den diffraksjon goniometer. Den MARCCD området detektoren er kalibrert med et pulver diffraksjon mønster fra lab 6. Prøven diffraksjonstopper analyseres med Atrex program, og deretter indeksert med RSV programmet. RSV blir brukt til å raffinere UB matrise av én krystall, og med denne informasjonen og toppen varslingsfunksjon, kan flere diffraksjonstoppene bli plassert. Representantenkeltkrystall diffraksjonsdata fra en omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 3+ Fe 0,14 0,02) Si 2 O 6 prøven ble samlet opp. Analyse av dataene gav en monoklint gitter med P2 / n romgruppen på 0,35 GPa, og gitterparameterne ble funnet å 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 = 90º.
Enkeltkrystall-røntgendiffraksjon er en av de mest effektive og veletablerte måter å bestemme den kjemiske sammensetning og struktur av et krystallinsk materiale ved forskjellige forsøksbetingelser. Nylig har det vært en rekke 1-5 av utviklingen i høytrykks én krystall diffraksjon. Trykket er en av de viktigste faktorene som påvirker atferd og egenskaper til jorden og planet materialer. Høytrykks eksperimenter rutinemessig avsløre nye polymorfe av vanlige materialer og kan avdekke måter å syntetisere kjemikalier som er umulig å gjøre ved normale forhold. Nylig har flere nye silikat polymorfe blitt identifisert med høyt trykk én krystall diffraksjon, som gir ny innsikt i egenskapene til jordens mantel 6-8.
Forskjellig fra enkeltkrystall diffraksjon ved atmosfæretrykk, krever høyt trykk enkeltkrystall diffraksjon en trykkbeholder for å generere ogopprettholde trykket under datainnsamling. Den mest vanlige trykkbeholder som brukes i høytrykksenkeltkrystall diffraksjon er diamant ambolt cellen (DAC), som er sammensatt av et par diamant ambolter som holdes sammen av en metallramme / metall pakning, og et trykkoverførende medium for å tilveiebringe et hydrostatisk miljø i prøvekammeret 4,9-11. Én krystall diffraksjon ved hjelp av en diamant ambolt celle skiller seg fra diffraksjon ved normale forhold i flere viktige måter. Først blir dekningen av gjensidig plass betydelig redusert på grunn av begrenset røntgenvinkel adgang gjennom legemet av DAC og bakplatene. For det andre må den vinkelavhengige absorpsjon av røntgenstråler av diamanter og bakplatene bestemmes og anvendes for å korrigere diffraksjon signal slik at nøyaktige struktur faktorer kan beregnes. For det tredje, eventuell overlapping av prøvens diffraksjon signal med scatter eller diffraksjon fra DAC-komponenter, så som diamanter, pakning og trykk transmitting medium, må elimineres. For det fjerde, innretting av prøven i DAC til midten av goniometer er vanskelig. Retning vinkelrett lasten aksen til DAC alltid er blokkert av pakningen, og er ikke tilgjengelig for enten det optiske mikroskop eller røntgenstråle. I aksial retning, kan det optiske mikroskop bare visualisere en forskjøvet bilde av prøven på grunn av den høye brytningsindeksen til diamant. Disse forskjellene krever utviklingen av nye høytrykks enkrystall diffraksjon målemetoder.
Partnerskap for Extreme Xtallography (PX ^ 2) Prosjektet er et nytt forskningsinitiativ dedikert til høyt trykk én krystall diffraksjon med DAC. Prosjektet er vert på GeoSoilEnviroCARS Experimental Station 13-BM-C på APS, som gir det meste av infrastrukturen, inkludert detektorer, fokusert røntgen og en 6-sirkel heavy duty diffractometer 12,13 optimalisert for en rekke avanserte krystallografi experiments. Den diffraktometer har seks vinkelfrihetsgrader, fire prøve-orienterings (μ, η, χ og φ) og to detektor-orienterings (A og Uq). Vinkel konvensjonene fra Du 13 er brukt for å beskrive bevegelsen av prøven og detektoren, selv om η, χ og ø bevegelser er pseudo-vinkler avledet fra instrumentets kappa geometri real motorer. De eksperimentelle prosedyrer har blitt optimalisert for høyt trykk én krystall diffraksjon med DAC, og en pakke med databehandling og analyse programvarepakker har blitt utviklet. I dette manuskriptet, presenterer vi en detaljert protokoll for en typisk høyt trykk én krystall diffraksjon eksperiment ved hjelp av BX-90 typen DAC 9, som en guide for å samle inn og analysere data på PX ^ 2.
I denne rapporten viser vi detaljert prosedyre for gjennomføring av én krystall diffraksjon eksperimenter med DAC på GSECARS 13-BM-C beamline. BX-90 typen DAC med BA-type diamant ambolter og bakplatene er anbefalt for én krystall diffraksjon eksperimenter 2,9,15. Fordelen av BX-typen 90 DAC er dens bredere vinkel adgang forhold til den tradisjonelle symmetriske DAC, som sørger for effektiv sampling av mange diffraksjonstopper 9,15. Den brede vinkel tilgang blir kritisk for prøver med lavere symmetri og med mindre enhetsceller: Den tidligere krever flere diffraksjonstopper å begrense gitteret parametrene nøyaktig, og sistnevnte gir færre diffraksjon topper innen den gitte vinkel tilgang to. Jo mer kantete tilgang man kommer i forsøket, jo mer nøyaktige atomposisjon parametre man måler 2,4. Begrenset vinkel tilgang kan resultere i en todimensjonal gjensidig vektor datasett, making pålitelig tolking matematisk umulig 2.
En viktig, men ofte oversett trinnet er å velge passende trykk overføringsmedium. Selv om trykkmedier som for eksempel argon, silikonolje eller metanol-etanol-vann-løsning ble anvendt i de foregående enkeltkrystall diffraksjon eksperimenter som ikke overskred 10 GPa 21-23, disse trykk medier blitt vesentlig nonhydrostatic mellom 5-10 GPa 22, og i stor grad redusere kvaliteten av krystallen under kompresjonen 2,22. Vår generelle erfaring er at bare han og Ne resultat i kvalitets eksperimenter høyt opp til 50 GPa (f.eks refererer 6,7). På APS, kan disse gassene hensiktsmessig lastet inn DAC med bruk av GSECARS / kompre gass-lasteapparat 14. Når han eller Ne er valgt som trykkmedium, krymper prøvekammeret under gass belastning (figur 2). Når prøven berører direkte pakningenden brekker lett under kompresjonen. Derfor er det viktig å bore et stort nok prøvekammer, hvis diameter er minst 2/3 av den culet diameter, for å unngå kontakt mellom prøven og pakningen etter gassoppfylling.
Den synkrotron-baserte monokromatisk én krystall diffraksjon oppsettet på PX ^ 2 er unik. Sammenlignet med de laboratorie diffractometers, gir synkrotron røntgenstråle-kilde en mye høyere fluks (> 10 4) 4,27,28, som i betydelig grad forbedrer signal-til-støy-forhold og reduserer den datainnsamlingen tid 4,27,28. Synkrotron basert pulver diffraksjon er også ofte brukt for å bestemme strukturen av materialer ved høye trykk gjennom Rietveld tilnærming 4. Enkeltkrystall diffraksjon har fordeler i forhold til Rietveld tilnærming, fordi den kobler ut montering av gitterparametere og strukturelle parametere 2,4. Powder diffraksjon med Rietveld passer vanligvis krever montering både lat Tice parametere og strukturelle parametere samtidig, mens antall uavhengige observasjoner er vanligvis mye lavere enn i én krystall diffraksjon 4. En annen vanlig metode er strukturbestemmelse Laue diffraksjon, som bruker polykromatisk stråling med et område-detektor 4. Sammenlignet med monokromatisk datainnsamling ved PX ^ 2, reduksjon av Laue metode opplysninger kreves ytterligere betingelser inkludert harmoniske dekonvolvering og intensitet normalisering, som legger til ytterligere vanskeligheter i dataanalysen 4,24. Monokromatisk én krystall diffraksjon er en grei måte å løse strukturer, men det har sine egne begrensninger. En ideell datasett av monokromatisk enkeltkrystall diffraksjon krever et feil mindre krystaller med en størrelse på flere titalls um, og det krystall kvalitet må bevare ved høye trykk. Disse kravene kan være vanskelig å møte for noen ikke-quenchable mineraler som bridgmanite 25.
innhold "> Tid løst én krystall diffraksjon er i stand til å fange forbigående metastabile tilstander og transformasjon kinetikk under press indusert strukturelle overganger, og er en av de fremtidige forsknings retninger for PX ^ 2 26. Kvantitativ karakterisering av defekter og gitter dynamikk, basert på analyse av X-ray diffuse spredning ved høye trykk er også under utvikling på PX ^ 2 26. En kompakt optisk plattform for laser-oppvarmet høytrykks én krystall diffraksjon blir bygget, og vil gjøre jorden-vitenskap samfunnet for å studere atferden av materialer under dyp jordforhold 26.The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble utført ved GeoSoilEnviroCARS (Sector 13), Partnerskap for Extreme Krystallografi program (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS), og Argonne National Laboratory. GeoSoilEnviroCARS er støttet av National Science Foundation-Earth Sciences (EAR-1128799) og Institutt for Energi geofag (DE-FG02-94ER14466). PX ^ 2 programmet er støttet av Compres henhold NSF samarbeidsavtale EAR 11-57758. Bruk av Advanced Photon Source ble støttet av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences under kontrakt nr DE-C02-6CH11357. Bruk av Compres-GSECARS gasslastesystemet ble støttet av Compres henhold NSF samarbeidsavtale EAR 11-57758 og ved GSECARS gjennom NSF tilskuddet EAR-1128799 og DOE gi DE-FG02-94ER14466. Vi ønsker også å takke Prof. RT Downs ved University of Arizona for vennlig å gi prøvene fra RRUFF samlinger.
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 |