Login processing...

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

Chemistry

Yüksek Basınçlı PX de Tek Kristal Kırınımı ^ 2

doi: 10.3791/54660 Published: January 16, 2017

Summary

Bu yazıda Gelişmiş Foton Kaynak at GSECARS 13-BM-C beamline bir elmas örs hücre ile tek kristal X-ışını kırınım deneyleri yürütmek için ayrıntılı prosedürler açıklanmaktadır. ATREX ve RSV programları verileri analiz etmek için kullanılır.

Abstract

Bu yazıda Gelişmiş Foton Kaynak at GSECARS 13-BM-C beamline bir elmas örs hücre (DAC) tek kristal X-ışını kırınım deneyleri yürütmek için ayrıntılı prosedürler açıklanmaktadır. 13-BM-C DAC programı Extreme Xtallography (PX ^ 2) proje için Ortaklık parçasıdır. konik tipi elmas örs ve destek plakaları ile BX-90 tipi DAC bu deneyler için tavsiye edilir. örnek odası hidrostatik basınç ortam sağlamak için gaz ile yüklenmiş olması gerekir. Numune kırınım gonyometre dönme merkezine hizalanır. MARCCD alan detektörü Lab 6 bir toz difraksiyon deseni ile kalibre edilir. Örnek kırınım pikleri ATREX yazılım programı ile analiz edilir ve daha sonra RSV yazılım programı ile endekslidir. RSV tek kristalin UB matrisi sınırlandırmak için kullanılmaktadır, ve bu bilgiler pik tahmini fonksiyonu, daha difraksiyon tepe noktaları bulunabilir. TemsilciBir omfasit gelen tek kristal kırınım veri (Ca 0.51 Na 0.48) (Mg 0.44 Al 0.44 Fe 2+ 0.14 Fe 3+ 0.02) Si 2 O 6 örnek toplanmıştır. Verilerin analizi 0.35 GPa P2 / n alanı grubuyla monoklinik kafes verdi ve örgü parametreleri olduğu bulunmuştur: A = 9,496 ± 0.006 A, B = 8,761 ± 0,004 Â, c = 5,248 ± 0,001 A, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90 °.

Introduction

Tek kristal X-ışını kırınımı, farklı deneysel koşullarda bir kristalin malzemenin kimyasal bileşimi ve yapısını belirlemek için en etkili ve iyi kurulmuş yollarından biridir. Son zamanlarda yüksek basınçlı tek kristal kırınım gelişmelerin bir dizi 1-5 olmuştur. Basınç davranış ve Dünya ve gezegen malzemelerin özelliklerini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Yüksek basınçlı deneyleri rutin olarak ortak malzemelerin yeni polimorfları ortaya koymak ve ortam koşullarında yapmak imkansız kimyasal sentez yollarını ortaya çıkarabilir. Son zamanlarda, birçok yeni silikat polimorfları Dünya'nın manto 6-8 özellikleri yeni anlayış getirmiştir yüksek basınçlı tek kristal kırınım ile tespit edilmiştir.

atmosfer basıncında tek kristal kırınım farklı olarak, yüksek basınç tek kristal kırınım oluşturmak için bir basınç teknesi gerektirirVeri toplama sırasında basıncı korumak. Yüksek basınçlı tek kristal kırınım en sık kullanılan basınçlı kap, bir metal çerçeve / metal conta tarafından bir arada tutulan bir elmas örs bir çift oluşan elmas örs hücresi (DAC) ve bir basınç hidrostatik sağlamak için orta iletilmesi numune odasına 4,9-11 çevre. Elmas örs hücresi kullanılarak tek kristal kırınım birçok önemli şekilde çevre koşullarında kırınımı farklıdır. İlk olarak, karşılıklı alan kapsamı önemli ölçüde bağlı DAC ve arka levhaların gövdesi boyunca sınırlı X-ışını açısal erişim indirgenir. İkinci olarak, elmas ve sırtlı plakaları ile X-ışınlarının açısı bağlı emme belirlenmiş ve kesin olmayan bir yapı faktörleri hesaplanan böylece sapma sinyalini çözmek için kullanılmalıdır. Bu tür elmaslar, conta ve basınç transmittin olarak DAC bileşenlerden dağılma ya da sapması ile numunenin kırılma sinyalinin Üçüncü olarak, herhangi bir örtüşmeg ortamı, ortadan kaldırılmalıdır. Dördüncü olarak, gonyometre merkezine DAC numune hizalama güçtür. DAC yük eksenine dik yönü daima conta tarafından engellendi ve optik mikroskop veya X-ışını ya da erişilebilir değildir. eksenel yönde, optik mikroskop nedeniyle sadece elmas yüksek kırılma indeksi örnek bir yerinden görüntü oluşturulabiliyor. Bu farklılıklar, yeni yüksek basınçlı tek kristal kırınım ölçüm yöntemlerinin buluşu gerektirir.

Aşırı Xtallography için Ortaklık (PX ^ 2) Proje DAC'lerle yüksek basınçlı tek kristal kırınım adanmış yeni bir araştırma girişimidir. Proje GeoSoilEnviroCARS deneysel istasyon dedektörleri de dahil olmak üzere altyapı çoğunu sağlar APS, 13-BM-C barındırılan, X-ışınları odaklı ve 6 daire ağır difraktometresi 12,13 ileri kristalografisi experime çeşitli için optimizeNTS. difraktometre altı serbestlik açısal dereceleri, dört numune yönlenmesini (μ, η, χ ve φ) ve iki dedektör-yönlendirme (δ ve υ) sahiptir. Η, χ ve φ hareketleri cihazın kappa geometrisi gerçek motorlar türetilen sahte açıları olmasına rağmen You 13 açısal sözleşmeler, örnek ve dedektör hareketini tanımlamak için kullanılır. Deneysel işlemler DAC'lerle yüksek basınçlı tek kristal kırınım için optimize edilmiş ve veri işleme ve analiz yazılım paketleri bir takımdır geliştirilmiştir. Bu yazıda, toplamak ve PX ^ 2 de verileri analiz etmek için bir rehber olarak, DAC 9 BX-90 tipi kullanan tipik bir yüksek basınçlı tek kristal kırınım deneyi için ayrıntılı bir protokol mevcut.

Protocol

1. Numune Hazırlama

NOT: Boş DAC hazırlanması örnek yükleme ve orta verici inert gaz basıncı yükleme: numune hazırlama süreci üç önemli adımlar içermektedir. DAC hazırlanması ve numune yükleme Lavina ark ayrıntılı olarak tarif edilmiştir. Orta yükleyicinin iletilmesi 10 ve basınç nehirleri ve diğerleri tarafından tarif edilmiştir. 14 Burada kısaca tipik örnek hazırlama sürecini tanımlar.

  1. Destek plakaları ile eşleşen konik elmas bir çift seçin.
    1. elmas örs (culets) düz uçları birbirine özdeş olduğundan emin olun.
      Not: Culet çapı deney hedefi maksimum basınca bağlıdır.
    2. destek plakasının konik gövde konik elmas şekline uygun olduğundan emin olun. Emin olun elmas yüksekliği, elmas arka tarafının çapı, openinkırınım 9,15 için açısal erişimi maksimize edecek şekilde destek plakası ve DAC açılış açısı g açısı, birbirleri ile uyumludur.
  2. 3-5 dakika aseton ultrasonik banyoda elmas ve destek plakaları temizleyin. "Sonic" moduna ultrasonik temizleyici olarak ayarlayın. bir optik mikroskop altında elmas ve destek plakları inceleyin ve tüm görünür toz veya enkaz kaldırma.
  3. Destek plakasının konik gövde elmas ve bir montaj ayıncıya grubunu yerleştirin.
  4. Bu taşıyıcı plaka ile yakın temas içinde olacak şekilde, sıkıştırma vidaları ile elmas yük birkaç kg uygulanır. Daha sonra, elmas dış çevresi etrafında epoksi yaklaşık 0.1 g uygulanır. epoksi tedavisi için 8 saat boyunca 70 ° C'ye kadar montaj ısıtın.
  5. DAC, destek plakaları ve aseton ile elmas culets arka yüzünde içini temizleyin ve DAC elmas ile destek plakaları yerleştirin.
  6. alacak şekilde ayarlayıniki karşıt elmas temas ettiğinde örs culets eş, böylece yerinde destek plakasını tutun set vida ile elmas konumlarını t.
  7. bir optik mikroskop altında girişim saçaklar arayan iki culets arasındaki eğim açısını kontrol edin. Saçaklar sayısı 10 minimize edilir, böylece tarafından elmas eğim açısını ayarlayın, set vidalar yük ince ayar.
  8. İki elmas arasındaki 250 mikron kalınlığında renyum (Re) metal folyo bir parça yerleştirin ve balmumu ile yerine sabitleyin.
    NOT: DAC conta gibi bu Re folyo davranır.
  9. DAC dört sıkıştırarak vidaları sıkarak üniform ve yavaş yavaş yük uygulayın ve DAC montaj toplam kalınlığı ölçülerek bir mikrometre ile Re conta kalınlığı değişikliğini izlemek.
  10. Re conta kalınlığı ~ 40 mikron iken, yavaş yavaş sıkıştırarak vidaların yükünü kaldırmak ve öncesi girintili conta çıkar.
  11. Bir las kullanıner freze çapı Culet çapının en az 2/3 ön-girinti, merkezinde bir delik. bir optik mikroskop ile conta aynı hizaya getirin ve lazer freze kullanıcı arayüzünde conta delik amaçlanan çapı ayarlayın. delik için "tarama" düğmesine basın.
  12. aseton içine delinmiş conta ıslatın ve normal modda ultrasonik temizleyici ile temizleyin. aseton ile elmas culets temizleyin. DAC delinmiş conta geri yerleştirin.
    NOT: conta delik örnek odası olarak hizmet vermektedir.
  13. Ayrıca elmas Culet merkezi olmalıdır conta deliği, merkezinde bir tek kristal örnek yerleştirin.
    NOT: En iyi örnek boyutu 20 mm x 20 mm x 5 olduğunu um (uzunluk x genişlik x kalınlık).
  14. Küçük bir yakut küre yerleştirin (~ çapı 10 mikron) numune yakın.
    NOT: yakut küre basınç belirteci olarak hizmet vermektedir.
  15. t içindeki numune ile DAC yerleştirino gemiyi 14 doldurmak için yaklaşık 25.000 psi maksimum basınç / GSECARS gaz yükleme gemi ve yük sıkıştırılmış helyum (He) veya neon (Ne) gaz CompRes.
  16. DAC sıkıştırma vidaları sıkarak DAC örnek odasının içine baskıyı artırmak ve yakut floresan 16 ile basıncını izlemek.

2. Veri Toplama

  1. Yeri ~ 1 mg Lab 6 difraktometresi dönme merkezinde toz ve δ açısı ile değişen çeşitli MARCCD dedektör pozisyonlarda toz kırınım desenleri toplamak. MARCCD EPICS arayüzünün "Başlat" butonuna tıklayarak toz kırınım desenleri toplayın. Dedektör-örnek mesafesi ve MARCCD dedektörü 2 eğimini ayarlamak için bu kırınım deseni kullanın.
  2. Dedektör kalibrasyonu tamamladıktan sonra, difraktometresi gelen Lab 6 standardı kaldırın. Numune tutucuya DAC yerleştirin ve inci üzerine koydue difraktometresi numunesi sahne.
    1. çevre basıncında ve sıcaklığında örnek tutmak için ACA / IUCr standart gonyometre kafasına monte edilmiş ortam sıcaklığı DAC, yüksek sıcaklık DAC için su ile soğutulan bir kelepçe tipi tutucu ve polimer mikro ağ tutmak için bir kelepçe tipi tutucu kullanın.
      NOT: Aşağıdaki adımlar (2,3-2,8), tüm hareket kontrolleri EPICS kullanıcı arabirimi (EUI) ile elde edilir.
  3. örnek odası EUI içinde 120 φ açısını ayarlayarak izleme yakınlaştırma kameraya dik olacak şekilde φ ekseni döndürün.
  4. birinci minimum büyütme görüntüleme kamera ile örnek odasını bulun. EUI örnek X, Y ve Z değiştirerek numunenin görüntüsünü ortalamak. zoom-in maksimum büyütme sonra EUI mikroskop Z değiştirerek örnek görüntü odak ve.
  5. E örnek X, Y ve Z değiştirerek görüntüleme kameranın merkezine numune bölmenin imajını hizalayınUI. o odak kadar (bu yönde rotasyon merkezinin konumunu tahmin etmek önceden belirlenmiş bir kamera odağı kullanarak) kameranın ekseni boyunca örnek konumunu ayarlayın. örnek odası olay X-ışını dik olacak şekilde daha sonra EUI içinde 90 φ açısını döndürün.
  6. iletilen ışın toplarken, gonyometre yerleşik motorlu çeviriler kullanarak, ScanWiz yazılımını kullanarak olay X-ışını dik yatay ve dikey yönde hem DAC pozisyonunu tarama, DAC ekseni boyunca aletin merkezinden numune değiştirmesi için düzeltmek için bir fotodiyot detektörü ile yoğunluğu verileri örnek arkasına yerleştirilir.
    NOT: fotodiyot dedektörü pnömatik aktüatör üzerine monte edilir ve kontrol istasyonundan uzaktan ve kiriş dışına taşınmış olabilir.
  7. Maksimum iletim karşılık gelen ScanWiz ve "merkez" fonksiyonunu kullanarak toplanan yoğunluk tarama merkezi konumunu bulun. Bu ce olduğunuNumune odasının nter.
  8. EUI kullanarak birkaç derece açıölçer φ eksen kullanılarak örnek döndürmek ve dikey geçiş taramasını tekrarlayın. Pozitif ve negatif φ uzaklıklar hem de iki kez tarama tekrarlayın.
  9. Aşağıdaki denklem 17 ile olay X-ray'in yönünde örnek konumunu hesaplamak
    denklem 1
    ΔY örnek aletin merkezine yerinden olduğu olay X-ray'in yönünde mesafe olduğu durumlarda, Δφ taramalar arasındaki φ açısındaki değişim, x + ve ΔS X-ray'in iletim pozisyon uzaklıklar vardır x- ΔS φ açısı + Δφ ve -Δφ tarafından eğildiği zaman profil.
    NOT: taramalar çeşitli tekrarlamalar örnek konumlandırma doğruluğunu geliştirmek için yapılabilir.
  10. Örnek hizalama sonra, tek kristal kırınım verileri toplamakCCD_DC yazılımıyla 1.
    1. İlk başta, maksimum açılma açısını belirlemek için ScanWiz yazılım üzerinde "tarama" düğmesine tıklayarak bir fotodiyot bir φ-tarama toplamak ve elmas örs ve destek plakaları emme etkisi fonksiyonel-şeklini belirlemek için.
    2. φ-taramadan sonra, adım φ pozlama bir dizi her 1 ° kapsayan ardından geniş bir φ (φ döndürülmüş ise dedektör açık bırakılır sırasında) maruz kalma DAC izin verdiği maksimum açılma açısını kapsayacak şekilde yürütmek. Maksimum açılma açısı "toplam aralığı" ayarı ve CCD_DC yazılımı aynı sayıda "adımlar sayısı" ayarlayarak bu adımı yürütmek. Daha fazla kırılma tepe erişime izin verecek kadar, CCD_DC yazılımı δ ve ν yönde dedektör kol pozisyonunu belirterek farklı dedektör pozisyonlarda geniş φ taramaları toplayın.
      NOT: Bir ünite ile kristaller içindaha büyük 10 Å, aynı açısal aralığı kapsayan 10 ° geniş adım taramalarının toplama hücre de tavsiye edilir. Pozlama süreleri elmas emilim tarafından belirlenir ve kırınım şiddeti örneğinden özellikleri vardır. Genellikle doygunluk olmadan kırılma tepe yoğunluklarını maksimize pozlama süresini seçin. Tipik bir pozlama süresi 1-5 sn / ° 'dir. bir detektör pozisyonda bir kristal ve bir basınç Tipik veri toplama yaklaşık 30 dakika sürer.

3. Veri Analizi

Not: Veri analizi ATREX / RSV yazılım paketi 2,18 kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Yazılımda kullanılan ilkelerin ayrıntılı bir açıklama için ark Dera, çalışmalarını bakın. 2

  1. Lab 6 kalibrasyon dosyasını işlemek.
    1. S her detektör pozisyonunda toplanan Lab 6 toz difraksiyon görüntüyü açmakoftware. Girdi olay X-ışınları (0.434 Å) dalga boyu ve "Cal rafine" düğmesine basın.
      NOT: Yazılım otomatik olarak olay X-ışını ile ilgili örnek detektör mesafeyi ve dedektör eğimini hesaplar. Dedektör kalibrasyonu sadece dedektör pozisyonları ν = 0 yürütülen, δ = 0 olduğu. sıfır olmayan ν ve ö toplanan kalibrasyon görüntüleri kalibrasyon kalitesinin doğrulanması için kullanılır.
    2. elle, gerekli ν ve δ ayarları düzenleyerek her dedektör pozisyon için kalibrasyon dosyaları kaydedin.
      NOT: Her resim serisi ile ilişkili ATREX depolar dedektör kalibrasyonu .cal dosyaları. Bir görüntüyü açarken, ilgili .cal dosya mevcut olup olmadigini kontrol eder. Değilse, böyle bir dosyayı seçmek için bir seçenek yoktur.
  2. tüm dedektör pozisyonları için kalibrasyon kaydettikten sonra, ATREX yazılımında "Ata cal" onay kutusunu işaretleyerek bu ilişkileri oluşturmak, Böylece programı kullanmak için hangi kalibrasyon hatırlayacaktır.
  3. Numunenin kırılma tepe arayın ve pik şiddetlerini uygun.
    1. Yazılımın geniş açılı φ poz açın. "Ara" paneline gidin ve geniş açı maruz kırınım zirveleri arayın. El ile Re conta halkaları yakın elmas aşırı doymuş kırınım zirveleri ve kırınım doruklarına silin.
    2. onların doğru pozisyonları ve şiddetleri almak için kırınım zirveleri takın. Yazılımda "zirve arama" butonuna tıklayarak tüm dedektör pozisyonları için numunenin kırılma tepe arayın ve "doruklarına kaydet" butonuna tıklayarak ilgili zirve tabloları kaydedin.
  4. Karşılıklı uzayda kırılma tepe 'dağılımını yeniden yapılandırma.
    1. programında, bir adım adım φ taramada bir detektör konumunda, ve bir görüntü için, pik tablosunu açmakAynı dedektör pozisyonu ile ssociated. Dedektör kalibrasyon dosyası henüz bu dosya serisi atanan değilse, uygun .cal dosyayı seçin. "Tarama" paneline gidin ve düğme "tarama gelen hesaplamak Prof." tuşuna basın.
      Not: Bu adım tepe yoğunluğu en güçlü olduğu her difraksiyon tepe için φ açısını bulacaksınız.
    2. Elde edilen pik tablo .pks dosyayı kaydedin. Farklı detektör pozisyonlarda tüm geniş rotasyon görüntüler için bu adımı yineleyin.
  5. Endeks kırınım pikleri.
    1. RSV yazılımı kullanarak, ilk zirve tablo dosyasını açın. Tüm ek zirve tabloları birleştirmek için "ekleme" işlevini kullanın. kırılma tepe Bu kristalin ve endeksine ön UB matrisi bulmak için RSV eklentisi kullanın. Yazılım otomatik olarak en muhtemel UB matrisinin arayacaktır.
    2. .p4p dosyasını alarak RSV içinde ön UB matris açın ve ile UB matrisi rafine"W / D-SPAC geliştir" düğmesini kullanarak her bir kırılma tepe noktası, d-aralığı. kristal simetrisi biliniyorsa, uygun kristal sistem kısıtlarının seçin.
      NOT: arıtma yakınsar olduğunda, optimize edilmiş bir UB matrisi ve kristal (a, b, c, α, β ve γ) kafes parametreleri belirlenir.
    3. Bir aksi belirtilmediği takdirde, dosyası olarak optimize UB matrisi kaydedin.
      NOT: İlk tepe arama sürecinde program yapısı belirlenmesi çok değerli olacaktır bazı düşük yoğunluklu zirveleri kaçırmış olabilir.
  6. bu eksik zirveleri geri yazılım gitmek için arama ve geniş açılı φ pozlama görüntü (ilişkili kalibrasyon dosyası otomatik olarak yüklenmiş olması gerekir) açın.
  7. "Tahmin" panelinde, kristal UB matrisi açın ve kırınım deseni simüle. "Peaks" panelinde, gözlenen kırılma tepe aramak ve gözlenmeyen Peaks sonraki (metin kutusunu kaldırın"Gözlenen" butonuna zirve için gerekli olan zirve uydurma kutunun içinde minimum piksel yoğunluğu eşiğini belirlemek olanak sağlar) "gözlenen" dikkate alınması gereken. "Zirve uyum" butonuna tıklayarak zirveleri pozisyonlarını ve yoğunluklarını Fit, daha sonra pik tabloyu kaydedin.
  8. "Append" fonksiyonunu kullanarak RSV yazılımı ile farklı dedektör pozisyonlarda tüm tahmin tepe tabloları birleştirin. farklı pozlama ayarları (° / sn dönme hızı) kullanılması durumunda yeni .pks dosyaları açarken, uygun ölçekleme faktörlerini kullanın.
  9. SHELX yazılım paketi ile kristal yapısını iyileştirmek için kullanılabilecek bir .hkl metin dosyası olarak birleştirilmiş zirve tablo verme. SHELX ile Yapı arıtma yapılması için ayrıntılı prosedürler de başka bir yerde 19,20 tarif edilmiştir.

Representative Results

Biz silikat minerali omfasit üzerinde yüksek basınçlı tek kristal kırınım bir temsilci örneği (Ca 0.51 Na 0.48) (Mg 0.44 Al 0.44 Fe 2+ 0.14 Fe 3+ 0.02) Si 2 O 6 göstermektedir. Omfasit örnek Boehler-ALMAX (BA) elmas anvils ve destek plakaları (Şekil 1) tip bir BX-90 tipi DAC yüklenmiş. örnek odası hidrostatik basınç ortamı sağlamak için (bu durumda helyum) orta ileten bir asal gaz basıncına dolduruldu. Örnek odanın basıncı Ruby floresans tespit GPa 0.35 idi. Örnek difraksiyon gonyometre dönme merkezi (Şekil 3, 4) ile hizalanmıştır. Biz δ = bir laboratuar 6 toz standardına 0 (Şekil 5), v = 0 MARCCD dedektör konumunu ve tilt kalibre. Deneme sırasında, η, `7; ve μ açıları örnek kırınım zirveleri ilk ATREX yazılımı "Ara" fonksiyonunu (Şekil 6) kullanılarak analiz 0. sabitlenmiştir. Daha sonra, örgü parametreleri ve omfasit tek kristalin UB matrisi RSV yazılım (Şekil 7) kullanılarak rafine edildi. Kristal rafine UB matris ile, daha fazla kırınım pikleri yazılımın "Tahmin" işlevini (Şekil 8) kullanılarak bulundu. Bu basınçta, bu omfasit tek kristal rafine örgü parametreleri: a = 9,496 ± 0.006 A, B = 8,761 ± 0,004 Â, c = 5,248 ± 0,001 A, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90 ° (Karş. 1). Omfasit kristal P2 / n boşluk grubunda monoklinik kafes sahip olduğu bulunmuştur. Bizim rafine kafes parametreleri ile omfasit yayınlanan kafes parametreleri ile tutarlıdırbenzer kimyasal bileşimi ve benzer bir basınçta: p = 0.449 GPa, a = 9,5541 ± 0.0005 Â, b = 8,7481 ± 0.0007 Â, c = 5,2482 ± 0.0003 A, β = 106,895 ± 0.004º 21.

Şekil 1
Şekil 1: Yüksek basınçlı tek kristal kırınım için kullanılan BX-90 DAC Bileşenleri. (A) Boehler-Almax (BA) tipi elmas; (B) Re conta; (C) Lisans tipi arka plaka; (D) Lisans tipi elmas BA tipi destek plakası üzerinde yapıştırılmış; (E) BX-90 DAC silindir kısmı; (F) BX-90 DAC piston kısmı; Solak (g) (siyah oksit kaplama) ve sağ elini kullanan (paslanmaz çelik kaplama) sıkıştırarak vidaları: (h) Disk yaylı rondelalar ile sağ elini sıkıştırarak vida; ( Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2: önce ve orta yükleyicinin iletilmesi asil gaz basıncı sonra DAC örnek odasının Mikroskop görüntüsü. orta yükleme verici gaz basıncı sonra, numune haznesi delik çapı ~% 30 küçüldü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3: Yüksek öncesi için deney düzeneğiPX ^ 2 de tek kristal kırınım ssure. altı serbestlik açısal derece (μ, η, χ, φ, δ ve υ) ve üç öteleme tarifi (x, y ve z) olarak etiketlenmiştir. Açılar için notasyonu You 13 açısal kongre izler. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4: rotasyon merkezine numune odasına hizalayın. Sol: + Δφ (yeşil) ve -Δφ (kırmızı) ile X-ışını normal yönde (mavi) ve φ-rotasyon numune odası tarar. Sağ: Farklı φ açılarda örnek odası taramalarının X-ışını iletim profilleri. X-ışını iletim profilleri uzaklıklar inciden boyunca pozisyon düzeltme hesaplamak için kullanılır t X-ışını yönü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Şekil 5: veri analiz yazılımı kullanılarak MARCCD dedektörü kalibrasyonu. Lab 6 toz sapması modeli kalibrasyonunu gerçekleştirmek için kullanılır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Şekil 6: veri analiz yazılımı kullanılarak Kırınım pik arama. toplam 63 kırılma tepe bu geniş poz görüntüde bulundu. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 7,
Şekil 7: absorpsiyon tepelerinin Endeksleme ve RSV yazılımı kullanarak örnek UB matrisi hesaplamak. indeksleme yazılımı tarafından otomatik olarak yürütülür. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 8,
Şekil 8: Veri analizi yazılımı ile absorpsiyon tepelerinin tahmin. 112 difraksiyon tepe noktaları tepe tahmini fonksiyonu kullanılarak, Şekil 6 ile aynı kırılma görüntüsü ile bulunmuştur.com / files / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

kafes parametre değer
bir 9,496 ± 0.006 Å
b 8,761 ± 0.004 Å
c 5,248 ± 0.001 Å
bir 90º
b 105,06 ± 0.03º
g 90º

Tablo 1: omfasit kafes parametreleri (Ca 0.51 Na 0.48) (Mg 0.44 Al 0.44 Fe <0.35 GPa güçlü> 2+ 0.14 Fe 3+ 0.02) Si 2 O 6. Omfasit kristal P2 / n boşluk grubunda monoklinik kafes sahip olduğu bulunmuştur.

Discussion

Bu yazıda GSECARS 13-BM-C beamline de DAC'lerle tek kristal kırınım deneyleri yürütmek için detaylı bir işlemi göstermektedir. BA-tipi elmas örs ve destek plakaları ile BX-90 tipi DAC tek kristal kırınım deneyleri 2,9,15 için tavsiye edilir. BX-90 tipi DAC avantajı birçok kırılma tepe 9,15 etkin örnekleme sağlar geleneksel simetrik DAC'ler kıyasla daha geniş açısal erişim. Eski doğru kafes parametreleri sınırlamak için daha fazla kırınım zirveleri gerektirir ve ikincisi verilen açısal erişim 2 içinde daha az kırılma doruklarına vermek: Geniş açılı erişim alt simetriye sahip numuneler için ve küçük birim hücreleri ile kritik hale gelmektedir. Daha köşeli erişim bir deneyde, daha hassas atom konumsal parametreler bir 2,4 ölçer ulaşır. Kısıtlı açısal erişim iki boyutlu karşılıklı vektör kümesi, mak neden olabilir2 matematiksel olarak imkansız güvenilir veri yorumlama ing.

Bir önemli, genelde ihmal adım uygun basınç iletim ortamı seçmektir. Argon, silikon yağı ya da metanol-etanol-su çözeltisi gibi, basınç ortamı, önceki tek kristal kırınım deneylerde kullanıldı rağmen bu 10 GPa 21-23 Bu basınç ortam belirgin olusturulmus 22 GPa 5-10 arasında olmak fazla ve büyük ölçüde azaltmadı sıkıştırma 2,22 esnasında kristal kalitesi. Bizim genel deneyim olmuştur 50 GPa (örneğin, 6,7 başvuruyor) kadar yüksek kaliteli deneylerde sadece O ve Ne sonucu. APS, bu gazların uygun GSECARS / COMPRES gaz yükleme cihazının 14 kullanımı ile DAC yüklenebilir. O ya da Ne basınç ortamı olarak seçildiğinde, örnek odası gaz yükleme (Şekil 2) sırasında küçülür. Numune doğrudan conta dokunduğunda,bu sıkıştırma sırasında kolayca kırılır. Yüzden çapı Culet çapının en az 2/3 ise, numune ve gaz yükleme sonrası conta arasındaki teması önlemek için yeterince büyük bir örnek odasını, matkap önemlidir.

PX ^ 2 de sinkrotron tabanlı monokrom tek kristal kırınım kurulumu benzersizdir. Laboratuar diffraktometreler karşılaştırıldığında, sinkrotron X-ışını kaynağı anlamlı sinyal-gürültü oranını iyileştirir ve veri toplama zamanı 4,27,28 azaltan çok daha yüksek bir akı (> 10 4) 4,27,28, içerir. Sinkrotron göre toz sapması aynı zamanda yaygın Rietveld yaklaşım 4 boyunca yüksek basınçlarda malzemenin yapısını belirlemek için kullanılır. O kafes parametreleri ve yapısal parametreler 2,4 takılmasını decouples çünkü tek kristal kırınım, Rietveld yaklaşımı üzerinde avantajlara sahiptir. Rietveld genellikle uydurma ile toz difraksiyon uydurma hem lat gerektirir Tice parametreleri ve aynı zamanda yapısal parametreleri, bağımsız bir gözlem sayısı tek kristal kırınım 4'te olduğundan daha tipik haliyle çok daha düşük olduğu görülmektedir. Başka bir yaygın yapı tayini yöntemi alan detektörü 4 polikromatik radyasyon kullanır Laue kırınım vardır. PX ^ 2 de monokrom veri toplama ile karşılaştırıldığında, Laue yöntemi veri azaltma veri analizi 4,24 ek zorluklar ekleyen harmonik deconvolution ve yoğunluğu normalleşme dahil olmak üzere ek şartlar gerektirir. Monokrom tek kristal kırınım yapıları çözme basit bir yolu, henüz kendi sınırlamaları vardır. monokromatik tek kristal kırınım ideal veri kümesi um onlarca bir boyutu olan bir kusur, daha az kristal gerektirir ve kristal kalitesi yüksek basınçlarda muhafaza etmesi gerekir. Bu gereksinimler bridgmanite 25 gibi sivil quenchable mineraller, karşılamak için zor olabilir.

içerik "> Zaman çözüldü tek kristal kırınım basınç kaynaklı yapısal geçişler sırasında yarı kararlı durumları ve dönüşüm kinetiği geçici yakalama yeteneğine sahiptir, ve ^ 2 26. kusurları ve kafes dinamikleri, nicel karakterizasyonu analizine dayalı PX için gelecekteki araştırmalara yön biridir X-ışını yüksek basınçlarda yaygın saçılma PX anda geliştirilme aşamasındadır da ^ lazer ısıtılmış yüksek basınçlı tek kristal kırınım için kompakt optik bir platform inşa ediliyor ve davranışlarını incelemek için toprak bilim topluluğu sağlayacak 26. 2 derin toprak koşullarında 26 altında malzemelerin.

Disclosures

Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan ederim.

Acknowledgments

Bu çalışma Extreme Kristalografi programı (PX ^ 2), Gelişmiş Foton Kaynağı (APS) ve Argonne National Laboratory için GeoSoilEnviroCARS (Sektör 13), Ortaklık yapıldı. GeoSoilEnviroCARS Ulusal Bilim Vakfı-Yer Bilimleri (KULAK 1128799) ve Enerji-Yerbilimleri Bölümü (DE-FG02-94ER14466) tarafından desteklenmektedir. PX ^ 2 programı NSF Kooperatif Anlaşması EAR 11-57758 altında CompRes tarafından desteklenmektedir. Gelişmiş Foton Kaynak Kullanımı Sözleşme No. DE-C02-6CH11357 altında Enerji, Bilim, Temel Enerji Bilimler Dairesi Ofisi US Department of tarafından desteklenmiştir. COMPRES-GSECARS gaz yükleme sisteminin kullanımı NSF Kooperatif Anlaşması EAR 11-57758 altında CompRes tarafından ve NSF hibe EAR-1128799 ve DOE DE-FG02-94ER14466 hibe yoluyla GSECARS tarafından desteklenmiştir. Biz de nazik RRUFF koleksiyonlarından örnekler sağlamak için Arizona Üniversitesi Prof. RT Downs teşekkür etmek istiyorum.

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).
Yüksek Basınçlı PX de Tek Kristal Kırınımı ^ 2
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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