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.
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 °.
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.
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.The authors have nothing to disclose.
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.
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 |