Waiting
Login processing...

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

Chemistry

High Pressure Single Crystal diffractie bij PX ^ 2

doi: 10.3791/54660 Published: January 16, 2017

Summary

In dit rapport, we gedetailleerde procedures voor de uitvoering van een enkel kristal röntgendiffractie experimenten met een diamant aambeeld cel aan het GSECARS 13-BM-C bundellijn bij de Advanced Photon Source te beschrijven. Atrex en RSV-programma's worden gebruikt om de gegevens te analyseren.

Abstract

In dit rapport gedetailleerde wijze van de eenkristal röntgendiffractie experimenten met een diamant aambeeld cel (DAC) en GSECARS 13-BM-C bundellijn in de Advanced Photon Source beschrijven we. De DAC-programma op 13-BM-C is een onderdeel van het Partnerschap voor de Extreme Xtallography (PX ^ 2) project. BX-90 het type DAC's met conische-type diamanten aambeelden en kontraplaatjes worden aanbevolen voor deze experimenten. De monsterkamer moet worden geladen met edelgas een hydrostatische druk milieu te handhaven. Het monster wordt uitgelijnd met het rotatiecentrum van de diffractie goniometer. De MARCCD gebied detector is gekalibreerd met een poeder diffractiepatroon van het laboratorium 6. Het monster diffractie pieken worden geanalyseerd met de Atrex software programma, en worden vervolgens geïndexeerd met het RSV softwareprogramma. RSV wordt gebruikt om de matrix van de UB monokristal verfijnen en deze informatie en de piek voorspelling functie, kan meer diffractiepieken bevinden. Vertegenwoordigersingle crystal diffractie gegevens van een omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (0,44 Mg Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 monster werden verzameld. Analyse van de gegevens gaf een monokliene rooster met P2 / n ruimtegroep 0,35 GPa en de roosterparameters bleken te zijn: 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

Eenkristal Röntgendiffractie is een van de meest efficiënte en gevestigde wijze om de chemische samenstelling en structuur van een kristallijn materiaal te bepalen bij verschillende experimentele omstandigheden. Onlangs zijn een aantal ontwikkelingen in 1-5 hogedruk monokristal diffractie zijn. Druk is één van de belangrijkste factoren die het gedrag en eigenschappen van de aarde en planetaire materialen beïnvloeden. Hoge druk experimenten routinematig onthullen nieuwe polymorfen van gewone materialen en kan manieren om chemicaliën die onmogelijk te maken bij omgevingsomstandigheden zijn te synthetiseren bloot te leggen. Onlangs hebben diverse nieuwe silicaat polymorfen geïdentificeerd met hogedruk enkel kristal diffractie, die nieuw inzicht in de eigenschappen van de aardmantel 6-8 te verschaffen.

Anders éénkristal diffractie bij atmosferische druk, hoge druk monokristal diffractie vereist een drukvat genereren enonderhouden druk tijdens het verzamelen van gegevens. De meest voorkomende drukvat gebruikt in hoge-druk monokristal diffractie is de diamant aambeeld cel (DAC), die bestaat uit een paar diamanten aambeelden samengehouden door een metalen frame / metaal pakking en een drukoverbrengend medium een ​​hydrostatische verschaffen milieu in de monsterkamer 4,9-11. Single kristal diffractie met behulp van een diamant aambeeld cel verschilt van diffractie bij omgevingsomstandigheden in een aantal belangrijke manieren. Eerst wordt de dekking van reciproke ruimte aanzienlijk verminderd vanwege de beperkte röntgenstralen hoekige toegang door het lichaam van de DAC en de steunplaten. Ten tweede moet de hoek-afhankelijke absorptie van röntgenstralen door de diamanten en kontraplaatjes bepaald en gebruikt om de diffractie signaal corrigeren zodat nauwkeurige structuur factoren berekend. Ten derde, dat duplicatie van het monster diffractie signaal verstrooien of diffractie van de DAC componenten, zoals diamant, pakking en druk transmitting medium, moet worden geëlimineerd. Ten vierde, het uitlijnen van de monster in de DAC naar het midden van de goniometer is moeilijk. De richting loodrecht op de belastingsas van de DAC wordt altijd geblokkeerd door de pakking en is niet toegankelijk voor de optische microscoop of de röntgenbundel. In de axiale richting, kan de optische microscoop alleen zichtbaar verschoven beeld van het monster vanwege de hoge brekingsindex van de diamant. Deze verschillen vereisen de uitvinding van nieuwe hoge-druk monokristal diffractie meetmethoden.

Het partnerschap voor Extreme Xtallography (PX ^ 2) project is een nieuw onderzoek initiatief dat zich toelegt op hoge druk single crystal diffractie met DAC's. Het project wordt gehost op het GeoSoilEnviroCARS proefstation 13-BM-C in het APS, die de meeste van de infrastructuur, waaronder detectoren biedt, gericht X-stralen en een 6-cirkel heavy duty diffractometer 12,13 geoptimaliseerd voor een verscheidenheid van geavanceerde kristallografie experimegen. De diffractometer heeft zes hoek vrijheidsgraden vier sample-oriënterende (μ, η, χ en φ) en twee detector-oriënterende (δ en υ). De hoekige conventies van U 13 worden gebruikt om de beweging van het monster en de detector beschrijven, hoewel het η, χ en φ bewegingen zijn pseudo-hoeken verkregen uit kappa geometrie echte motoren van het instrument. De experimentele procedures werden geoptimaliseerd voor hogedruk-monokristal diffractie met DAC, en een reeks van gegevensverwerking en analyse software pakketten ontwikkeld. In dit manuscript, presenteren we een gedetailleerd protocol voor een typische hoge druk single crystal diffractie experiment met behulp van het type BX-90 DAC 9, als een gids voor het verzamelen en analyseren van gegevens op PX ^ 2.

Protocol

1. Monstervoorbereiding

LET OP: De monstervoorbereiding proces omvat drie belangrijke stappen: het voorbereiden van de lege DAC, het laden van het monster en het laden van de inert gas drukoverbrengende medium. DAC voorbereiding en monster laden zijn in detail beschreven in Lavina et al. 10 en drukoverbrengende medium geladen is beschreven in Rivers et al. 14 Hier beschrijven wij kort de typische monstervoorbereiding proces.

  1. Selecteer een paar conische diamanten met bijpassende kontraplaten.
    1. Zorg ervoor dat de platte uiteinden van de diamant aambeelden (culets) zijn identiek aan elkaar.
      OPMERKING: De diameter van de culet afhankelijk van de maximale doeldruk van het experiment.
    2. Waarborgen dat de kegelvormige behuizing van de achterplaat overeenkomt met de vorm van de conische diamant. Waarborgen dat de hoogte van de diamant, de diameter van de achterkant van de diamant, de openinG hoek van de achterplaat en de openingshoek van de DAC zijn compatibel met elkaar, zodat de hoekige toegang diffractie 9,15 maximaliseren.
  2. Maak de diamanten en kontraplaatjes in een aceton ultrasoon bad gedurende 3-5 min. Stel de ultrasone reiniger op "Sonic" -modus. Onderzoek de diamanten en kontraplaatjes onder een optische microscoop, en verwijder alle zichtbare stof of vuil.
  3. Leg de diamant in de kegelvormige behuizing van de achterplaat, en de montage in een montage mal.
  4. Breng enkele kg belasting de diamant met comprimeren schroeven, zodat het in innig contact met de steunplaat. Breng daarna 0,1 g epoxy rond de buitenomtrek van de diamant. Verwarm het geheel op 70 ° C gedurende 8 uur om de epoxy harden.
  5. Maak de binnenkant van de DAC, de achterkant van de steunplaten en de culets van de diamanten met aceton en plaats de steunplaten met diamanten in de DAC.
  6. de rt de posities van de diamanten met de set schroeven die de achterplaat op zijn plaats houden, zodat het aambeeld culets concentrisch zijn wanneer de twee tegenover elkaar liggende diamanten in contact komen.
  7. Controleer de hellingshoek tussen beide culets zoekt interferentiestrepen onder een optische microscoop. Pas de kantelhoek van de diamanten door de fine-tuning van de belasting van de set schroeven, zodat het aantal franjes wordt geminimaliseerd 10.
  8. Leg een stuk van 250 micrometer dik rhenium (Re) metaalfolie tussen de twee diamanten, en zet het op zijn plaats met wax.
    LET OP: Deze Re folie fungeert als de pakking van de DAC.
  9. Toepassen belasting gelijkmatig en langzaam vast met de vier schroeven comprimeren van de DAC, en bewaken de dikte verandering van de Re pakking met een micrometer door meting van de totale dikte van het samenstel DAC.
  10. Wanneer de dikte van de Re pakking ~ 40 micrometer, verwijder de belasting van het comprimeren schroeven langzaam, en neem de pre-ingesprongen pakking.
  11. Gebruik een laser freesmachine boren van een gat in het midden van de pre-inspringing, waarvan de diameter ten minste 2/3 van de diameter culet. Lijn de pakking met een optische microscoop, en stel de beoogde diameter van de pakking gat in de laser freesmachine gebruikersinterface. Druk op de knop "Scan" om het gat te boren.
  12. Week de geboorde pakking in aceton en schoonmaken met een ultrasone reiniger in de normale modus. Maak de culets van de diamanten met aceton. Plaats het geanalyseerde pakking terug in de DAC.
    Opmerking: Het gat in de pakking dient als de monsterkamer.
  13. Plaats een monokristal monster in het midden van de pakking gat, dat ook het centrum van de diamant culet moet zijn.
    LET OP: De optimale steekproefgrootte is 20 um x 20 um x 5 urn (lengte x breedte x dikte).
  14. Plaats een kleine robijn bol (~ 10 micrometer in diameter) in de buurt van het monster.
    LET OP: De robijn gebied dient als de druk marker.
  15. Plaats de DAC met het monster in tHij compressie / GSECARS gasbelasting schip en lading samengeperst helium (He) of neon (Ne) gas tot een maximale druk van ongeveer 25.000 psi tot het vat 14 te vullen.
  16. Verhoog de druk binnen de DAC monsterkamer door het aandraaien van het comprimeren schroeven van de DAC, en toezicht op de druk met robijn fluorescentie 16.

2. Data Collection

  1. Place ~ 1 mg LaB 6 poeder bij de rotatie centrum van de diffractometer, en het verzamelen van poeder diffractie patronen op verschillende MARCCD detector posities variëren door de δ hoek. Verzamel de poeder diffractie patronen door te klikken op de "Start" knop van de MARCCD EPICS interface. Gebruik dit diffractiepatroon naar de detector-sample verte en de kanteling van de MARCCD detector 2 te kalibreren.
  2. Na het voltooien van de detector kalibreren, verwijder het lab 6-norm van de diffractometer. Plaats de DAC in de monsterhouder, en zet het op the diffractometer's monster podium.
    1. Gebruik een klem-type houder tot omgevingstemperatuur DAC, een watergekoelde clamp-type houder voor hoge temperaturen DAC en polymeer microtraliewerk gemonteerd op een ACA / IUCr standaard goniometer head een monster bij omgevingsdruk en temperatuur houden houden.
      OPMERKING: In de volgende stappen (2,3-2,8), worden alle motion controls bereikt met de EPICS gebruikersinterface (EUI).
  3. Draai de φ as, zodat de monsterkamer loodrecht op de weergave zoom camera door de φ hoek 120 in het EUI.
  4. Vind de monsterkamer met het bekijken camera op het minimale vergroting eerste. Midden van het monster door het veranderen van het monster X, Y en Z in het EUI. Focus het beeld van het monster door het veranderen van de microscoop Z in het EUI, en vervolgens inzoomen om de maximale vergroting.
  5. Lijn de monsterkamer het beeld naar het midden van het zichtbare camera door het veranderen van het monster X, Y en Z in de EUI. Stel het monster positie langs de as van de camera tot het in beeld (met een vooraf bepaalde camera gericht om de positie van het rotatiecentrum in deze richting te schatten). Draai de φ hoek 90 in het EUI zodat de monsterkamer loodrecht op de invallende röntgenbundel.
  6. Om te corrigeren voor monster verplaatsing van het centrum van het instrument naar het DAC as, scannen de DAC positie in zowel horizontale als verticale richtingen loodrecht op de invallende röntgenstralen met de scanw gebruiken, kan gemotoriseerde vertalingen ingebouwd in de goniometer, terwijl het verzamelen van uitgezonden bundel intensiteitsgegevens met een fotodiode detector achter het monster.
    OPMERKING: De fotodiode detector is gemonteerd op een pneumatische actuator en kan in en uit de bundel worden verplaatst op afstand vanaf het bedieningsstation.
  7. Vind de middenpositie in de verzamelde intensiteit scan met behulp van het "centrum" functie van scanw, overeenkomt met de maximale transmissie. Dit is het center van de monsterkamer.
  8. Draai het monster met behulp van de goniometer φ as door een paar graden met behulp van de EUI, en herhaal de verticale transmissie scan. Herhaal de scan tweemaal, zowel positieve als negatieve φ offsets.
  9. Bereken het monster positie langs de richting van de invallende röntgenstralen met de volgende vergelijking 17
    vergelijking 1
    Wanneer AY is de afstand langs de richting van de invallende röntgenstralen, dat het monster wordt verplaatst van het centrum van het instrument, Δφ is de verandering in de φ hoek tussen scans, AS x + en AS x- zijn de positionele offset van verzending X-ray's profiel wanneer de φ hoek wordt gekanteld + Δφ en -Δφ.
    OPMERKING: Meerdere iteraties scans kan worden gedaan om de nauwkeurigheid van het monster kunnen positioneren.
  10. Na het uitlijnen van de steekproef, het verzamelen van de single crystal diffractie datade CCD_DC software 1.
    1. Eerst laat een φ-scannen met een fotodiode door op de knop "scan" op de scanw software om de maximale openingshoek te bepalen en de functionele vorm van de absorptie-effect van de diamant aambeelden en steunplaten bepalen.
    2. Na de φ-scan, voert een breed φ blootstelling (waarbij de detector open blijft terwijl φ is gedraaid) om de maximale openingshoek van de DAC toelaat dekken, gevolgd door een reeks stappen φ posities, die elk 1 °. Voer deze stap voor het instellen van het "totaalpakket" om de maximale openingshoek, en het instellen van het "Aantal stappen" om hetzelfde nummer in de CCD_DC software. Verzamel breed φ scans op verschillende posities detector door het ontwerp detector armpositie in de δ ν en richtingen in het CCD_DC software om de toegang tot meer diffractiepieken mogelijk.
      LET OP: Voor kristallen met een eenheidcel die groter zijn dan 10 A, de verzameling van 10 ° brede opstap scans die hetzelfde hoekbereik is ook een aanrader. Belichtingstijd wordt bepaald door de absorptie van de diamant, en de intensiteit van diffractie voorzien van het monster. Meestal selecteert u de belichtingstijd dat de intensiteiten van de diffractie pieken maximaliseert zonder verzadiging. Een typische belichtingstijd is 1-5 s / °. Typisch gegevensverzameling in een kristal onder één detector positie en een druk van ongeveer 30 minuten.

3. Gegevensanalyse

OPMERKING: De data-analyse wordt uitgevoerd met behulp van de Atrex / RSV software suite 2,18. Voor een gedetailleerde uitleg van de principes gebruikt in de software vindt u in het werk van Dera, et al. 2

  1. Verwerk de LaB 6 kalibratiebestand.
    1. Open het lab afbeelding 6 poeder diffractie verzameld op elke detector positie in de software. Voer de golflengte van de invallende X-stralen (0,434 A) en druk op de "verfijnen Cal" knop.
      OPMERKING: De software berekent automatisch de sample-detectorafstand en de helling van de detector ten opzichte van de invallende röntgenbundel. Detector kalibratie wordt alleen uitgevoerd bij detector posities ν = 0, 0 δ =. De kalibratie beelden verzameld op niet-nul ν en δ worden gebruikt ter verificatie van kalibratiekwaliteit.
    2. Sla de kalibratie-bestanden voor elke detector positie door met de hand de ν en δ instellingen, indien nodig te bewerken.
      LET OP: Atrex winkels detector kalibratie .cal bestanden geassocieerd met elk beeld serie. Bij het openen van een beeld, controleert het programma of de bijbehorende .cal bestand aanwezig is. Als het niet, bestaat de mogelijkheid om een ​​dergelijk bestand te selecteren.
  2. Na het opslaan van de kalibraties voor alle detector posities, maken deze verenigingen door het controleren van de "Toewijzen cal" checkbox in de Atrex softwareZodat het programma onthouden welke kalibraties te gebruiken.
  3. Zoek naar het monster diffractie pieken, en past de piek intensiteiten.
    1. Open de blootstelling van de groothoek φ in de software. Ga naar de "Search" panel, en zoek naar de diffractie pieken in de brede exposure hoek. Handmatig verwijderen van de overname verzadigde diffractie pieken van de diamant en de diffractie pieken in de buurt van de Re pakking ringen.
    2. Monteer de diffractie pieken om hun nauwkeurige posities en intensiteiten te krijgen. Zoeken naar het monster diffractie pieken voor alle detector posities door te klikken op de knop "piek zoeken 'in de software, en sla de overeenkomstige piek tafels door te klikken op de" save pieken "knop.
  4. Reconstrueren verdeling van de diffractie pieken 'in de reciproke ruimte.
    1. In het programma opent de piek tafel voor één detector positie en een beeld in de stap φ scan, eenssociated met dezelfde detectorpositie. Als de detector de kalibratie-bestand is nog niet om dit bestand serie is toegewezen, selecteert u de juiste .cal bestand. Ga naar de "Scan" paneel en druk op de "Prof. berekenen van aftasten" knop.
      LET OP: Deze stap zal de φ hoek voor elke diffractie piek waarbij de piekintensiteit is de sterkste te vinden.
    2. Sla de resulterende piek tafel .pks bestand. Herhaal deze stap voor alle grote rotatie beelden op verschillende detector posities.
  5. Index de diffractie pieken.
    1. Met behulp van de RSV-software, opent de eerste piek tafel bestand. Gebruik de functie "Append" om alle bijkomende piek tafels samen te voegen. Gebruik de RSV plugin om de voorlopige UB matrix van het kristal en het indexeren van de diffractie pieken te vinden. De software zal automatisch op zoek naar de meest waarschijnlijke UB matrix.
    2. Open de voorlopige UB matrix in RSV door het importeren van de .p4p bestand, en verfijnen van de UB matrix met ded-afstand van iedere diffractie piek met behulp van de "Verfijn w / d-spac" knop. Als de symmetrie van het kristal is bekend, selecteert passende kristal systeembeperkingen.
      OPMERKING: Bij de verfijning convergeert de geoptimaliseerde UB matrix en de roosterparameters van het kristal (a, b, c, α, β en γ) bepaald.
    3. Sla de geoptimaliseerde UB matrix als een .ub bestand.
      LET OP: In de eerste piek zoekproces het programma zou kunnen hebben sommige lage intensiteit pieken die zeer waardevol in de structuur bepaling zal worden gemist.
  6. Om te zoeken naar deze ontbrekende pieken terug om de software te gaan, en het beeld van de brede hoek φ blootstelling (het bijbehorende kalibratie bestand moet automatisch geladen) te openen.
  7. In het paneel "voorspellen", opent de UB matrix van het kristal en simuleren van het diffractiepatroon. In de "Pieken" panel, zoeken naar de waargenomen diffractie pieken, en verwijder de onopgemerkte pieken (het tekstvak naastde "Waargenomen" knop maakt het mogelijk om de minimale pixel intensiteitsdrempel binnen de montagedoos piek die nodig is voor de piek die moet worden beschouwd als "waargenomen"). Breng de posities en intensiteiten van de pieken door te klikken op de "piek fit" knop en sla de piek tafel.
  8. Samenvoegen alle voorspelde piek tafels op verschillende detector standpunten met de RSV-software met behulp van de "toevoegen" -functie. Als verschillende belichtingsinstellingen (rotatiesnelheid in ° / sec) werden gebruikt, gebruik dan een geschikte schaalfactoren bij het openen van nieuwe .pks bestanden.
  9. Exporteert de samengevoegde piek tabel als .hkl tekstbestand, dat kan worden gebruikt om de kristalstructuur met ShelX softwarepakket verfijnen. Gedetailleerde procedures voor het uitvoeren van de structuur verfijning met ShelX zijn goed elders 19,20 beschreven.

Representative Results

We tonen een representatief voorbeeld van hoge-druk éénkristal diffractie op de silicaatmineraal omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (0,44 Mg Al 0,44 Fe2 + 0,14 Fe3 + 0,02) Si 2 O 6. De omphacite monster werd geladen in een BX-90 het type DAC met Boehler-Almax (BA) type diamanten aambeelden en backing platen (figuur 1). De monsterkamer is gevuld met een edelgas drukoverbrengende medium (helium in dit geval) een hydrostatische druk milieu. De druk van de monsterkamer was 0,35 GPa, bepaald door fluorescentie robijn. Het monster werd gebracht met het rotatiecentrum van de diffractie goniometer (figuren 3, 4). We gekalibreerd de positie en kanteling van de MARCCD detector bij ν = 0, δ = 0 met een LaB 6 poederstandaard (Figuur 5). Tijdens het experiment, η, `7; en μ hoeken werden vastgesteld op 0. De diffractiepieken van het monster werden eerst geanalyseerd met "Zoek" functie van de Atrex software (figuur 6). Vervolgens wordt de roosterparameters en UB matrix van de omphacite eenkristal werden verfijnd met de RSV software (Figuur 7). Met de verfijnde UB matrix van het kristal, werden meer diffractiepieken gevonden met "Voorspel" functie van de software (figuur 8). De verfijnde rooster parameters van deze omphacite single crystal bij deze druk zijn: 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). De omphacite kristallen bleek monokliene rooster in de P 2 / n ruimtegroep hebben. De verfijnde lattice parameters komen overeen met de gepubliceerde roosterparameters van omphacite met eenvergelijkbare chemische samenstelling en op een vergelijkbaar druk: 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.

Figuur 1
Figuur 1: Componenten van BX-90 DAC die wordt gebruikt voor hoge druk éénkristal diffractie. (A) Boehler-Almax (BA) soort diamant; (B) Re pakking; (C) het type BA achterplaat; (D) het type BA ruit geplakt van het type BA achterplaat; (E) cilinderdeel van de BX-90 DAC; (F) zuigerdeel van de BX-90 DAC; (G) linkshandige (gezwart) en rechts-handed (roestvrij staal finish) comprimeren schroeven: (h) rechtshandig comprimeren schroef met schijf veerringen; ( Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2: microscoop beeld van de DAC monsterkamer voor en na edelgas drukoverbrengend medium laden. Na de gasdruk het overbrengen medium laden, de monsterkamer gat kromp met ~ 30% in diameter. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3: Experimentele opstelling voor high-pressure single crystal diffractie bij PX ^ 2. De zes vrijheidsgraden hoek (μ, η, χ, φ, δ en υ) en de drie translationele richtingen (x, y en z) gelabeld. De notatie voor hoeken volgt de hoekige conventie van You 13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
Figuur 4: Lijn de monsterkamer om de rotatie centrum. Links: monsterkamer scans op de X-ray normale richting (blauw) en φ-rotatie van + Δφ (groen) en -Δφ (rood). Rechts: X-ray transmissie profielen van de monsterkamer scans op verschillende φ hoeken. De verschuivingen van de X-stralen profielen worden gebruikt om de positionele correctie te berekenen langs de inciden t X-straalrichting. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5: Het kalibreren van de MARCCD detector met behulp van de data-analyse software. LaB 6 poeder diffractie patroon wordt gebruik gemaakt van de kalibratie uit te voeren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6: diffractiepiek zoeken met behulp van de data-analyse software. In totaal 63 diffractie pieken werden gevonden dit beeld Het brede exposure in. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 7
Figuur 7: het indexeren diffractiepieken en berekenen van de UB matrix van het monster met de RSV software. De indexering wordt automatisch door de software worden uitgevoerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8
Figuur 8: Het voorspellen van de diffractiepieken de gegevensanalyse software. 112 diffractie pieken werden gevonden afbeelding dezelfde diffractie met zoals in figuur 6 met behulp van de piek-voorspelling functie.com / files / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Lattice parameter Waarde
een 9,496 ± 0,006 Å
b 8,761 ± 0,004 Å
c 5,248 ± 0.001 Å
een 90º
b 105,06 ± 0.03º
g 90º

Tabel 1: Lattice parameters van omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (0,44 Mg Al 0,44 Fe <strong> 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 op 0,35 GPa. De omphacite kristallen bleek monokliene rooster in de P 2 / n ruimtegroep hebben.

Discussion

In dit rapport tonen we de gedetailleerde procedure voor het uitvoeren van single crystal diffractie experimenten met DAC's op de GSECARS 13-BM-C bundellijn. BX-90 het type DAC's met BA-type diamanten aambeelden en kontraplaatjes worden aanbevolen voor single crystal diffractie experimenten 2,9,15. Het voordeel van de BX-90 Type DAC haar bredere hoekige toegang in vergelijking met de traditionele symmetrische DAC, dat voorziet bemonsterings- vele diffractiepieken 9,15. De brede hoek toegang wordt kritiek voor monsters met lagere symmetrie en kleinere cellen eenheid: de eerstgenoemde vereisen meer diffractiepieken de roosterparameters nauwkeurig beperken, en deze geven minder diffractiepieken in de hoek bepaalde toegang 2. De hoekiger toegang bereikt men in het experiment, hoe nauwkeuriger atoom positionele parameters meet men 2,4. Beperkte hoek toegang kan een tweedimensionale vector wederzijdse dataset, making betrouwbare data interpretatie wiskundig onmogelijk 2.

Een belangrijke, maar vaak over het hoofd gezien stap is om geschikte druk transmissiemedium te selecteren. Hoewel drukmedium zoals argon, siliconenolie of methanol-ethanol-wateroplossing werden in eerdere eenkristal diffractie experimenten die niet hoger was dan 10 GPa 21-23 Deze drukmedium worden aanzienlijk nonhydrostatic 5-10 GPa 22, en sterk verminderen de kwaliteit van de kristallen tijdens het comprimeren 2,22. Onze algemene ervaring is dat alleen hij en Ne resulteren in hoge kwaliteit experimenten tot 50 GPa (bijvoorbeeld referenties 6,7). Voor deze APS, kunnen deze gassen worden gemakkelijk geladen in DAC's met behulp van GSECARS / COMPRESSION gas-laadinrichting 14. Wanneer hij of Ne wordt gekozen als het drukmedium, de monsterkamer krimpt tijdens de gasbelasting (figuur 2). Zodra het monster rechtstreeks raakt de pakking,het breekt gemakkelijk tijdens het compressieproces. Het is dus belangrijk om een ​​groot genoeg monsterkamer, waarvan de diameter ten minste 2/3 van de culet diameter, om het contact tussen het monster en de pakking na gas vullen te voorkomen boren.

De synchrotrongebaseerde monochromatische single crystal diffractie setup op PX ^ 2 is uniek. Vergeleken met het laboratorium diffractometers de synchrotron röntgenbron verschaft een veel hogere flux (> 10 4) 4,27,28, die aanzienlijk verbetert de signaal-ruisverhouding en vermindert de gegevensverzameling tijd 4,27,28. Synchrotrongebaseerde poederdiffractie wordt ook vaak gebruikt om de structuur van materialen bij hoge drukken door de Rietveld benadering 4. Single kristal diffractie heeft voordelen ten opzichte van de Rietveld aanpak, omdat het de montage van rooster parameters en structurele parameters 2,4 ontkoppelt. Poeder diffractie met Rietveld fitting meestal vereist fitting zowel lat tice parameters en structurele parameters tegelijkertijd, terwijl het aantal onafhankelijke waarnemingen typisch veel lager dan in monokristal diffractie 4. Een andere veel voorkomende structuur bepalingsmethode is Laue diffractie, die polychromatische straling gebruikt met een oppervlakte detector 4. Vergeleken met monochromatische gegevensverzameling op PX ^ 2, de reductie van Laue werkwijze data vereist aanvullende voorwaarden waaronder harmonische deconvolutie en intensiteit normalisatie, die extra moeilijkheden toevoegt in de gegevensanalyse 4,24. Monochromatische single crystal diffractie is een eenvoudige manier om het oplossen van structuren, maar het heeft zijn eigen beperkingen. Een ideale dataset monochromatisch éénkristal diffractie vereist een defect-loze kristallen met een grootte van tientallen urn, en de kristalkwaliteit moet behouden bij hoge drukken. Deze eisen kunnen moeilijk te voldoen voor een aantal niet uitdoofbare mineralen, zoals bridgmanite 25.

content "> Tijdopgeloste éénkristal diffractie kan vastleggen de tijdelijke metastabiele staten en omzettingskinetiek tijdens druk geïnduceerde structurele overgangen en is een van de toekomstig onderzoek aanwijzingen voor PX ^ 2 26. Kwantitatieve karakterisering van defecten en roostertrillingen, gebaseerd op analyse van X-ray diffuse verstrooiing bij hoge druk is ook in ontwikkeling bij de PX ^ 2 26. Een compacte optische platform voor laser verhit hogedruk-single crystal diffractie wordt gebouwd, en zal de aarde-wetenschappelijke gemeenschap in staat om het gedrag te bestuderen van materialen onder deep-earth omstandigheden 26.

Disclosures

De auteurs verklaren geen belangenconflicten.

Acknowledgments

Dit werk werd uitgevoerd bij GeoSoilEnviroCARS (Sector 13), Partnership for Extreme Kristallografie programma (PX ^ 2), Advanced Photon Bron (APS), en Argonne National Laboratory. GeoSoilEnviroCARS wordt ondersteund door de National Science Foundation-Earth Sciences (EAR-1128799) en het Department of Energy-Geowetenschappen (DE-FG02-94ER14466). De PX ^ 2-programma wordt ondersteund door COMPRESSION onder NSF samenwerkingsovereenkomst EAR 11-57758. Gebruik van de Advanced Photon Source werd gesteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences, onder Contract No. DE-C02-6CH11357. Gebruik van de COMPRESSION-GSECARS gas laadsysteem werd ondersteund door COMPRESSION onder NSF samenwerkingsovereenkomst EAR 11-57758 en door GSECARS door de NSF subsidie ​​EAR-1128799 en DOE verlenen DE-FG02-94ER14466. We willen ook graag Prof. RT Downs danken aan de Universiteit van Arizona voor vriendelijk het verstrekken van de monsters van RRUFF collecties.

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).
High Pressure Single Crystal diffractie bij PX ^ 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