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Chemistry

High Pressure Monocristal Diffraction PX ^ 2

doi: 10.3791/54660 Published: January 16, 2017

Summary

Dans ce rapport, nous décrivons des procédures détaillées pour la réalisation d'expériences de diffraction de cristal aux rayons X unique avec une cellule à enclume de diamant au GSECARS 13-BM-C ligne de lumière à l'Advanced Photon Source. programmes ATREX et RSV sont utilisés pour analyser les données.

Abstract

Dans ce rapport, nous décrivons des procédures détaillées pour la réalisation d'expériences de diffraction de cristal aux rayons X unique avec une cellule à enclume de diamant (DAC) au GSECARS 13-BM-C ligne de lumière à l'Advanced Photon Source. Le programme du CAD à 13-BM-C fait partie du Partenariat pour Extreme Xtallography (PX 2 ^) projet. BX-90 de type DACs avec enclumes de diamant de type conique et plaques de support sont recommandés pour ces expériences. La chambre de l'échantillon doit être chargé avec un gaz noble pour maintenir un environnement de pression hydrostatique. L'échantillon est aligné sur le centre de rotation du goniomètre de diffraction. Le détecteur de zone MARCCD est calibré avec un motif de diffraction de poudre de LaB 6. Les pics de diffraction de l'échantillon sont analysés avec le logiciel ATREX et sont ensuite indexés avec le logiciel de RSV. RSV est utilisée pour affiner la matrice UB du monocristal, et avec cette information et la fonction de prédiction de pic, plusieurs pics de diffraction peut être localisé. Représentantdonnées unique de diffraction de cristal à partir d' un 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 échantillons ont été recueillis. L' analyse des données a donné un réseau monoclinique P2 / groupe d'espace de n à 0,35 GPa, et les paramètres de maille ont été trouvés être: 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.

Introduction

Monocristal de diffraction des rayons X est l'un des moyens les plus efficaces et bien établies pour déterminer la composition chimique et la structure d'un matériau cristallin à des conditions expérimentales différentes. Récemment il y a eu un certain nombre 1-5 de l' évolution de haute pression monocristal diffraction. La pression est l'un des principaux facteurs qui influent sur le comportement et les propriétés de la Terre et des matériaux planétaires. expériences à haute pression révèlent régulièrement de nouveaux polymorphes de matériaux communs et peuvent découvrir des moyens pour synthétiser des produits chimiques qui sont impossibles à faire dans les conditions ambiantes. Récemment, plusieurs nouveaux polymorphes de silicate ont été identifiés à haute pression Diffraction monocristallin, qui fournissent un nouvel éclairage sur les propriétés du manteau de la Terre 6-8.

Différent de diffraction unique cristalline à la pression atmosphérique, un monocristal de diffraction à haute pression nécessite un récipient sous pression pour générer etmaintenir la pression pendant la collecte des données. Le récipient sous pression le plus couramment utilisé en haute pression monocristal diffraction est la cellule à enclume de diamant (DAC) qui est composé d'une paire d'enclumes de diamant maintenus ensemble par un joint d'étanchéité structure métallique / métal, et un milieu transmetteur de pression pour fournir une hydrostatique environnement dans la chambre d'échantillon 4,9-11. Un seul cristal de diffraction en utilisant une cellule à enclume de diamant diffère de diffraction aux conditions ambiantes de plusieurs façons importantes. Tout d'abord, la couverture de l'espace réciproque est considérablement réduite en raison de rayons X accès angulaire limité par le corps du CAD et les plaques d'appui. D'autre part, l'absorption dépendant de l'angle des rayons X par les diamants et les plaques d'appui doit être déterminée et utilisée pour corriger le signal de diffraction de telle sorte que les facteurs de structure précises peuvent calculée. Troisièmement, tout chevauchement du signal de diffraction de l'échantillon avec la dispersion ou la diffraction à partir des composants du CAD, comme les diamants, joint et transmittin de pressionmoyen g, doit être éliminé. En quatrième lieu, l'alignement de l'échantillon dans le DAC par rapport au centre du goniomètre est difficile. La direction perpendiculaire à l'axe du DAC de charge est toujours bloquée par le joint, et ne sont accessibles soit au microscope optique ou le faisceau de rayons X. Dans la direction axiale, le microscope optique ne peut visualiser une image déplacée de l'échantillon en raison de l'indice de réfraction du diamant. Ces différences nécessitent l'invention de nouveaux monocristaux méthodes de mesure de diffraction à haute pression.

Le Partenariat pour Extreme Xtallography (PX 2 ^) projet est une nouvelle initiative de recherche dédié à haute pression monocristal diffraction avec DACs. Le projet est hébergé au GeoSoilEnviroCARS station expérimentale 13-BM-C à l'APS, qui fournit la plupart des infrastructures , y compris les détecteurs, concentré les rayons X et un 6-cercle robuste diffractomètre 12,13 optimisé pour une variété de pointe cristallographie experiments. Le diffractomètre possède six degrés de liberté angulaire, quatre échantillons d'orientation (μ, η, χ et φ) et deux détecteur d'orientation (ô et υ). Les conventions angulaires de vous 13 sont utilisés pour décrire le mouvement de l'échantillon et le détecteur, bien que le η, χ et mouvements & phiv sont des pseudo-angles dérivés de la géométrie kappa véritables moteurs de l'instrument. Les procédures expérimentales ont été optimisés pour haute pression monocristal diffraction avec DACs, et une suite de logiciels de traitement de données et de logiciels d'analyse a été développée. Dans ce manuscrit, nous présentons un protocole détaillé pour une expérience de diffraction typique à haute pression monocristal en utilisant le type BX-90 DAC 9, comme un guide pour recueillir et analyser des données à PX ^ 2.

Protocol

Préparation 1. Echantillon

NOTE: Le processus de préparation des échantillons comprend trois étapes principales: la préparation du CAD vide, le chargement de l'échantillon et de chargement de la pression de gaz inerte milieu de transmission. Préparation du CAD et le chargement des échantillons ont été décrits en détail dans Lavina et al. 10, et de transmission de pression de chargement moyen a été décrit dans Rivers et al. 14 Ici , nous décrivons brièvement le processus de préparation d'échantillon typique.

  1. Sélectionnez une paire de diamants coniques avec correspondance des plaques d'appui.
    1. Faire en sorte que les extrémités plates des enclumes de diamant (de culets) sont identiques les uns aux autres.
      NOTE: Le diamètre de la colette dépend de la pression maximale cible de l'expérience.
    2. Faire en sorte que le logement conique de la plaque de support correspond à la forme du diamant conique. Veiller à ce que la hauteur du diamant, le diamètre de la face arrière du diamant, le openinAngle g de la plaque d'appui et l'angle d'ouverture du DAC sont compatibles les uns avec les autres, de manière à maximiser l'accès angulaire pour la diffraction 9,15.
  2. Nettoyer les diamants et les plaques de support dans un bain à ultrasons acétone pendant 3-5 min. Réglez le nettoyeur à ultrasons en mode "Sonic". Examiner les diamants et les plaques de support sous un microscope optique, et enlever toute la poussière visible ou de débris.
  3. Placer le diamant dans le logement conique de la plaque de support, et l'ensemble dans un gabarit de montage.
  4. Appliquer quelques kg de charge au diamant avec des vis de compression, de sorte qu'il est en contact intime avec la plaque d'appui. Ensuite, appliquer environ 0,1 g de résine époxy autour de la circonférence extérieure du diamant. Faire chauffer l'ensemble à 70 ° C pendant 8 h pour durcir l'époxy.
  5. Nettoyez l'intérieur du CAD, la face arrière des plaques d'appui et les culets des diamants avec de l'acétone, et placer les plaques d'appui avec des diamants dans le CAD.
  6. adjust les positions des diamants avec des vis de fixation qui maintiennent la plaque de support en place, de sorte que les culets enclume sont concentriques lorsque les deux diamants opposés entrent en contact.
  7. Vérifiez l'angle d'inclinaison entre les deux culets recherchant des franges d'interférence sous un microscope optique. Ajustez l'angle d'inclinaison des diamants par réglage fin de la charge des vis de réglage, de sorte que le nombre de franges est réduit au minimum 10.
  8. Placez un morceau de 250 um d'épaisseur de rhénium (Re) une feuille de métal entre les deux diamants, et le fixer en place avec de la cire.
    NOTE: Ce Re actes de feuilles que le joint du DAC.
  9. Appliquer charge uniformément et lentement en serrant les quatre vis de compression du CAD, et suivre l'évolution de l'épaisseur du joint Re avec un micromètre en mesurant l'épaisseur totale de l'ensemble du CAD.
  10. Lorsque l'épaisseur du joint est Re ~ 40 um, retirer la charge des vis de compression lentement, et retirer le joint pré-retrait.
  11. Utilisez un laser fraiseuse pour percer un trou au centre de la pré-entaille dont le diamètre est d'au moins 2/3 du diamètre de colette. Aligner le joint avec un microscope optique, et définir le diamètre du trou prévu d'étanchéité dans l'interface utilisateur de la machine d'usinage au laser. Appuyez sur le bouton "Scan" pour percer le trou.
  12. Faire tremper le joint percé dans l'acétone et le nettoyer avec un nettoyeur à ultrasons en mode normal. Nettoyer les culets des diamants avec de l'acétone. Placez le dos du joint percé dans le CAD.
    REMARQUE: le trou du joint sert de chambre d'échantillon.
  13. Placez un seul échantillon de cristal au centre du trou de joint, qui devrait également être au centre de la colette du diamant.
    NOTE: La taille optimale de l'échantillon est de 20 um x 20 um x 5 um (longueur x largeur x épaisseur).
  14. Placez une petite sphère rubis (~ 10 m de diamètre) à proximité de l'échantillon.
    NOTE: La sphère rubis sert de marqueur de pression.
  15. Placez le DAC avec l'échantillon à l'intérieur til COMPRES / GSECARS navire de chargement de gaz et la charge d' hélium comprimé (He) ou le néon (Ne) du gaz à une pression maximale d'environ 25 000 psi pour remplir la cuve 14.
  16. Augmenter la pression dans la chambre de l' échantillon du CAD en serrant les vis de compression de la DAC, et surveiller la pression de rubis fluorescence 16.

2. Collecte de données

  1. Lieu ~ 1 mg LaB 6 poudre au centre de rotation du diffractomètre, et de recueillir des motifs de diffraction de poudre à plusieurs positions de détecteur MARCCD variant selon l'angle de δ. Recueillir les motifs de diffraction de poudre en cliquant sur le bouton "Démarrer" de l'interface MARCCD EPICS. Utilisez ce diagramme de diffraction pour calibrer la distance détecteur-échantillon et l'inclinaison du détecteur MARCCD 2.
  2. Après avoir terminé la calibration du détecteur, retirez le standard du diffractomètre LaB 6. Placez le CAD dans le porte-échantillon, et le mettre sur eL'étape e de diffractomètre de l'échantillon.
    1. Utilisez un support de type pince pour tenir ambiante DACs de température, un porte-pince de type refroidi à l'eau pour DACs haute température, et micromaille polymère montés sur une tête goniométrique norme ACA / IUCr pour tenir un échantillon à la pression et la température ambiante.
      NOTE: Dans les étapes suivantes (2,3-2,8), toutes les commandes de mouvement sont obtenus avec l'interface utilisateur de EPICS (EUI).
  3. Tourner l'axe de φ de sorte que la chambre d'échantillon est perpendiculaire à la caméra zoom de visualisation en réglant l'angle de φ à 120 dans l'IUE.
  4. Trouvez la chambre d'échantillon avec la caméra de visualisation au grossissement minimum en premier. Centrer l'image de l'échantillon en changeant l'échantillon X, Y et Z dans l'IUE. Concentrez l'image de l'échantillon en changeant le microscope Z dans le EUI, puis un zoom avant pour le grossissement maximum.
  5. Aligner l'image de la chambre d'échantillon par rapport au centre de l'appareil en changeant la visualisation de l'échantillon X, Y et Z dans le EUI. Ajuster la position de l'échantillon le long de l'axe de l'appareil jusqu'à ce qu'elle soit mise au point (mise au point au moyen d'un appareil de pré-déterminé pour estimer la position du centre de rotation dans ce sens). Ensuite, faire pivoter l'angle de φ à 90 dans l'IUE de telle sorte que la chambre d'échantillon est perpendiculaire au faisceau incident de rayons X.
  6. Pour corriger l'échantillon de déplacement du centre de l'instrument le long de l'axe du CAD, analyser la position du CAD dans les deux directions horizontales et verticales perpendiculaires à l'incident de rayons X en utilisant le logiciel scanw, en utilisant les traductions motorisés intégrés dans le goniomètre, tout en recueillant faisceau transmis les données d'intensité avec un détecteur de photodiode placée derrière l'échantillon.
    REMARQUE: le détecteur à photodiode est montée sur un vérin pneumatique et peut être déplacé dans et hors du faisceau à distance depuis le poste de commande.
  7. Trouver la position centrale dans l'analyse de l'intensité recueillies à l'aide de la fonction «centre» de scanw, correspondant à une transmission maximale. Ceci est la CEnter de la chambre d'échantillon.
  8. Faites pivoter l'échantillon en utilisant l'axe de la goniomètre par quelques degrés à l'aide de l'IUE, et répéter l'analyse de la transmission verticale. Répétez l'analyse deux fois, à deux décalages & phiv positifs et négatifs.
  9. Calculer la position de l' échantillon le long de la direction de l'incident de rayons X avec l'équation 17 suivante
    L'équation 1
    Où AY est la distance le long de la direction du rayon X incident que l'échantillon est décalé par rapport au centre de l'instrument, Δφ représente la variation de l'angle φ entre les balayages, ΔS x + et ΔS X- sont les décalages de position de la transmission de rayons X profil lorsque l'angle de φ est incliné de + Δφ et -Δφ.
    NOTE: Plusieurs itérations de balayages peut être fait pour améliorer la précision du positionnement de l'échantillon.
  10. Après avoir aligné l'échantillon, recueillir les données de diffraction de monocristauxavec le logiciel de CCD_DC 1.
    1. Dans un premier temps, recueillir un φ-scan avec une photodiode en cliquant sur le bouton "scan" sur le logiciel scanw pour déterminer l'angle d'ouverture maximale et pour déterminer la fonction-forme de l'effet d'absorption des enclumes de diamant et plaques d'appui.
    2. Après le φ-scan, réaliser une exposition large φ (au cours de laquelle le détecteur est laissée ouverte pendant que φ est tournée) pour couvrir l'angle d'ouverture maximale que le DAC permet, suivie d'une série d'expositions étape de & phiv, chacun couvrant 1 °. Effectuer cette étape en définissant la "plage totale" à l'angle d'ouverture maximale, et le réglage du «Nombre d'étapes" au même numéro dans le logiciel CCD_DC. Collecter des balayages larges & phiv à différentes positions de détection en spécifiant la position du bras de détection dans les directions ô et v dans le logiciel de CCD_DC, de manière à permettre l'accès à plusieurs pics de diffraction.
      NOTE: Pour les cristaux avec une unitécellulaire supérieure à 10 Å, collection de 10 ° scans étape larges couvrant la même plage angulaire est également recommandée. Les temps d'exposition sont déterminées par l'absorption du diamant, et l'intensité de diffraction des caractéristiques de l'échantillon. Habituellement, sélectionnez le temps d'exposition qui maximise les intensités des pics de diffraction sans saturation. Un temps d'exposition typique est / l'° de 1-5. la collecte de données typique d'un cristal à une position de détecteur, et une pression dure environ 30 min.

Analyse 3. Données

NOTE: L'analyse des données est effectuée à l' aide du ATREX / RSV suite logicielle 2,18. Pour une explication détaillée des principes utilisés dans le logiciel s'il vous plaît voir le travail de Dera, et al. 2

  1. Traiter le fichier LaB 6 d'étalonnage.
    1. Ouvrir l'image de diffraction de poudre 6 LaB ont été recueillies à chaque position du détecteur dans le software. Entrer la longueur d'onde des rayons X incidents (0,434 Å), et appuyez sur le bouton "affiner Cal".
      REMARQUE: Le logiciel calcule automatiquement la distance échantillon-détecteur et l'inclinaison du détecteur par rapport au faisceau incident de rayons X. calibration du détecteur est effectuée uniquement à des positions de détection ν = 0, δ 0 =. Les images d'étalonnage recueillies à ν non nul, et δ sont utilisées pour la vérification de la qualité de l'étalonnage.
    2. Enregistrer les fichiers d'étalonnage pour chaque position de détecteur en modifiant manuellement les paramètres v et ô, si nécessaire.
      NOTE: ATREX calibration du détecteur stocke les fichiers .cal associés à chaque série d'images. Lors de l'ouverture d'une image, le programme vérifie si le fichier .cal associé est présent. Dans le cas contraire, il y a la possibilité de sélectionner un tel fichier.
  2. Après avoir enregistré les étalonnages pour tous les postes de détection, créer ces associations en cochant la "cal Assign" case à cocher dans le logiciel ATREX, De sorte que le programme se souviendra que les étalonnages à utiliser.
  3. Rechercher les pics de diffraction de l'échantillon, et monter les intensités des pics.
    1. Ouvrez l'exposition du grand angle dans le logiciel. Allez dans le panneau "Recherche", et rechercher les pics de diffraction dans l'exposition grand angle. Supprimez manuellement les plus saturés des pics de diffraction du diamant et les pics de diffraction à proximité des bagues d'étanchéité Re.
    2. Monter les pics de diffraction pour obtenir leurs positions précises et intensités. Rechercher les pics de diffraction de l'échantillon pour toutes les positions de détection en cliquant sur le bouton "de recherche de pointe" dans le logiciel, et enregistrer les tables de pointe correspondantes en cliquant sur le bouton "enregistrer des pics".
  4. Reconstruire la distribution de pics de diffraction dans l' espace réciproque.
    1. Dans le programme, ouvrez la table de pointe pour une position de détecteur, et une image dans le balayage étape de φ, qui est unssociated avec la même position de détecteur. Si le fichier de calibration du détecteur n'a pas encore été attribuée à cette série de fichiers, sélectionnez le fichier .cal approprié. Allez dans le panneau "Scan", et appuyez sur le "calculer Prof. de scan" bouton.
      REMARQUE: Cette étape sera de trouver l'angle de φ pour chaque pic de diffraction à laquelle le pic d'intensité est la plus forte.
    2. Enregistrer le fichier de la table de pic résultant de. Répétez cette étape pour toutes les images de rotation large à différentes positions de détection.
  5. Indexer les pics de diffraction.
    1. Utilisation du logiciel VRS, ouvrez le premier fichier de table de pointe. Utilisez la fonction "Append" pour fusionner toutes les tables de pointe supplémentaires. Utilisez le plugin RSV pour trouver la matrice préliminaire UB de ce cristal et d'indexer les pics de diffraction. Le logiciel recherche automatiquement la matrice la plus probable UB.
    2. Ouvrez la matrice UB préliminaire RSV par l'importation du fichier .p4p, et d'affiner la matrice UB avec leespacement d de chaque pic de diffraction en utilisant le bouton "Affiner d-spac / w". Si la symétrie du cristal est connu de sélectionner des contraintes du système à cristaux appropriés.
      NOTE: Lorsque le raffinement converge, la matrice UB optimisé et les paramètres de maille du cristal (a, b, c, α, β et γ) sont déterminées.
    3. Enregistrer la matrice UB optimisée sous forme de fichier .ub.
      NOTE: Dans le processus de recherche pic initial du programme pourrait avoir manqué certains pics de faible intensité qui seront très précieux dans la détermination de la structure.
  6. Pour rechercher ces pics manquants remontent au logiciel, et d'ouvrir l'exposition de l'image du grand angle (le fichier d'étalonnage associé devrait être chargé automatiquement).
  7. Dans le panneau "Predict", ouvrir la matrice UB du cristal et de simuler le motif de diffraction. Dans le panneau "Peaks", rechercher les pics de diffraction observés, et de supprimer les pics inobservés (la zone de texte suivantesur le bouton «observé» permet de préciser le seuil minimal d'intensité de pixel à l'intérieur de la zone de montage de pointe qui est nécessaire pour le pic soit considérée comme «observée»). Monter les positions et les intensités des pics en cliquant sur le bouton "ajustement de pointe", puis enregistrez la table de pointe.
  8. Fusionner toutes les tables de pointe prévus à différentes positions de détection avec le logiciel de RSV en utilisant la fonction "ajouter". Si différents réglages d'exposition (vitesse de rotation en ° / sec) ont été utilisés, utiliser des facteurs d'échelle appropriés lors de l'ouverture de nouveaux fichiers .pks.
  9. Exporter la table de pic fusionné en tant que fichier texte .hkl, qui peut être utilisé pour affiner la structure cristalline avec le logiciel SHELX. Des procédures détaillées pour la conduite affinement de la structure avec SHELX ont été bien décrits ailleurs 19,20.

Representative Results

Nous montrons un exemple représentatif de haute pression monocristal diffraction sur le omphacite minéral de silicate (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 0,14 Fe 2+ Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6. L'échantillon omphacite a été chargé dans un type DAC BX-90 avec Boehler-Almax (BA) de type enclumes de diamant et plaques d'appui (figure 1). La chambre de l'échantillon a été rempli avec une pression de gaz noble milieu de transmission (hélium dans ce cas) pour assurer un environnement de pression hydrostatique. La pression de la chambre d'échantillon était de 0,35 GPa, déterminée par fluorescence rubis. L'échantillon a été aligné avec le centre de rotation du goniomètre de diffraction (figures 3, 4). Nous avons calibré la position et l' inclinaison du détecteur MARCCD à ν = 0, δ = 0 avec un standard de poudre LaB 6 (Figure 5). Pendant l'expérience, η, `7; et u angles ont été fixés à 0. Les pics de diffraction de l'échantillon ont d' abord été analysées à l' aide de la fonction "Recherche" du logiciel ATREX (figure 6). Ensuite, les paramètres de maille et la matrice UB du monocristal omphacite ont été affinées en utilisant le logiciel de RSV (figure 7). Avec la matrice UB raffinée du cristal, plusieurs pics de diffraction ont été trouvés en utilisant la fonction "Predict" du logiciel (figure 8). Les paramètres de maille raffinée de ce monocristal omphacite à cette pression sont: 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). Le cristal omphacite se révèle avoir une maille monoclinique dans le groupe spatial P2 / n. Les paramètres de maille raffinée sont compatibles avec les paramètres de réseau affichés omphacite aveccomposition chimique similaire et à une pression similaire: 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.

Figure 1
Figure 1: Composants de BX-90 DAC qui est utilisé pour la haute pression monocristal diffraction. (A) Boehler-Almax (BA) de type diamant; (B) Re joint; Plaque de support (c) de type BA; (D) type BA diamant collé sur le type de BA plaque de support; (E) cylindre partie de la BX-90 DAC; (F) une partie de piston du BX-90 DAC; (G) de la main gauche (bruni) et (finition en acier inoxydable) à droite vis de compression: (h) de vis à droite comprimant les rondelles à ressort de disque; ( S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2: image Microscope de la chambre de l' échantillon DAC avant et après la pression du gaz noble transmission de chargement moyen. Après la pression du gaz transmettant le chargement moyen, le trou de la chambre de l'échantillon a diminué de ~ 30% de diamètre. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3: Montage expérimental pour haute préssure seule diffraction de cristal au PX ^ 2. Les six degrés angulaires de la liberté (μ, η, χ, φ, δ et υ) et les trois directions de translation (x, y et z) sont étiquetés. La notation pour les angles suit la convention angulaire de vous 13. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4: Alignement de la chambre d'échantillon par rapport au centre de rotation. Gauche: scans de la chambre de l'échantillon à la direction X-ray normale (bleu) et φ-rotation par + Δφ (vert) et -Δφ (rouge). A droite: les profils de transmission de rayons X des scans de la chambre de l'échantillon à des angles différents & phiv. Les décalages des profils de transmission de rayons X sont utilisés pour calculer la correction de position le long de la indirects occasionnés t direction X-ray. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5: Calibrage du détecteur MARCCD en utilisant le logiciel d'analyse de données. LaB 6 diagramme de diffraction de poudre est utilisé pour effectuer le calibrage. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6: recherche de pic de diffraction à l' aide du logiciel d'analyse de données. Au total, 63 pics de diffraction ont été trouvés dans cette image d'exposition de large. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7: L' indexation des pics de diffraction et en calculant la matrice UB de l'échantillon en utilisant le logiciel de RSV. L'indexation est réalisée automatiquement par le logiciel. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8: Prédiction des pics de diffraction avec le logiciel d'analyse des données. 112 pics de diffraction ont été trouvés avec la même image de diffraction sur la figure 6, en utilisant la fonction de prédiction de la crête.com / fichiers / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

le paramètre de maille Valeur
une 9,496 ± 0,006 Å
b 8,761 ± 0,004 Å
c 5.248 ± 0,001 Å
une 90º
b 105,06 ± 0.03º
g 90º

Tableau 1: paramètres réseau de 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 à 0,35 GPa. Le cristal omphacite se révèle avoir une maille monoclinique dans le groupe spatial P2 / n.

Discussion

Dans ce rapport, nous montrons la procédure détaillée pour la réalisation de simples expériences de diffraction de cristal avec DACs à la ligne de lumière GSECARS 13-BM-C. Type BX-90 DACs avec enclumes de diamant de type BA et les plaques de support sont recommandés pour monocristallines expériences de diffraction 2,9,15. L'avantage de la BX-90 de type DAC est son accès angulaire plus large par rapport aux DACs symétriques traditionnels, qui prévoit l' échantillonnage efficace de nombreux pics de diffraction 9,15. L'accès large angulaire devient critique pour les échantillons avec une symétrie inférieure et avec des cellules unitaires plus petites: les premiers nécessitent plusieurs pics de diffraction pour contraindre les paramètres de maille avec précision et celui - ci donne moins de pics de diffraction à l' intérieur de l'accès angulaire donnée 2. L'un accès plus anguleux atteint dans l'expérience, les paramètres positionnels atomiques plus précises on mesure 2,4. l'accès angulaire restreint peut entraîner un à deux dimensions réciproques ensemble de données vectorielles, maktion fiable interprétation mathématiquement impossible 2 de données.

Un important pas encore souvent négligé est de sélectionner milieu approprié de transmission de pression. Bien que les médias de pression tels que l' argon, l' huile de silicone ou d'une solution méthanol-éthanol-eau ont été utilisés dans les précédentes expériences de cristal de diffraction unique qui ne dépassait pas 10 GPa 21-23, ces médias de pression deviennent significativement nonhydrostatique entre 5-10 GPa 22, et de réduire considérablement la qualité du cristal lors de la compression 2,22. Notre expérience générale a été que Lui seul et Ne résultat dans des expériences de haute qualité jusqu'à 50 GPa (par exemple, les références 6,7). À l'APS, ces gaz peuvent être facilement chargés dans DACs avec l'utilisation de GSECARS / COMPRES appareil gaz chargement 14. Quand il ou N'est choisi comme fluide sous pression, la chambre d'échantillon se rétracte pendant le chargement de gaz (figure 2). Une fois que l'échantillon touche directement le joint d'étanchéité,il se casse facilement lors de la compression. Il est donc important de percer une grande chambre d'échantillon suffisant, dont le diamètre est au moins 2/3 du diamètre colette, pour éviter le contact entre l'échantillon et le joint d'étanchéité après le chargement de gaz.

La monochromatique configuration de diffraction monocristallin à base de synchrotron au PX ^ 2 est unique. Par rapport aux diffractomètres de laboratoire, la source de rayons X synchrotron fournit un flux beaucoup plus élevé (> 10 4) 4,27,28, ce qui améliore considérablement le rapport signal à bruit et diminue le temps de collecte de données 4,27,28. Synchrotron poudre à base de diffraction est aussi couramment utilisé pour déterminer la structure des matériaux à haute pression à travers l'approche Rietveld 4. Un seul cristal de diffraction a des avantages sur l'approche Rietveld, car il découple le montage des paramètres de maille et paramètres structurels 2,4. Diffraction en poudre avec Rietveld montage nécessite habituellement approprié à la fois lat paramètres de Tice et paramètres structurels en même temps, alors que le nombre d'observations indépendantes est généralement beaucoup plus faible que dans simple diffraction de cristal 4. Une autre méthode de détermination de la structure commune de diffraction Laue, qui utilise un rayonnement polychromatique avec un détecteur de zone 4. Par rapport à la collecte de données monochromatique à PX ^ 2, la réduction de la Laue méthode des données nécessite des conditions supplémentaires , y compris déconvolution harmonique et la normalisation de l' intensité, ce qui ajoute des difficultés supplémentaires dans l'analyse de données 4,24. Monochromatique seule diffraction de cristal est un moyen simple de résoudre les structures, mais il a ses propres limites. Un ensemble de données monochromes idéal de diffraction unique cristal nécessite un cristal de moins de défauts avec une taille de plusieurs dizaines de um, et de la qualité du cristal doit conserver à des pressions élevées. Ces exigences peuvent être difficiles à respecter pour certains minéraux non-extinguible, comme bridgmanite 25.

content "> Temps résolu seule diffraction de cristal est capable de capturer le transitoire états métastables et la cinétique de transformation au cours induites par la pression des transitions structurelles, et est l' une des orientations futures de la recherche pour PX ^ 2 26. Caractérisation quantitative des défauts et dynamique du réseau, basé sur l' analyse de diffusion des rayons X diffuse à haute pression est également en cours de développement au PX ^ 2 26. Une plate - forme optique compact pour laser chauffé à haute pression monocristal diffraction est en cours de construction, et permettra à la communauté sciences de la terre pour étudier le comportement des matériaux dans des conditions profondément terre 26.

Disclosures

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.

Acknowledgments

Ce travail a été effectué à GeoSoilEnviroCARS (secteur 13), programme de partenariat Extreme Cristallographie (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS) et l'Argonne National Laboratory pour. GeoSoilEnviroCARS est pris en charge par les Sciences National Science Foundation-Terre (EAR-1128799) et ministère de l'Énergie-géosciences (DE-FG02-94ER14466). Le PX ^ 2 programme est soutenu par COMPRES sous Accord de coopération NSF EAR 11-57758. L'utilisation de l'Advanced Photon Source a été soutenue par le Département américain de l'énergie, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, sous contrat No. DE-C02-6CH11357. Utilisation du système de chargement de gaz COMPRES-GSECARS a été soutenu par COMPRES sous Accord de coopération NSF EAR 11-57758 et par GSECARS par NSF subvention EAR-1128799 et le DOE accorde DE-FG02-94ER14466. Nous tenons également à remercier Downs Prof. RT à l'Université de l'Arizona pour fournir gracieusement les échantillons provenant de collections RRUFF.

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

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References

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High Pressure Monocristal Diffraction PX ^ 2
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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).

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