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Chemistry

High Pressure Einkristalldiffraktometrie bei PX ^ 2

doi: 10.3791/54660 Published: January 16, 2017

Summary

13-BM-C-Strahlrohr an der Einkristall-Röntgenbeugungsexperimente mit einer Diamantstempelzelle aus GSECARS an der Advanced Photon Source In diesem Bericht beschreiben wir detaillierte Verfahren für die Durchführung. ATREX und RSV-Programme werden verwendet, um die Daten zu analysieren.

Abstract

In diesem Bericht beschreiben wir detaillierte Verfahren für Einkristall-Röntgenbeugungsexperimente mit einer Diamantstempelzelle (DAC) am GSECARS 13-BM-C-Strahlrohr an der Advanced Photon Source Durchführung. Der DAC-Programm bei 13-BM-C ist Teil der Partnerschaft für den Extreme Xtallography (PX ^ 2) Projekt. BX-90 Typ DACs mit konisch-Diamant Ambosse und Trägerplatten sind für diese Experimente empfohlen. Die Probenkammer sollte mit Edelgas geladen werden, um eine hydrostatische Druckumgebung aufrecht zu erhalten. Die Probe wird auf das Rotationszentrum des Beugungs Goniometer ausgerichtet sind. Der MarCCD Flächendetektor ist mit einem Pulverbeugungsmuster kalibriert von LaB 6. Die Probenbeugungspeaks sind mit dem ATREX Software-Programm analysiert und werden dann mit dem RSV-Software-Programm indiziert. RSV wird verwendet, um die UB-Matrix des Einkristall zu verfeinern, und mit dieser Information und der Peak-Vorhersage-Funktion, kann mehr Beugungspeaks befinden. VertreterEinkristall - Beugungsdaten von einem Omphacit (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 Probe gesammelt wurden. Analyse der Daten bei 0,35 GPa einer monoklinen Gitter mit P2 / n Raumgruppe gab, und die Gitterparameter wurden festgestellt: 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

Einkristall-Röntgenbeugung ist eine der effizientesten und gut etablierte Möglichkeiten, um die chemische Zusammensetzung und Struktur eines kristallinen Materials bei unterschiedlichen Versuchsbedingungen zu bestimmen. Vor kurzem gab es in der Hochdruck Einkristalldiffraktometrie eine Reihe 1-5 von Entwicklungen. Der Druck ist einer der wichtigsten Faktoren, die das Verhalten und die Eigenschaften der Erde und Planeten-Materialien beeinflussen. Hochdruck-Experimente zeigen regelmäßig neue Polymorphe von gängigen Materialien und Möglichkeiten entdecken, um Chemikalien synthetisieren, die unmöglich sind bei Umgebungsbedingungen zu machen. In jüngster Zeit wurden mehrere neue Silikat Polymorphe wurden mit Hochdruck - Einkristall Beugung identifiziert, die in den Eigenschaften der Erdmantel neue Erkenntnisse liefern 6-8.

Verschieden von Einkristall-Beugungs bei Atmosphärendruck, Hochdruck-Einkristall Beugungs einen Druckbehälter erfordert, zu erzeugen, undDruck halten während der Datenerfassung. Die häufigste Druckbehälter in Hochdruck-Einkristall Beugungs verwendet ist der Diamantstempelzelle (DAC), der aus einem Paar von Diamant Ambosse miteinander durch einen Metallrahmen / Metalldichtung gehalten zusammengesetzt ist, und ein Druckübertragungsmedium, das einen hydrostatischen bereitzustellen Umgebung in der Probenkammer 4,9-11. Einkristalldiffraktometrie einer Diamantstempelzelle unterscheidet sich von Beugung bei Umgebungsbedingungen in mehreren wichtigen Punkten. Zuerst wird die Abdeckung der reziproken Raum erheblich aufgrund der begrenzten Röntgenwinkel Zugang durch den Körper des DAC und den Stützplatten reduziert. Zweitens ist die winkelabhängige Absorption von Röntgenstrahlen durch die Rauten und Trägerplatten müssen die Beugungssignal zu korrigieren, so dass eine genaue Strukturfaktoren berechnet, ermittelt und verwendet werden. Drittens, jede Überlappung der Beugungssignal der Probe mit Streuung oder Beugung von den DAC-Komponenten, wie beispielsweise Diamanten, Dichtung und Druck transmitting Medium, müssen beseitigt werden. Viertens, im DAC zum Zentrum des Goniometers der Probe Ausrichten ist schwierig. Die Richtung senkrecht zur Lastachse des DAC wird immer durch die Dichtung blockiert und ist nicht zugänglich, entweder mit dem optischen Mikroskop oder dem Röntgenstrahl. In axialer Richtung kann das optische Mikroskop sichtbar nur ein verschobenes Bild der Probe aufgrund des hohen Brechungsindex des Diamanten. Diese Unterschiede erfordern die Erfindung von neuen Hochdruck-Einkristall-Beugungsmessverfahren.

Die Partnerschaft für den Extreme Xtallography (PX ^ 2) Projekt ist ein neues Hochdruck Einkristalldiffraktometrie mit DACs gewidmet Forschungsinitiative. Das Projekt auf den GeoSoilEnviroCARS gehostet wird Versuchsstation 13-BM-C an der APS, die den größten Teil der Infrastruktur , einschließlich Detektoren bietet, fokussiert Röntgenstrahlen und einem 6-Kreis schwere Diffraktometer 12,13 für eine Vielzahl von fortgeschrittenen Kristallographie Experime optimiertnts. Das Diffraktometer hat sechs Drehfreiheitsgraden, vier Abtast- Orientieren (μ, η, χ und φ) und zwei Detektor-Ausrichtvorrichtung (δ und υ). Die Winkel Konventionen von 13 Sie werden verwendet , um die Bewegung der Probe und dem Detektor zu beschreiben, obwohl der η, χ und φ Bewegungen pseudo-Winkel sind von der Geometrie kappa realen Motoren des Instruments abgeleitet. Die experimentellen Verfahren wurden für die Hochdruck-Einkristall Beugungs mit DACs und eine Reihe von Datenverarbeitung und -analyse-Software-Pakete optimiert wurde entwickelt. In diesem Manuskript präsentieren wir ein detailliertes Protokoll für eine typische Hochdruck - Einzelbeugungsexperiment Kristall der BX-90 Typ DAC 9 als Führung bei PX ^ 2 zu sammeln und zu analysieren , Daten.

Protocol

1. Probenvorbereitung

HINWEIS: Die Probenvorbereitung Verfahren beinhaltet drei wesentliche Schritte: die leere DAC Vorbereitung, das Laden der Probe und dem Laden des Inertgas Druckübertragungsmedium. DAC Vorbereitung und Probenbeladung wurden im Detail in Lavina et al. 10 und Druckmittelbeaufschlagung Übertragung wurde in Rivers et al. 14 Hier kurz beschreiben wir die typische Probenvorbereitung.

  1. Wählen Sie ein Paar von konischen Diamanten mit Trägerplatten passen.
    1. Stellen Sie sicher, dass die flachen Spitzen der Diamantambosse (culets) miteinander identisch sind.
      HINWEIS: Der Durchmesser des culet hängt von dem Zielmaximaldruck des Experiments.
    2. Sicherzustellen, dass das konische Gehäuse der Trägerplatte die Form des konischen Diamanten entspricht. Sicherzustellen, dass die Höhe des Diamant, der Durchmesser der Rückseite des Diamanten, die opening Winkel der Trägerplatte und der Öffnungswinkel des DAC sind miteinander kompatibel, um die Winkel Zugang für Beugungs 9,15 zu maximieren.
  2. Reinigen Sie die Diamanten und Trägerplatten in einem Aceton Ultraschallbad 3-5 min. Stellen Sie den Ultraschallreiniger "Sonic" -Modus. Untersuchen Sie die Diamanten und Trägerplatten unter einem optischen Mikroskop, und entfernen Sie alle sichtbaren Staub oder Schmutz.
  3. Platzieren des Diamanten in dem konischen Gehäuse der Trägerplatte und die Anordnung in einer Montagelehre.
  4. Gelten einige kg Last auf den Diamanten mit Verdichten Schrauben, so dass es in innigen Kontakt mit der Trägerplatte ist. Dann gelten etwa 0,1 g Epoxid um den Außenumfang des Diamanten. Erwärmen, um die Montage auf 70 ° C für 8 h, um die Epoxy auszuhärten.
  5. Reinigen des Inneren des DAC, der Rückseite der Trägerplatten und den culets der Diamanten mit Aceton und legen Sie die Trägerplatten mit Diamanten in den DAC.
  6. adjust die Positionen der Diamanten mit Stellschrauben, die die Trägerplatte in Position zu halten, so dass der Amboss culets konzentrisch sind, wenn die beiden gegenüberliegenden Diamanten in Berührung kommen.
  7. Überprüfen Sie den Neigungswinkel zwischen den beiden culets suchen Interferenzstreifen unter einem optischen Mikroskop. Stellen Sie den Neigungswinkel der Diamanten durch die Feinabstimmung der Last der Stellschrauben, so dass die Anzahl der Streifen 10 minimiert.
  8. Legen Sie ein Stück von 250 & mgr; m dicken Rhenium (Re) Metallfolie zwischen den beiden Diamanten, und befestigen Sie ihn mit Wachs.
    HINWEIS: Diese Re-Folie dient als Dichtung des DAC.
  9. Anwenden Last gleichmäßig und langsam durch die vier Schrauben Komprimieren des DAC Anziehen und Überwachung der Dickenänderung der Re Dichtung mit einem Mikrometer durch die Gesamtdicke des DAC Baugruppe zu messen.
  10. Wenn die Dicke der Dichtung Re ~ 40 & mgr; m, entfernen Sie die Last der Komprimierung Schrauben langsam, und die vorge gegliederte Dichtung herausnehmen.
  11. Verwenden Sie einen laser Fräsmaschine ein Loch in der Mitte der Pre-Einzug zu bohren, deren Durchmesser mindestens 2/3 des culet Durchmesser. Richten Sie die Dichtung mit einem optischen Mikroskop, und stellen Sie den vorgesehenen Durchmesser der Dichtung Loch in der Laser-Fräsmaschine Benutzeroberfläche. Drücken Sie die "Scan", um das Loch zu bohren.
  12. Genießen Sie die gebohrten Dichtung in Aceton und reinigen Sie sie mit einem Ultraschallreiniger im normalen Modus. Reinigen Sie die culets der Diamanten mit Aceton. Legen Sie die gebohrten Dichtung wieder in den DAC.
    HINWEIS: Das Loch in der Dichtung dient als die Probenkammer.
  13. Legen Sie eine einzelne Kristallprobe in der Mitte der Dichtung Loch, das auch das Zentrum des Diamanten culet sein sollte.
    HINWEIS: Die optimale Stichprobengröße beträgt 20 & mgr; m × 20 & mgr; m × 5 & mgr; m (Länge x Breite x Dicke).
  14. Legen Sie eine kleine Rubinkugel (~ 10 & mgr; m im Durchmesser) in der Nähe der Probe.
    HINWEIS: Die Rubinkugel dient als Druckmarkierung.
  15. Platzieren Sie den DAC mit der Probe im Inneren ter Compres / GSECARS Gasbelastung Schiff und Lastdruck Helium (He) oder Neon (Ne) Gas zu einem maximalen Druck von etwa 25.000 psi das Gefäß 14 zu füllen.
  16. Erhöhung des Drucks im Inneren der Kammer DAC Probe durch die Kompressionsschrauben des DAC Anziehen und überwachen den Druck mit Rubin Fluoreszenz 16.

2. Datenerfassung

  1. Ort ~ 1 mg LaB 6 Pulver bei der Drehmitte des Diffraktometers und Pulverbeugungsmuster an mehreren Detektorpositionen MarCCD sammeln durch den Winkel δ zu variieren. Sammeln Sie die Pulverbeugungsmuster, die durch die Schaltfläche "Start" der MarCCD EPICS Schnittstelle klicken. Verwenden Sie dieses Beugungsmuster der Detektor-Probe - Abstand und die Neigung des MarCCD Detektor 2 zu kalibrieren.
  2. Nach dem Detektorkalibrierung Abschluss der LaB 6 - Norm aus dem Diffraktometer entfernen. Platzieren Sie den DAC in den Probenhalter, und legte sie auf the-Diffraktometer der Probentisch.
    1. Verwenden Sie einen Klemm-Halter auf Umgebungstemperatur DACs halten, eine wassergekühlte Klemmhalterungen für Hochtemperatur-DACs und Polymer micromesh montiert auf einem ACA / IUCr Standard Goniometerkopf eine Probe bei Umgebungsdruck und Temperatur zu halten.
      HINWEIS: In den folgenden Schritten (2,3-2,8), werden alle Bewegungssteuerungen mit dem EPICS Benutzeroberfläche erreicht werden (EUI).
  3. Drehen Sie die φ-Achse, so dass die Probenkammer durch Einstellen des φ Winkel zu 120 in der EUI zur Aussichts Zoom-Kamera ist senkrecht.
  4. Finden Sie die Probenkammer mit der Beobachtungskamera bei der minimalen Vergrößerung zuerst. Zentrieren Sie das Bild der Probe durch die Probe X, Y und Z in der EUI ändern. Stellen Sie das Bild der Probe durch das Mikroskop Z in der EUI ändern, und dann Zoom-In bis zur maximalen Vergrößerung.
  5. Richten das Bild der Probenkammer zu der Mitte der Beobachtungskamera durch Ändern der Probe X, Y und Z in der EUI. Stellen Sie die Probenposition entlang der Achse der Kamera, bis es im Fokus (unter Verwendung eines vorbestimmten Kamerafokus die Lage des Rotationszentrums in diese Richtung zu schätzen) ist. Dann drehen die φ Winkel 90 in der EUI so dass die Probenkammer zu dem einfallenden Röntgenstrahl senkrecht steht.
  6. Zur Korrektur für die Proben Verschiebung von der Mitte des Instruments entlang der DAC-Achse, scannen Sie den DAC Position sowohl in horizontaler und vertikaler Richtung senkrecht zum einfallenden Röntgen die scanw Software, mit motorisierten Übersetzungen in die Goniometer gebaut, während übertragenen Strahl zu sammeln Intensitätsdaten mit einem Photodiodendetektor hinter der Probe angeordnet.
    HINWEIS: Der Photodiodendetektor auf einem pneumatischen Antrieb montiert ist, und kann in und aus dem Strahl entfernt von der Steuerstation bewegt werden.
  7. Finden Sie die Mittelposition in der gesammelten Intensität Scan "Zentrum" Funktion von scanw verwenden, um maximale Übertragungs entspricht. Dies ist die center der Probenkammer.
  8. Drehen Sie die Probe des Goniometers mit φ-Achse um einige Grad der EUI verwendet, und wiederholen Sie die vertikale Übertragung Scan. Wiederholen Sie den Scan zweimal, sowohl positive als auch negative φ Offsets.
  9. Berechne die Probenposition entlang der einfallenden Röntgen der Richtung mit der folgenden Gleichung 17
    Gleichung 1
    Wo & Dgr; Y die Entfernung entlang der einfallenden Röntgen der Richtung ist , dass die Probe aus der Mitte des Instruments verschoben wird, Δφ die Änderung des φ Winkel zwischen den Abtastungen ist, & Delta; S x + und & Delta; S x- die Positionsverschiebungen der Röntgen des Getriebes sind Profil, wenn der φ Winkel von + Δφ und -Δφ geneigt ist.
    HINWEIS: Mehrere Iterationen von Scans kann die Genauigkeit der Probenpositionierung zu verbessern werden.
  10. Nach der Probe auszurichten, zur Erhebung der Einkristall - Beugungsdatenmit der CCD_DC Software 1.
    1. Zunächst sammeln, um eine φ-Scan mit einer Photodiode durch Klicken auf die Schaltfläche "Scannen" auf der scanw Software den maximalen Öffnungswinkel zu bestimmen und die funktionelle Form der Absorptionseffekt der Diamant-Ambosse und Trägerplatten zu bestimmen.
    2. Nach der φ-scan, führen eine breite φ Belichtungsgeführt (während der der Detektor offen gelassen wird, während φ gedreht wird), um den maximalen Öffnungswinkel abzudecken, dass der DAC ermöglicht, durch eine Reihe von Schritt φ Belichtungen gefolgt, jedes Abdeckelement 1º. Führen Sie diesen Schritt aus, indem Sie den "Gesamtbereich" auf den maximalen Öffnungswinkel und das Setzen der "Anzahl der Schritte", um die gleiche Anzahl in der CCD_DC Software. Sammeln Scans breit φ an verschiedenen Detektorpositionen durch den Detektor Armposition in den δ ν und Richtungen in der CCD_DC Software angibt, um den Zugriff auf mehr Beugungspeaks zu ermöglichen.
      HINWEIS: Für Kristalle mit einer EinheitZelle größer als 10 Å, Sammlung von 10 ° Weit Schritt scannt den gleichen Winkelbereich abdeckt, ist ebenfalls zu empfehlen. Belichtungszeiten werden durch die Absorption aus dem Diamanten bestimmt, und die Intensität der Beugungs kennzeichnet von der Probe. Normalerweise wählen Sie die Belichtungszeit, die die Intensitäten der Beugungsspitzen ohne Sättigung maximiert. Eine typische Belichtungszeit beträgt 1-5 s / °. Typische Datensammlung von einem Kristall an einer Detektorposition und einem Druck dauert etwa 30 min.

3. Datenanalyse

HINWEIS: Die Datenanalyse ist 2,18 die ATREX / RSV - Software - Suite durchgeführt. Eine detaillierte Erklärung der in der Software verwendeten Prinzipien finden Sie in der Arbeit von Dera, et al. 2

  1. Verarbeiten Sie die LaB 6 Kalibrierungsdatei.
    1. Öffnen Sie das LaB 6 Pulverbeugungsbild an jedem Detektorposition in den Gesammeltenoftware. Geben Sie die Wellenlänge der einfallenden Röntgenstrahlen (0,434 Å), und drücken Sie die "verfeinern Cal" -Taste.
      HINWEIS: Die Software wird die Probe-Detektor-Abstand und die Neigung des Detektors in Bezug auf den einfallenden Röntgenstrahl automatisch berechnen. Detektorkalibrierung ist nur an Detektorpositionen durchgeführt ν = 0, δ = 0. Die Kalibrierungsbilder bei Nicht-Null-ν und δ gesammelt werden zur Überprüfung der Kalibrierung Qualität verwendet.
    2. Speichern Sie die Kalibrierungsdateien für jeden Detektorposition durch manuelles die ν und δ Einstellungen bearbeiten, wie nötig.
      HINWEIS: ATREX speichert Detektorkalibrierung .cal Dateien mit jedem Bild Serie verbunden. Wenn Sie ein Bild zu öffnen, überprüft das Programm, wenn die zugehörige .cal Datei vorhanden ist. Wenn es nicht ist, gibt es die Möglichkeit, eine solche Datei auszuwählen.
  2. Nachdem die Kalibrierungen für alle Detektorpositionen zu speichern, erstellen Sie diese Zuordnungen durch die "Assign cal" Checkbox in der ATREX Software überprüft, So dass das Programm die Kalibrierungen zu verwenden erinnern.
  3. Suchen Sie nach den Beugungspeaks der Probe, und passen Sie die Spitzenintensitäten.
    1. Öffnen Sie die Weitwinkel φ Belichtung in der Software. Gehen Sie auf die "Suche" -Feld, und für den Beugungspeaks in der Weitwinkelbelichtungs suchen. die Übersättigung Beugungspeaks von dem Diamanten und die Beugungspeaks nahe der Re ckungsringe manuell löschen.
    2. Montieren Sie die Beugungsspitzen, um ihre genauen Positionen und Intensitäten zu bekommen. Suchen Sie nach den Beugungspeaks der Probe für alle Detektorpositionen durch die "Peak-Suche" -Button in der Software klicken, und speichern Sie die entsprechenden Peak-Tabellen, indem Sie auf den "Speichern Spitzen" -Taste.
  4. Rekonstruieren der Verteilung "Diffraktionspeaks im reziproken Raum.
    1. In dem Programm, öffnen Sie die Peak-Tabelle für eine Detektorposition, und ein Bild in der Scan-Schritt φ, die amit dem gleichen Detektorposition ssociated. Wenn die Detektorkalibrierung Datei noch nicht auf diese Datei Reihe zugewiesen wurde, wählen Sie die entsprechende Datei .cal. Gehen Sie auf die "Scan" Panel, und drücken Sie die "berechnen Prof. von Scan" -Taste.
      HINWEIS: Dieser Schritt wird den φ Winkel für jede Beugungsspitze finden, bei der die Spitzenintensität am stärksten ist.
    2. Speichern Sie die Peaktabelle .pks Datei. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle größeren Dreh Bilder bei verschiedenen Detektorpositionen.
  5. Index die Beugungspeaks.
    1. Mit dem RSV-Software, öffnen Sie die erste Spitzentabellendatei. Verwenden Sie das "Anhängen" Funktion, um alle zusätzlichen Peak-Tabellen zu verschmelzen. Verwenden Sie das RSV-Plugin die vorläufige UB Matrix dieses Kristalls und zu indizieren den Beugungspeaks zu finden. Die Software wird für die wahrscheinlichste UB Matrix automatisch suchen.
    2. Öffnen Sie die vorläufige UB Matrix in RSV durch die .p4p-Datei importieren, und zu verfeinern, die UB-Matrix mit derd-Abstand von jedem Beugungsspitze mit dem "Filtern w / d-SPAC" -Taste. Wenn die Symmetrie des Kristalls bekannt ist, wählen Sie die entsprechende Kristallsystem Einschränkungen.
      HINWEIS: Wenn die Verfeinerung konvergiert, die optimierte UB Matrix und die Gitterparameter des Kristalls (a, b, c, α, β und γ) bestimmt.
    3. Speichern Sie die optimierte UB-Matrix als .ub Datei.
      HINWEIS: In der Anfangsspitzensuchprozess haben das Programm möglicherweise einige niedrige Intensitätsspitzen verpasst, die in der Strukturbestimmung sehr wertvoll sein wird.
  6. Für die Suche nach diesen fehlenden Spitzen auf die Software zurück, und öffnen Sie das Belichtungsbild φ Weitwinkel (die zugehörige Kalibrierungsdatei automatisch werden geladen).
  7. In der "Predict" Panel, öffnen Sie die UB Matrix des Kristalls und simulieren das Beugungsmuster. In der "Peaks" Panel, die Suche nach den beobachteten Beugungspeaks, und entfernen Sie die unbeobachtete Peaks (das Textfeld nebenauf die "Beobachtet", um die minimale Pixelintensitätsschwelle innerhalb des Spitzeneinbaudose angeben können, die "beobachtet") werden als für den Spitzen erforderlich ist. Montieren Sie die Positionen und Intensitäten der Peaks durch die "Peakfit" klicken, dann speichern Sie die Peak-Tabelle.
  8. Merge alle vorausgesagten Spitzen Tabellen an verschiedenen Detektorpositionen mit dem RSV-Software, um die "anhängen" -Funktion. Wenn unterschiedlichen Belichtungseinstellungen (Drehgeschwindigkeit in ° / s) verwendet wurden, entsprechende Faktoren Skalierung, wenn neue .pks Dateien zu öffnen.
  9. Exportieren Sie die fusionierte Peak-Tabelle als .hkl Textdatei, die verwendet werden können, um die Kristallstruktur mit dem SHELX Softwarepaket zu verfeinern. Detaillierte Verfahren für die Durchführung von Strukturverfeinerung mit SHELX wurden auch an anderer Stelle 19,20 beschrieben.

Representative Results

Wir zeigen ein repräsentatives Beispiel für Hochdruck - Einkristall auf dem Beugungs Silicatmineral Omphacit (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6. Die Omphacit Probe wurde in einem BX-90 Typ DAC mit Boehler-Almax (BA) Diamant Ambosse und Trägerplatten (Abbildung 1) geladen. Die Probenkammer wurde mit einem Edelgasdruckübertragungsmedium (Helium in diesem Fall) gefüllt, um einen hydrostatischen Druckumgebung zu gewährleisten. Der Druck der Probenkammer betrug 0,35 GPa, von Ruby Fluoreszenz bestimmt. Die Probe wurde mit dem Rotationszentrum des Beugungs Goniometer ausgerichtet (Figuren 3, 4). Wir kalibriert , um die Position und Neigung des MarCCD Detektor bei ν = 0, δ = 0 mit einem LaB 6 Pulver - Standard (Abbildung 5). Während des Experiments η, `7; und μ Winkel wurden bei 0 fixiert Die Beugungspeaks der Probe wurden zuerst die Funktion "Suchen" der ATREX Software analysiert (Abbildung 6). Dann wurden die Gitterparameter und die UB - Matrix des Omphacit Einkristall verfeinerten die RSV - Software (Abbildung 7). Mit der raffinierten UB Matrix des Kristalls, wurden mehr Beugungspeaks mit der "Predict" Funktion der Software (Abbildung 8) gefunden. Die verfeinerten Gitterparameter dieser Omphacit Einkristall bei diesem Druck sind: 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). Die Omphacit Kristall wurde ein monokliner Gitter zu haben , in der P 2 / n Raumgruppe gefunden. Unsere raffiniertem Gitterparameter stimmen mit den veröffentlichten Gitterparameter von a Omphacit mitähnliche chemische Zusammensetzung und bei einem ähnlichen Druck: 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.

Abbildung 1
Abbildung 1: Die Komponenten der BX-90 - DAC , die für Hochdruck Einkristalldiffraktometrie verwendet wird. (A) Boehler-Almax (BA) Typ Diamant; (B) Re Dichtung; (C) Typ BA Trägerplatte; (D) BA Typ Diamant auf BA - Typ Trägerplatte geklebt; (E) Zylinderteil des BX-90 DAC; (F) Kolbenteil des BX-90 DAC; (G) Linkshänder (brüniert) und Rechtshänder (Edelstahl-Ausführung) Komprimieren Schrauben: (h) rechtshändigen Komprimieren Schraube mit Tellerfederscheiben; ( Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2: Mikroskopische Aufnahme des DAC Probenkammer vor und nach dem Edelgas Druckmittelbeaufschlagung übertragen. Nach dem Gasdruckmedium Laden zu übertragen, schrumpfte die Probenkammer Loch von ca. 30% im Durchmesser. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3: Versuchsaufbau für die Hoch pressure Einkristalldiffraktometrie bei PX ^ 2. Die sechs Winkelfreiheitsgrade (μ, η, χ, φ, δ und υ) und den drei Translationsrichtungen (x, y und z) sind gekennzeichnet. Die Notation für Winkel folgt die Winkel Konvention der Sie bis zu 13. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4: Richten Sie die Probenkammer mit dem Rotationszentrum. Links: Probenkammer Scans an der Röntgennormalrichtung (blau) und φ-Drehung von + Δφ (grün) und -Δφ (rot). Rechts: Röntgentransmissionsprofile der Probenkammer Abtastungen bei verschiedenen Winkeln φ. Die Offsets der Röntgentransmissionsprofile werden verwendet, um die Positionskorrektur entlang der inciden zu berechnen t X-ray-Richtung. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5
Abbildung 5: Kalibrieren des MarCCD Detektor die Datenanalyse - Software. LaB 6 Pulverbeugungsmuster wird verwendet , um die Kalibrierung durchzuführen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6: Diffraction Spitzensuche die Datenanalyse - Software. Insgesamt 63 Beugungspeaks wurden in diesem breiten Belichtungsbild gefunden. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

7
Abbildung 7: Indizierung der Beugungspeaks und die UB Matrix der Probe Berechnung der RSV - Software. Die Indizierung wird automatisch von der Software durchgeführt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 8
Figur 8: Die Vorhersage der Beugungspeaks mit der Datenanalysesoftware. 112 Beugungspeaks wurden mit der gleichen Beugungsbild wie in Figur 6 mit der peak-Vorhersagefunktion gefunden.com / files / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

gitter~~POS=TRUNC Wert
ein 9,496 ± 0,006 Å
b 8,761 ± 0,004 Å
c 5,248 ± 0,001 Å
ein 90º
b 105,06 ± 0.03º
G 90º

Tabelle 1: Gitterparameter von Omphacit (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 bei 0,35 GPa. Die Omphacit Kristall wurde ein monokliner Gitter zu haben , in der P 2 / n Raumgruppe gefunden.

Discussion

In diesem Bericht zeigen wir die Einzelheiten des Verfahrens für Einkristall-Beugungsexperimente mit DACs am GSECARS 13-BM-C-Strahlrohr durchgeführt wird. BX-90 Typ DACs mit BA-Diamant Ambosse und Trägerplatten sind für Einkristall - Beugungsexperimenten 2,9,15 empfohlen. Der Vorteil der BX-90 Typ DAC ist seinem breiteren Winkel Zugang im Vergleich zu den herkömmlichen symmetrischen DACs, die 9,15 für eine effektive Abtastung vieler Beugungspeaks bietet. Die breite Winkel Zugriff kritisch wird für Proben mit niedrigerer Symmetrie und mit kleineren Einheitszellen: die erstere Beugungspeaks erfordern , um die Gitterparameter genau zu beschränken, und diese geben weniger Beugungspeaks innerhalb der gegebenen Winkel Zugang 2. Je mehr Winkel Zugang gelangt man in das Experiment, desto genauer Atompositionsparameter misst man 2,4. Eingeschränkte Winkel Zugang kann in einem zweidimensionalen reziproken Vektordatensatz, mak führening zuverlässige Interpretation der Daten mathematisch unmöglich 2.

Ein wichtiger, aber oft übersehen Schritt ist geeignet Druckübertragungsmedium zu wählen. Obwohl Druckmedien wie Argon, Silikonöl oder Methanol-Ethanol-Wasser - Lösung in früheren Einkristall Beugungsexperimenten verwendet wurden das hat nicht mehr als 10 GPa 21-23, diese Druckmedien deutlich nonhydrostatic werden zwischen 5-10 GPa 22 und stark reduzieren die Qualität des Kristalls während der Kompression 2,22. Unsere allgemeine Erfahrung ist, dass nur er und Ne Ergebnis in hoher Qualität Experimente bis zu 50 GPa (zB verweist 6,7). An den APS können diese Gase bequem mit der Verwendung von GSECARS / Compres Gasladevorrichtung 14 geladen DACs werden. Wenn er oder Ne als Druckmedium gewählt wird, schrumpft die Probenkammer während der Gasbelastung (Abbildung 2). Sobald die Probe direkt auf die Dichtung berührt,es bricht leicht während der Kompression. So ist es wichtig, eine ausreichend große Probenkammer zu bohren, dessen Durchmesser wenigstens 2/3 des culet Durchmesser, um den Kontakt zwischen der Probe zu vermeiden und die Dichtung nach der Gasbeladung.

Die Synchrotron-monochromatische Einkristalldiffraktometrie Setup bei PX ^ 2 ist einzigartig. Im Vergleich zu den Labor Diffraktometer liefert die Synchrotron-Röntgenquelle , die einen viel höheren Fluß (> 10 4) 4,27,28, die deutlich das Verhältnis Signal-zu-Rauschen verbessert und verringert die Datenerfassungszeit 4,27,28. Synchrotron basierte Pulverbeugung ist auch häufig verwendet , 4 , um die Struktur von Materialien bei hohen Drücken durch die Rietveld - Ansatz zu bestimmen. Einkristalldiffraktometrie hat Vorteile gegenüber dem Rietveld - Ansatz, weil es den Einbau von Gitterparameter und Strukturparameter 2,4 abkoppelt. Pulverbeugung mit Rietveld in der Regel passend erfordert passend sowohl lat Tice Parameter und Strukturparameter zur selben Zeit, während die Anzahl der unabhängigen Beobachtungen 4 typischerweise viel niedriger als in Einkristall - Beugungs ist. Ein weiteres gemeinsames Strukturbestimmungsmethode ist Laue - Beugungs, die mit einem Flächendetektor 4 polychromatischer Strahlung verwendet. Im Vergleich zu monochromen Datenerfassung bei PX ^ 2, erfordert die Reduktion von Laue - Verfahren Daten zusätzliche Bedingungen einschließlich harmonischen Entfaltung und Intensität Normalisierung, die 4,24 zusätzliche Schwierigkeiten bei der Datenanalyse erstellt. Einfarbige Einkristalldiffraktometrie ist eine einfache Möglichkeit, Strukturen zu lösen, aber es hat seine eigenen Grenzen. Ein idealer Datensatz von monochromen Einkristalldiffraktometrie erfordert einen Defekt losen Kristall mit einer Größe von zehn um, und die Kristallqualität muss bei hohen Drücken zu erhalten. Diese Anforderungen kann schwierig sein , für einige nicht-quenchable Mineralien gerecht zu werden, wie bridgmanite 25.

Inhalt "> Zeit Einkristalldiffraktometrie ist aufgelöst Lage ist , die transiente metastabilen Zuständen und Transformationskinetik während druckinduzierte strukturelle Übergänge erfassen, und ist einer der zukünftigen Forschungsrichtungen für PX ^ 2 26. Die quantitative Charakterisierung von Defekten und Gitterdynamik, basierend auf einer Analyse von Röntgen diffuse Streuung bei hohen Drücken ist auch in der Entwicklung bei der PX ^ 2 26. Eine kompakte optische Plattform für Laserheizte Hochdruck Einkristalldiffraktometrie gebaut wird, und die Erde-science - Community zu studieren das Verhalten ermöglichen von Materialien , die unter Tief Erde Bedingungen 26.

Disclosures

Die Autoren erklären, keinen Interessenkonflikt.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde in GeoSoilEnviroCARS (Sector 13), Partnerschaft für den Extreme Kristallographie-Programm (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS) und Argonne National Laboratory durchgeführt. GeoSoilEnviroCARS wird durch die National Science Foundation-Geowissenschaften (EAR-1.128.799) und Department of Energy-Geowissenschaften (DE-FG02-94ER14466) unterstützt. Der PX ^ 2-Programm wird von Compres unter NSF Kooperationsvereinbarung EAR 11-57758 unterstützt. Die Nutzung der Advanced Photon Source wurde durch das US Department of Energy, Office of Science, dem Büro des Basic Energy Sciences, unter Vertrag Nr DE-C02-6CH11357 unterstützt. Die Verwendung des Compres-GSECARS Gasladesystem wurde von Compres unter NSF Kooperationsvereinbarung EAR 11-57758 und durch GSECARS durch NSF Zuschuss EAR-1128799 und DOE gewähren DE-FG02-94ER14466 unterstützt. Wir möchten auch für die freundliche Bereitstellung der Proben aus RRUFF Sammlungen Prof. RT Downs an der University of Arizona danken.

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

  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 Einkristalldiffraktometrie bei 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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