Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Alta pressione singolo cristallo di diffrazione a PX ^ 2

doi: 10.3791/54660 Published: January 16, 2017

Summary

In questo rapporto, descriviamo le procedure dettagliate per effettuare esperimenti di diffrazione a raggi X singolo cristallo con una cella ad incudine di diamante al GSECARS 13-BM-C linea di luce alla Advanced Photon Source. programmi Atrex e RSV sono utilizzati per analizzare i dati.

Abstract

In questa relazione si descrivono le procedure dettagliate per effettuare esperimenti di diffrazione a raggi X singolo cristallo con una cella ad incudine di diamante (DAC) a GSECARS 13-BM-C linea di luce alla Advanced Photon Source. Il programma di DAC a 13-BM-C fa parte del partenariato per Extreme Xtallography (PX ^ 2) progetto. BX-90 di tipo DAC con conica tipo incudini di diamante e le piastre della protezione sono consigliati per questi esperimenti. La camera del campione deve essere caricato con gas nobile per mantenere un ambiente a pressione idrostatica. Il campione è allineato al centro di rotazione del goniometro diffrazione. Il rivelatore zona MARCCD è calibrato con un modello di diffrazione della polvere dal laboratorio 6. I picchi di diffrazione del campione vengono analizzati con il programma software ATREX, e vengono quindi indicizzate con il programma software RSV. RSV viene utilizzato per definire la matrice UB del monocristallo, e con questa informazione e la funzione di picco previsione, più picchi di diffrazione può essere individuato. RappresentanteDati singolo cristallo di diffrazione da una omphacite (Ca Na 0.51 0.48) (Mg 0.44 Al 0.44 Fe 2+ 0.14 Fe 3+ 0.02) Si campione 2 O 6 sono stati raccolti. L'analisi dei dati ha dato un reticolo monoclino con P2 / n gruppo spaziale a 0,35 GPa, ed i parametri reticolari sono risultati essere: 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 = 90 °.

Introduction

cristallo singolo diffrazione ai raggi X è uno dei modi più efficaci e consolidate per determinare la composizione chimica e la struttura di un materiale cristallino in diverse condizioni sperimentali. Recentemente ci sono stati una serie di 1-5 sviluppi in singolo cristallo di diffrazione ad alta pressione. La pressione è uno dei principali fattori che influenzano il comportamento e le proprietà di Terra e materiali planetari. esperimenti ad alta pressione di routine rivelano nuovi polimorfi di materiali comuni e possono scoprire i modi per sintetizzare sostanze chimiche che sono impossibili da effettuare in condizioni ambiente. Recentemente, diverse nuove polimorfi silicato sono stati identificati con la diffrazione singolo cristallo ad alta pressione, che forniscono una nuova visione le proprietà del mantello terrestre 6-8.

Diverso dal singolo cristallo di diffrazione a pressione atmosferica, monocristallo alta pressione diffrazione richiede un recipiente a pressione per generare emantenere la pressione durante la raccolta dei dati. Il recipiente a pressione più utilizzato nel singolo cristallo di diffrazione ad alta pressione è la cella ad incudine di diamante (DAC), che è composto da una coppia di incudini diamante tenuti insieme da una guarnizione metallo / metallo, e una pressione trasmissione media per fornire un idrostatica ambiente nel pozzetto di misurazione 4,9-11. diffrazione cristallo singolo utilizzando una cella ad incudine di diamante differisce da diffrazione in condizioni ambiente in diversi modi importanti. Innanzitutto, la copertura dello spazio reciproco è significativamente ridotta a causa della limitata raggi X accesso angolare attraverso il corpo del DAC e le piastre di sopporto. In secondo luogo, l'assorbimento angolazione-dipendente dei raggi X da parte dei diamanti e piastre di supporto deve essere determinato e utilizzato per correggere il segnale di diffrazione in modo che fattori di struttura precisi possono calcolato. Terzo, qualsiasi sovrapposizione del segnale di diffrazione del campione con dispersione o diffrazione dai componenti DAC, come i diamanti, guarnizione e transmittin pressioneg medium, deve essere eliminato. Quarto, allineando il campione nel DAC al centro del goniometro è difficile. La direzione perpendicolare all'asse di carico del DAC è sempre bloccato dalla guarnizione, e non è accessibile sia al microscopio ottico o il fascio di raggi X. Nella direzione assiale, il microscopio ottico può visualizzare solo un'immagine spostata del campione per l'alto indice di rifrazione del diamante. Queste differenze richiedono l'invenzione di nuove singolo cristallo metodi di misurazione di diffrazione ad alta pressione.

Il partenariato per Extreme Xtallography (PX ^ 2) progetto è una nuova iniziativa di ricerca dedicata al singolo cristallo di diffrazione ad alta pressione con DAC. Il progetto è ospitato presso la stazione sperimentale GeoSoilEnviroCARS 13-BM-C alla SPA, che fornisce la maggior parte delle infrastrutture tra cui rilevatori, focalizzato i raggi X ed un 6-cerchio pesanti diffrattometro 12,13 ottimizzato per una varietà di tecnologie avanzate experime cristallografianti. Il diffrattometro ha sei gradi angolari di libertà, quattro campioni-orientamento (μ, η, e × φ) e due rivelatore di orientamento (δ e υ). Le convenzioni angolari da Voi 13 sono usati per descrivere il moto del campione e il rivelatore, anche se l'η, χ e movimenti Phi sono pseudo-angoli derivati da motori geometria reale kappa dello strumento. Le procedure sperimentali sono stati ottimizzati per singolo cristallo di diffrazione ad alta pressione con DAC, ed è stato messo a punto una serie di pacchetti di elaborazione dei dati e software di analisi. In questo manoscritto, vi presentiamo un protocollo dettagliato per un esperimento di diffrazione tipica ad alta pressione singolo cristallo con il tipo di BX-90 DAC 9, come una guida per raccogliere e analizzare i dati a PX ^ 2.

Protocol

Preparazione 1. Esempio

NOTA: Il processo di preparazione del campione comprende tre fasi principali: preparare il DAC vuoto, il caricamento del campione e caricamento della pressione del gas inerte di trasmissione media. Preparazione del DAC e caricamento del campione sono stati descritti in dettaglio in Lavina et al. 10, e la pressione media trasmissione loading stata descritta in fiumi et al. 14 Qui si descrive brevemente il processo di preparazione del campione tipico.

  1. Selezionare una coppia di diamanti conici con corrispondenti piastre della protezione.
    1. Assicurarsi che le punte piane delle incudini di diamante (culets) sono uguali tra loro.
      NOTA: Il diametro del culet dipende dalla pressione massima dell'obiettivo dell'esperimento.
    2. Assicurarsi che la sede conica della piastra di supporto corrisponde alla forma del diamante conica. Assicurarsi che l'altezza del diamante, il diametro della parte posteriore del diamante, il opening angolo della piastra di supporto e l'angolo del DAC apertura sono compatibili tra loro, in modo da massimizzare l'accesso angolare per diffrazione 9,15.
  2. Pulire i diamanti e le piastre di supporto in un bagno ad ultrasuoni di acetone per 3-5 minuti. Impostare il pulitore ad ultrasuoni in modalità "Sonic". Esaminare i diamanti e le piastre di supporto al microscopio ottico, e rimuovere tutta la polvere visibile o detriti.
  3. Posizionare il diamante nella sede conica della piastra di supporto, e il gruppo in una maschera di montaggio.
  4. Applicare qualche kg di carico al diamante con viti compressione, in modo che sia in intimo contatto con la piastra posteriore. Quindi, applicare circa 0,1 g di resina epossidica attorno alla circonferenza esterna del diamante. Riscaldare il complesso a 70 ° C per 8 ore per curare la resina epossidica.
  5. Pulire l'interno del DAC, il lato posteriore delle piastre di supporto e le culets dei diamanti con acetone, e posizionare le piastre di supporto con diamanti nel DAC.
  6. adjust le posizioni dei diamanti con viti che fissano la piastra posteriore in posizione, in modo che le culets incudine sono concentrici quando le due opposte diamanti entrano in contatto.
  7. Controllare l'angolo di inclinazione tra le due culets ricerca di frange di interferenza al microscopio ottico. Regolare l'angolo di inclinazione dei diamanti di messa a punto del carico delle viti di regolazione, in modo che il numero delle frange è minimizzato 10.
  8. Posizionare un pezzo di 250 micron di spessore renio (Re) lamina di metallo tra i due diamanti, e fissarlo con la cera.
    NOTA: Questa pellicola Re agisce come la guarnizione del DAC.
  9. Applicare carico uniformemente e lentamente serrando le quattro viti compressione del DAC, e monitorare il cambiamento spessore della guarnizione Re con un micrometro misurando lo spessore totale del gruppo DAC.
  10. Quando lo spessore della guarnizione Re è ~ 40 micron, rimuovere il carico delle viti compressione lentamente, ed estrarre la guarnizione pre-dentellata.
  11. Utilizzare un laser fresatrice praticare un foro al centro della pre-indentazione, il cui diametro è almeno 2/3 del diametro culet. Allineare la guarnizione con un microscopio ottico, e impostare il diametro del foro previsto guarnizione nell'interfaccia utente fresatrice laser. Premere il tasto "scan" per praticare il foro.
  12. Mettere a bagno la guarnizione forato in acetone e pulirlo con un pulitore ad ultrasuoni in modalità normale. Pulire i culets dei diamanti con acetone. Posizionare la parte posteriore della guarnizione praticato nel DAC.
    NOTA: Il foro della guarnizione funge da camera campione.
  13. Collocare un campione cristallo singolo al centro del foro della guarnizione, che dovrebbe essere il centro della culet diamante.
    NOTA: La dimensione ottimale del campione è di 20 micron x 20 micron x 5 micron (lunghezza x larghezza x spessore).
  14. Mettere una piccola sfera rubino (~ 10 micron in diametro) vicino al campione.
    NOTA: La sfera rubino funge da indicatore di pressione.
  15. Posizionare il DAC con il campione dentro tha Compres / GSECARS vaso gas carico e carico elio compresso (He) o gas neon (Ne) ad una pressione massima di circa 25.000 psi per riempire il recipiente 14.
  16. Aumentare la pressione all'interno della camera del campione DAC serrando le viti Compressione del DAC, e monitorare la pressione con rubino a fluorescenza 16.

2. Raccolta dati

  1. Luogo ~ 1 mg LaB 6 polvere al centro di rotazione del diffrattometro, e raccogliere i modelli di diffrazione da polveri in diverse posizioni del rivelatore MARCCD diversi dall'angolo δ. Raccogliere i modelli di diffrazione da polveri facendo clic sul pulsante "Start" dell'interfaccia MARCCD EPICS. Utilizzare questo modello di diffrazione per calibrare la distanza rivelatore-campione e l'inclinazione del rivelatore MARCCD 2.
  2. Dopo aver completato la calibrazione del rivelatore, rimuovere il 6 per laboratorio dal diffrattometro. Posizionare il DAC nel supporto del campione, e metterlo su Thfase del campione e del diffrattometro.
    1. Usare un supporto a graffa per contenere DAC della temperatura ambiente, un supporto a graffa raffreddato ad acqua per DAC ad alta temperatura, e micromesh polimero montati su una testa goniometro standard di ACA / IUCr per contenere un campione a pressione e temperatura ambiente.
      NOTA: Nelle seguenti passi (2.3-2.8), tutti i controlli di movimento si ottengono con l'interfaccia utente EPICS (EUI).
  3. Ruotare l'asse φ in modo che la camera del campione è perpendicolare alla telecamera zoom visualizzazione modificando l'angolo φ a 120 nel EUI.
  4. Trova la camera del campione con la fotocamera consultazione presso la ingrandimento minimo prima. Centro dell'immagine del campione cambiando il campione X, Y e Z in EUI. Fuoco l'immagine del campione cambiando il microscopio Z nella EUI, e poi l'immagine-in al massimo ingrandimento.
  5. Allineamento immagine del pozzetto di misurazione al centro della telecamera visualizzazione cambiando il campione X, Y e Z nella EUI. Regolare la posizione del campione lungo l'asse della fotocamera finché non è a fuoco (utilizzando una messa a fuoco predeterminato per stimare la posizione del centro di rotazione in questa direzione). Quindi ruotare l'angolo φ a 90 in all'IUE modo che la camera campione è perpendicolare al fascio di raggi X incidente.
  6. Per correggere lo spostamento campione dal centro dello strumento lungo l'asse DAC, scansione la posizione DAC in entrambe le direzioni orizzontale e verticale perpendicolare al raggi X incidente utilizzando il software scanw, utilizzando definizioni motorizzati incorporati nel goniometro, mentre la raccolta fascio trasmesso dati di intensità con un rivelatore fotodiodo posizionati dietro il campione.
    NOTA: Il rivelatore fotodiodo è montato su un attuatore pneumatico e può essere spostato dentro e fuori del fascio a distanza dalla stazione di comando.
  7. Trovare la posizione centrale nella scansione intensità raccolti utilizzando la funzione di "centro" di scanw, corrispondente alla trasmissione massima. Questo è il center della camera del campione.
  8. Ruotare il campione utilizzando asse goniometro φ di alcuni gradi utilizzando il EUI, e ripetere la scansione trasmissione verticale. Ripetere la scansione due volte, in entrambe le traslazioni Phi positivi e negativi.
  9. Calcolare la posizione del campione lungo la direzione di raggi X incidente con la seguente equazione 17
    Equazione 1
    Dove AY è la distanza lungo la direzione di raggi X incidente che il campione è spostata dal centro dello strumento, Δφ è la variazione dell'angolo φ tra le scansioni, ΔS x + e ΔS x- sono gli offset di posizione di trasmissione di raggi X profilo quando l'angolo φ è inclinato di + Δφ e -Δφ.
    NOTA: diverse iterazioni di scansione può essere fatto per migliorare la precisione di posizionamento del campione.
  10. Dopo aver allineato il campione, la raccolta dei dati singolo cristallo di diffrazionecon il software CCD_DC 1.
    1. Dapprima, il ritiro φ-scan con un fotodiodo cliccando sul tasto "scan" sul software scanw per determinare l'angolo di apertura e determinare funzionale-forma della effetto di assorbimento delle incudini diamante e piastre di sopporto.
    2. Dopo l'φ-scan, effettuare una vasta esposizione φ (durante il quale il rilevatore è lasciata aperta mentre φ è ruotato) per coprire l'angolo di apertura massima che il DAC permette, seguita da una serie di esposizioni passo Phi, ciascuna copertura 1 °. Eseguire questo passaggio impostando il "range totale" per l'angolo massimo di apertura, e l'impostazione del "Numero di passi" allo stesso numero nel software CCD_DC. Raccogliere ampie scansioni Phi a diverse posizioni rivelatore specificando la posizione del braccio rilevatore nelle direzioni δ e ν nel software CCD_DC, in modo da consentire l'accesso a più picchi di diffrazione.
      NOTA: Per cristalli con una unitàcella più grande di 10 A, raccolta di 10 ° scansioni passo larghe che coprono lo stesso range angolare è anche raccomandato. I tempi di esposizione sono determinate dall'assorbimento dal diamante, e l'intensità della diffrazione caratteristiche dal campione. Solitamente selezionare il tempo di esposizione che massimizza le intensità dei picchi di diffrazione senza saturazione. Un tipico tempo di esposizione è 1-5 s / °. raccolta dati tipici da un cristallo in una posizione rivelatore e una pressione dura circa 30 min.

Analisi 3. Dati

NOTA: L'analisi dei dati viene effettuata utilizzando il software suite di ATREX / RSV 2,18. Per una spiegazione dettagliata dei principi utilizzati nel software vedere il lavoro di Dera, et al. 2

  1. Elaborare il file laboratorio di taratura 6.
    1. Aprite l'immagine di diffrazione 6 polvere LaB raccolti in ciascuna posizione rivelatore nella software. Inserire la lunghezza d'onda dei raggi X incidenti (0.434 a), e premere il pulsante "raffinare Cal".
      NOTA: Il software calcola automaticamente la distanza campione-rivelatore e l'inclinazione del rivelatore rispetto al fascio di raggi X incidente. calibrazione del rivelatore è condotta solo in posizioni rivelatore ν = 0, δ = 0. Le immagini di calibrazione raccolti a ν non-zero e δ sono utilizzati per la verifica della qualità della calibrazione.
    2. Salvare i file di calibrazione per ogni posizione del rivelatore modificando manualmente le impostazioni di ν e Í caratteristica, se necessario.
      NOTA: ATREX calibrazione negozi rivelatore file .cal associati a ogni serie di immagini. Quando si apre un'immagine, il programma controlla se il file .cal associato è presente. Se non lo è, vi è la possibilità di selezionare un file.
  2. Dopo aver salvato le tarature per tutte le posizioni del rivelatore, creare queste associazioni selezionando la casella "Assegna cal" nel software ATREX, In modo che il programma si ricorderà che calibrazioni da utilizzare.
  3. Ricerca per picchi di diffrazione del campione, e montare l'intensità dei picchi.
    1. Aprire l'esposizione del grandangolo φ nel software. Vai al pannello "Ricerca", e cercare i picchi di diffrazione nell'esposizione grandangolo. Eliminare manualmente gli oltre saturi picchi di diffrazione del diamante e dei picchi di diffrazione vicino agli anelli guarnizione Re.
    2. Montare i picchi di diffrazione per ottenere le loro posizioni precise e intensità. Ricerca di picchi di diffrazione del campione per tutte le posizioni del rivelatore facendo clic sul pulsante "Ricerca picco" nel software, e salvare le tabelle picco corrispondente facendo clic sul pulsante "salvare picchi".
  4. Ricostruire la distribuzione dei picchi di diffrazione 'nello spazio reciproco.
    1. Nel programma, aprire la tabella di picco per un rilevatore di posizione, e un'immagine nella scansione fase φ, che è unssociated con la stessa posizione del rivelatore. Se il file di calibrazione del rivelatore non è ancora stato assegnato a questa serie di file, selezionare il file .cal appropriato. Vai al pannello "Scan", e premere il tasto "calcolare Prof. dalla scansione" pulsante.
      NOTA: questo passaggio troverà l'angolo φ per ogni picco di diffrazione a cui l'intensità di picco è il più forte.
    2. Salvare il file tabella di picco risultante .pks. Ripetere questa operazione per tutte le immagini di rotazione di larghezza in diverse posizioni del rivelatore.
  5. Indice dei picchi di diffrazione.
    1. Utilizzando il software RSV, aprire il primo file della tabella di picco. Utilizzare la funzione "aggiungi" per unire tutte le tabelle ulteriore picco. Utilizzare il plugin RSV per trovare la matrice preliminare UB di questo cristallo e per indicizzare i picchi di diffrazione. Il software ricerca automaticamente la matrice più probabile UB.
    2. Aprire la matrice preliminare UB RSV importando il file .p4p, e perfezionare la matrice UB con ildi d-spacing di ogni picco di diffrazione utilizzando il pulsante "Refine w d-spac /". Se è nota la simmetria del cristallo, selezionare appropriati vincoli di sistema cristallo.
      NOTA: Quando il perfezionamento converge, la matrice UB ottimizzato ed i parametri reticolari del cristallo (a, b, c, α, β e γ) sono determinati.
    3. Salvare la matrice UB ottimizzato come file .ub.
      NOTA: Nel processo di ricerca picco iniziale il programma potrebbe aver perso alcuni picchi di bassa intensità che sarà molto prezioso nella determinazione della struttura.
  6. Per verificare questi picchi mancanti risalgono al software, e aprire l'immagine esposizione il grandangolo φ (il file di calibrazione associato deve essere caricato automaticamente).
  7. Nel pannello "prevedere", aprire la matrice UB del cristallo e simulare la figura di diffrazione. Nel pannello "Picchi", cercare i picchi di diffrazione osservati, e rimuovere i picchi non osservate (casella di testo accantoal pulsante "Osservato" permette di specificare la soglia minima intensità dei pixel all'interno della casella raccordo di picco che è necessario per il picco da considerarsi "osservato"). Montare le posizioni e le intensità dei picchi facendo clic sul pulsante "fit picco", quindi salvare la tabella di picco.
  8. Unire tutti i tavoli di punta previsti in diverse posizioni del rivelatore con il software RSV tramite la funzione "aggiungi". Se sono stati utilizzati differenti impostazioni di esposizione (velocità di rotazione in ° / sec), l'uso di adeguati fattori di scala durante l'apertura di nuovi file .pks.
  9. Esportare la tabella di picco unito come file di testo .hkl, che può essere utilizzato per raffinare la struttura cristallina con il pacchetto software SHELX. Le procedure dettagliate per lo svolgimento di struttura raffinatezza con SHELX sono stati ben descritti altrove 19,20.

Representative Results

Mostriamo un esempio rappresentativo di un singolo cristallo di diffrazione ad alta pressione sul omphacite minerale silicato (Ca Na 0.51 0.48) (Mg 0.44 Al 0.44 Fe 2+ 0.14 Fe 3+ 0.02) Si 2 O 6. Il campione omphacite è stato caricato in un BX-90 di tipo DAC con Boehler-Almax (BA) tipo incudini di diamante e le piastre della protezione (Figura 1). La camera del campione è stato riempito con una pressione nobile gas trasmissione media (elio in questo caso) per assicurare un ambiente a pressione idrostatica. La pressione della camera del campione era 0,35 GPa, determinato da rubino fluorescenza. Il campione è stato allineato con il centro di rotazione del goniometro di diffrazione (figure 3, 4). Abbiamo calibrato la posizione e l'inclinazione del rivelatore MARCCD a ν = 0, δ = 0 con uno standard di polvere LaB 6 (Figura 5). Durante l'esperimento, η, `7; e μ angoli sono stati fissati a 0. I picchi di diffrazione del campione sono stati analizzati utilizzando la funzione "Cerca" del software ATREX (Figura 6). Quindi, i parametri reticolari e la matrice UB del monocristallo omphacite erano raffinati utilizzando il software RSV (Figura 7). Con il raffinato matrice UB del cristallo, più picchi di diffrazione sono stati trovati con la funzione "prevedere" del software (Figura 8). I raffinati parametri reticolari di questo omphacite singolo cristallo a questa pressione sono: 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 = 90 ° (Tab. 1). Il cristallo omphacite risulta avere un reticolo monoclina nel gruppo spaziale P 2 / n. I nostri parametri reticolari raffinati sono in linea con i parametri reticolari pubblicati di omphacite concomposizione chimica simile e ad una pressione simile: 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.

Figura 1
Figura 1: Componenti di BX-90 DAC che sono usati per singolo cristallo di diffrazione ad alta pressione. (A) Boehler-Almax (BA) Tipo di diamante; (B) la guarnizione Re; Piastra di supporto (C) Tipo di BA; (D) tipo BA diamante incollato tipo BA piastra di supporto; (E) parte cilindro del DAC BX-90; (F) il pistone parte del DAC BX-90; (G) mancini (brunito) e (finitura in acciaio inox) di mano destra viti di compressione: (h) a vite comprimendo la mano destra con rosette elastiche del disco; ( Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2: immagine Microscopio della camera del campione DAC prima e dopo la pressione del gas nobile trasmissione medio carico. Dopo la pressione del gas trasmissione media di carico, il foro camera campione si è ridotto di circa il 30% di diametro. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3: configurazione sperimentale per alta pressure diffrazione a cristallo singolo PX ^ 2. I sei gradi di libertà angolari (μ, η, χ, φ, δ e υ) e le tre direzioni di traslazione (x, y, z) sono etichettati. La notazione per angoli segue la convenzione angolare di voi 13. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4: allineare la camera del campione al centro di rotazione. A sinistra: le scansioni da camera campione alla radiografia direzione normale (blu) e φ-rotazione da + Δφ (verde) e -Δφ (rosso). A destra: i profili di trasmissione a raggi X delle scansioni camera per campioni a diversi angoli di Phi. Gli spostamenti dei profili di trasmissione a raggi X vengono utilizzati per calcolare la correzione di posizione lungo la inciden t direzione di X-ray. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5: Calibrazione del rilevatore MARCCD utilizzando il software di analisi dei dati. LaB 6 polvere di diffrazione viene utilizzata per eseguire la calibrazione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6: diffrazione di ricerca di punta utilizzando il software di analisi dei dati. In totale i picchi di diffrazione 63 sono stati trovati questa immagine l'esposizione in largo. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 7
Figura 7: l'indicizzazione del picchi di diffrazione e calcolando la matrice UB del campione utilizzando il software RSV. L'indicizzazione viene eseguita automaticamente dal software. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8: Previsione i picchi di diffrazione con il software di analisi dei dati. 112 picchi di diffrazione sono stati trovati la stessa immagine di diffrazione con come in figura 6 con la funzione di picco di previsione.com / file / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

parametro reticolare Valore
un 9,496 ± 0,006 Å
B 8,761 ± 0,004 Å
c 5,248 ± 0,001 Å
un 90º
B 105,06 ± 0.03º
g 90º

Tabella 1: parametri reticolari di omphacite (Ca Na 0.51 0.48) (Mg 0.44 Al 0.44 Fe <strong> 2 + 0,14 Fe 3+ 0.02) Si 2 O 6 a 0,35 GPa. Il cristallo omphacite risulta avere un reticolo monoclina nel gruppo spaziale P 2 / n.

Discussion

In questo rapporto ci mostra la procedura dettagliata per effettuare esperimenti singoli cristalli di diffrazione con DAC alla linea di luce GSECARS 13-BM-C. Tipo BX-90 DAC con BA-tipo incudini di diamante e le piastre della protezione sono consigliati per cristallo singolo esperimenti di diffrazione 2,9,15. Il vantaggio del BX-90 tipo DAC è suo più ampio accesso angolare rispetto ai tradizionali DAC simmetrici, che prevede efficace campionamento di molti picchi di diffrazione 9,15. L'ampio accesso angolare diventa critico per i campioni con la simmetria più bassa e con le cellule di unità più piccole: i primi richiedono più picchi di diffrazione per vincolare i parametri reticolari con precisione, e questi ultimi danno un minor numero di picchi di diffrazione all'interno del dato accesso angolare 2. L'accesso un altro angolare raggiunge l'esperimento, le più accurate atomiche parametri posizionali si misura 2,4. accesso angolare ristretto può tradursi in una bidimensionale reciproca vettore set di dati, making interpretazione dei dati affidabili matematicamente impossibile 2.

Un importante passo ma spesso trascurato è quello di selezionare adatto mezzo di trasmissione della pressione. Anche se i media pressione, come argon, olio di silicone o di soluzione di metanolo-etanolo-acqua sono stati utilizzati in precedenti esperimenti singoli cristalli di diffrazione che non ha superato il 10 GPa 21-23, questi mezzi di pressione diventano significativamente non idrostatico tra 5-10 GPa 22, e ridurre notevolmente la qualità del cristallo durante la compressione 2,22. La nostra esperienza generale è stata che solo Lui e Ne risultato in esperimenti di alta qualità fino a 50 GPa (ad esempio, i riferimenti 6,7). Alle APS, questi gas possono essere convenientemente caricati nel DAC con l'uso di GSECARS / COMPRES analizzatori di gas-loading 14. Quando Egli o Ne viene scelto come mezzo di pressione, la camera del campione restringe durante il carico di gas (Figura 2). Una volta che il campione tocca direttamente la guarnizione,si rompe facilmente durante la compressione. Quindi è importante per perforare una grande camera del campione sufficiente, il cui diametro è almeno 2/3 del diametro culet, per evitare il contatto tra il campione e la guarnizione dopo il caricamento del gas.

Il monocromatica configurazione di diffrazione singolo cristallo di sincrotrone a base a PX ^ 2 è unico. Rispetto ai diffrattometri laboratorio, la sorgente di raggi X di sincrotrone fornisce un flusso molto più elevata (> 10 4) 4,27,28, che migliora notevolmente il rapporto segnale-rumore e riduce il tempo di raccolta di dati 4,27,28. Synchrotron polvere a base di diffrazione è anche comunemente usato per determinare la struttura dei materiali ad elevate pressioni attraverso l'approccio Rietveld 4. Diffrazione cristallo singolo ha vantaggi rispetto all'approccio Rietveld, perché disaccoppia il montaggio di parametri reticolari e parametri strutturali 2,4. diffrazione polvere con Rietveld raccordo di solito richiede il montaggio sia lat Parametri Tice e parametri strutturali, allo stesso tempo, mentre il numero di osservazioni indipendenti è in genere molto inferiore a quello del singolo cristallo di diffrazione 4. Un altro metodo di determinazione della struttura comune è Laue di diffrazione, che utilizza la radiazione policromatica con un rilevatore di zona 4. Rispetto alla raccolta dati monocromatica a PX ^ 2, la riduzione del metodo di Laue dati richiede ulteriori termini inclusi deconvoluzione armonica e la normalizzazione intensità, che aggiunge ulteriori difficoltà nell'analisi dei dati 4,24. Monocromatico singolo di diffrazione di cristallo è un modo semplice di risolvere strutture, ma ha i suoi limiti. Un insieme di dati ideale di monocromatica singolo diffrazione cristallo richiede un cristallo difetti meno con una dimensione di decine di micron, e la qualità di cristallo deve preservare a pressioni elevate. Questi requisiti possono essere difficili da soddisfare per alcuni minerali non quenchable, come bridgmanite 25.

content "> Tempo risolto singolo diffrazione cristallo è in grado di catturare il transitorio stati metastabili e cinetica di trasformazione durante la pressione indotta transizioni strutturali, ed è una delle future direzioni di ricerca per PX ^ 2 26. caratterizzazione quantitativa dei difetti e dinamica reticolare, sulla base di analisi di X-ray scattering diffuso a pressioni elevate è anche in fase di sviluppo presso il PX ^ 2 26. si sta costruendo una piattaforma ottica compatta per cristallo singolo di diffrazione ad alta pressione laser-riscaldato, e permetterà alla comunità di terra-scienza per studiare il comportamento dei materiali in condizioni profondo della terra 26.

Disclosures

Gli autori dichiarano assenza di conflitto di interesse.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato eseguito a GeoSoilEnviroCARS (Settore 13), di partenariato per il programma estrema Cristallografia (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS), e Argonne National Laboratory. GeoSoilEnviroCARS è supportato dai scienza scienze Fondazione Nazionale-Earth (EAR-1128799) e Department of Energy-Geoscienze (DE-FG02-94ER14466). Il ^ 2 programma di PX è supportato da COMPRESSIONE sotto NSF accordo Cooperativa EAR 11-57.758. L'uso del Advanced Photon Source è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Office of Science, Ufficio delle Scienze di base dell'energia, sotto contratto n DE-C02-6CH11357. L'utilizzo del sistema di gas di carico COMPRESSIONE-GSECARS è stata sostenuta da COMPRESSIONE sotto NSF accordo cooperativo EAR 11-57.758 e GSECARS attraverso NSF concessione EAR-1.128.799 e il DOE concedere DE-FG02-94ER14466. Vorremmo anche ringraziare Downs Prof. RT presso la University of Arizona per fornire gentilmente i campioni provenienti da collezioni 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

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).
Alta pressione singolo cristallo di diffrazione a 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