Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Высокое давление монокристалл дифракция при РХ ^ 2

doi: 10.3791/54660 Published: January 16, 2017

Summary

В этом докладе мы опишем подробные процедуры для проведения одиночных экспериментов по дифракции кристалла рентгеновских с алмазной наковальнях на GSECARS 13-BM-C пучкового на Advanced Photon Source. программы Atrex и RSV используются для анализа данных.

Abstract

В этом докладе мы опишем подробные процедуры для проведения одиночных экспериментов по дифракции кристалла рентгеновских с алмазной наковальнях (КСР) в GSECARS 13-BM-C пучкового на Advanced Photon Source. Программа DAC на 13-BM-C является частью Партнерства для экстремальных Xtallography (2 PX ^) проекта. DACs BX-90 типа с алмазных наковален конического типа и отступающих пластин рекомендуются для этих экспериментов. Отборная камера должна быть загружена с благородным газом для поддержания среды гидростатического давления. Образец выравнивается с центром вращения дифракционной гониометра. Детектор площадь MARCCD калибруется с порошковой дифракции от 6 LaB. В образец дифракционные пики анализируют с программой программного обеспечения Atrex, а затем индексируются с программой RSV программного обеспечения. РСВ используется для уточнения матрицы UB монокристалла, и с этой информацией и функции пика предсказания, более дифракционных пиков могут быть расположены. представительмонокристалл дифракционные данные из омфаците (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 образца были собраны. Анализ полученных данных дал моноклинную решетку с Р2 / п пространственной группы на 0,35 ГПа, и были найдены параметры решетки , чтобы быть: а = 9,496 ± 0,006 Å, б = 8,761 ± 0,004 Å, с = 5,248 ± 0,001 Å, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90º.

Introduction

Монокристалл дифракции рентгеновских лучей является одним из наиболее эффективных и хорошо зарекомендовавших способов определить химический состав и структуру кристаллического материала при различных экспериментальных условиях. В последнее время было несколько 1-5 событий в камерах высокого давления монокристаллической дифракции. Давление является одним из основных факторов, влияющих на поведение и свойства Земли и планетарных материалов. Эксперименты высокого давления обычно открывают новые полиморфы распространенных материалов, и может раскрыть способы синтезировать химические вещества, которые невозможно сделать в условиях окружающей среды. В последнее время несколько новых силикатных полиморфные были идентифицированы с высоким давлением монокристаллической дифракции, которые обеспечивают новое понимание свойств земной мантии 6-8.

В отличие от монокристаллической дифракции при атмосферном давлении, при высоком давлении монокристалл дифракция требует сосуд высокого давления для генерирования иподдержания давления в процессе сбора данных. Наиболее распространенным сосуд высокого давления используется в камерах высокого давления монокристаллической дифракции является алмазной ячейке (ЦАП), который состоит из пары алмазных наковален, скрепленных металлическим каркасом / металлической прокладкой, и передающую давление среду, чтобы обеспечить гидростатический среда в камере образца 4,9-11. Монокристалл дифракции с использованием алмазной ячейке отличается от дифракции в условиях окружающей среды в нескольких важных направлениях. Во-первых, охват обратного пространства значительно снижается из-за ограниченного рентгеновским угловым доступом через тело ЦАП и отступающих пластин. Во-вторых, в зависимости от угла поглощения рентгеновских лучей алмазов и отступающих пластин должны быть определены и использоваться для коррекции сигнала дифракции, так что точные структурные факторы могут вычисляться. В-третьих, любое перекрытие дифракционного сигнала образца с разбросом или дифракцией компонентов ЦАП, таких как алмазы, прокладку и transmittin давленияг среда, должны быть устранены. В-четвертых, совместив образца в DAC к центру гониометра трудно. Направление, перпендикулярное к оси нагрузки на ЦАП всегда блокируется прокладки, и не доступен либо с помощью оптического микроскопа или пучка рентгеновского излучения. В осевом направлении, оптический микроскоп может визуализировать только смещенный изображение образца из-за высокого показателя преломления алмаза. Эти различия требуют изобретение новых методов измерения дифракционной монокристаллических высокого давления.

Партнерство для экстремальных Xtallography (2 PX ^) проект представляет собой новый исследовательская инициатива, посвященная высокого давления монокристаллической дифракции с DACs. Проект размещается на GeoSoilEnviroCARS опытной станции 13-BM-C на APS, которая обеспечивает большую часть инфраструктуры , включая детекторы, ориентированные рентгеновские лучи и 6-круг для тяжелых условий эксплуатации дифрактометр 12,13 оптимизированы для различных передовых кристаллографии experimeNTS. Дифрактометр имеет шесть угловых степеней свободы, четыре образца-ориентирование (μ, η, x и φ) и два детектора ориентирующих (б и v). Угловые конвенции от вас 13 используются для описания движения образца и детектора, хотя η, χ и ф движения являются псевдо-углы , полученные из геометрии Каппа реальных двигателей инструмента. Экспериментальные методики были оптимизированы для высокого давления монокристаллической дифракции с DACs, и набор обработки данных и программного обеспечения для анализа пакетов был разработан. В этой рукописи, мы представляем подробный протокол для типичного высокого давления монокристаллического дифракционного эксперимента с использованием типа BX-90 ЦАП 9, в качестве руководства для сбора и анализа данных при РХ ^ 2.

Protocol

1. Подготовка образцов

ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс подготовки образца включает в себя три основных этапа: приготовление пустой DAC, загрузки образца и погрузка давление инертного газа передающей среды. Подготовка ЦАП и загрузки образца были подробно описаны в Lavina и соавт. 10, и давление среды , передающей нагрузку было описано в реках и др. 14 Здесь мы кратко опишем типичный процесс подготовки проб.

  1. Выберите пару конических алмазов с соответствующими отступающие пластины.
    1. Убедитесь, что плоские кончики алмазных наковален (culets) идентичны друг другу.
      Примечание: Диаметр калетты зависит от целевого максимального давления эксперимента.
    2. Убедитесь, что конический корпус опорной пластины совпадает с формой конусообразной алмаза. Убедитесь, что высота алмаза, диаметр задней стороны алмаза, шторамиг угол опорной пластины и угла открытия ЦАП совместимы друг с другом, с тем, чтобы максимально увеличить угловую доступ к дифракционной 9,15.
  2. Очистите бриллианты и отступающие пластины в ацетонового ультразвуковой ванне в течение 3-5 мин. Установите ультразвуковой очистки в режим "Sonic". Изучение алмазов и отступающие пластины под оптическим микроскопом, и удалить все видимые пыль или мусор.
  3. Поместите алмаз в коническую корпусе опорной пластины, а также сборку в монтажном приспособлении.
  4. Нанесите несколько кг нагрузки к алмазу с сжимающими винтами, так что он находится в непосредственном контакте с опорной пластиной. Затем наклеить около 0,1 г эпоксидной смолы вокруг внешней окружности алмаза. Нагреть сборку до 70 ° С в течение 8 ч для отверждения эпоксидной смолы.
  5. Очистите внутреннюю часть ЦАП, на обратной стороне отступающих пластин и culets алмазов с ацетоном, и поместите отступающие пластины с бриллиантами в ЦАП.
  6. регулировки оборотовт позиции алмазов с установочными винтами, которые удерживают опорную плиту на месте, так что наковальня culets являются концентрическими, когда две противостоящие алмазы вступают в контакт.
  7. Проверьте угол наклона между двумя culets ищет интерференционных полос под оптическим микроскопом. Регулировка угла наклона алмазов путем тонкой настройки нагрузки установочных винтов, так что число полос сведено к минимуму 10.
  8. Поместите часть 250 мкм толщиной рений (Re) металлической фольги между двумя бубнами, и закрепить его на месте с помощью воска.
    Примечание: Эта Re фольга действует как прокладка ЦАП.
  9. Нагрузку равномерно и медленно, затянув четыре сжимающих винта ЦАП, а также следить за изменением толщины прокладки Re с помощью микрометра путем измерения общей толщины узла ЦАП.
  10. Когда толщина прокладки Re составляет ~ 40 мкм, снять нагрузку сжимающих винтов медленно, и вынуть предварительно отступом прокладку.
  11. Используйте LASэр фрезерный станок просверлить отверстие в центре предварительного вдавливания, диаметр которых составляет по меньшей мере 2/3 от Culet диаметра. Совместите прокладку с помощью оптического микроскопа, и установить предназначенный диаметр отверстия в прокладке в машину пользовательского интерфейса лазерного фрезерования. Нажмите кнопку "Scan", чтобы просверлить отверстие.
  12. Замочите пробурена прокладку в ацетоне и очистить его с помощью ультразвукового очистителя в обычном режиме. Очистите culets алмазов с ацетоном. Поместите пробурена прокладку обратно в ЦАП.
    Примечание: Отверстие в прокладке служит в качестве камеры для образца.
  13. Поместите единственный образец кристалла в центре прокладки отверстие, которое также должно быть центром алмазной калетты.
    Примечание: Оптимальный размер выборки составляет 20 мкм х 20 мкм х 5 мкм (длина х ширина х толщина).
  14. Место небольшой рубиновый шар (~ 10 мкм в диаметре) близко к образцу.
    Примечание: рубиновый шар служит в качестве маркера давления.
  15. Поместите ЦАП с образцом внутри тон COMPRES / GSECARS газа загрузки судна и нагрузки сжатого гелия (He) или неоновый (Ne) газа до максимального давления около 25 000 фунтов на квадратный дюйм , чтобы заполнить сосуд 14.
  16. Увеличение давления внутри камеры для образца DAC, затянув сжимающие винты ЦАП, а также контролировать давление с рубиновым флуоресценции 16.

2. Сбор данных

  1. Место ~ 1 мг LaB 6 порошка в центре вращения дифрактометре, и собирать образцы порошковой дифракции в нескольких положениях детектора MARCCD различной углом б. Соберите образцы порошковой дифракции, нажав на кнопку "Start" интерфейса MARCCD EPICS. Используйте эту картину дифракции для калибровки расстояния детектора образца и наклон детектора MARCCD 2.
  2. После завершения калибровки детектора, удалите стандарт 6 из LaB дифрактометра. Поместите ЦАП в держатель образца, и положил его на йОбразец стадии е дифрактометре в.
    1. Используйте держатель зажимного типа для хранения окружающей среды DACs температуры, держатель зажимного типа с водяным охлаждением для высоких DACs температуры и полимерный сетчатый смонтированных на стандартный гониометра голове АСА / IUCr держать образец при атмосферном давлении и температуре.
      Примечание: В следующих шагах (2,3-2,8), все элементы управления движения достигаются с помощью пользовательского интерфейса EPICS (EUI).
  3. Поворот оси ф так, что отборная камера перпендикулярна к камере масштабирования просмотра путем установки угла ф до 120 в EUI.
  4. Найти камеру образца с просматриваемой камерой при минимальном увеличении в первую очередь. Образ центра семпла путем изменения выборки X, Y и Z в EUI. Фокус изображения образца путем изменения микроскопа Z в EUI, а затем увеличение для максимального увеличения.
  5. Выровнять изображение камеры для образца к центру смотрового камеры, изменяя образец X, Y и Z в EUI. Отрегулируйте положение образца вдоль оси камеры, пока она не находится в фокусе (используя заранее определенный фокус камеры, чтобы оценить положение центра вращения в этом направлении). Затем повернуть угол ф до 90 в EUI таким образом, что камера для образцов была перпендикулярна к падающему пучка рентгеновского излучения.
  6. Для коррекции образца смещения от центра инструмента вдоль оси DAC, сканируют положение и ЦАП в горизонтальном и вертикальном направлениях, перпендикулярных к падающему рентгена с использованием программного обеспечения SCANW, используя моторизованные переводы, встроенные в гониометра, во время сбора передаваемого луча интенсивность данных с детектором фотодиод размещены позади образца.
    Примечание: Детектор Фотодиод смонтирован на пневматический привод и может быть перемещен в и из луча дистанционно с пульта управления.
  7. Найдите положение центра в собранном сканировании интенсивности с использованием "центра" функцию SCANW, что соответствует максимальной передачи. Это в.п.NTER образца камеры.
  8. Поворот образца с помощью гониометра ф оси на несколько градусов, используя EUI, и повторите сканирование вертикальной передачи. Повторите сканирование дважды, как положительных, так и отрицательных смещений ф.
  9. Вычислить положение образца вдоль направления падающего рентгеновского луча со следующим уравнением 17
    Уравнение 1
    Где ΔY расстояние вдоль направления падающего рентгеновского луча , что образец смещается от центра инструмента, Δφ является изменение угла ф между сканирований, & Dgr ; S х + и & Dgr ; S х являются позиционные смещения передачи X-Ray профиль, когда угол φ находится под углом + ДФ и -Δφ.
    Примечание: несколько итераций сканирования могут быть сделаны, чтобы повысить точность позиционирования образца.
  10. После выравнивания образца, собрать данные дифракции монокристаллс программным обеспечением CCD_DC 1.
    1. Во-первых, собрать Ф-сканирование с фотодиодом, нажав на кнопку "Scan" на программном обеспечении SCANW для определения максимального угла раскрытия и определить функционально-форму эффекта поглощения алмазных наковален и бэк пластин.
    2. После ф-сканирования, выполнять широкий ф экспозиции (в течение которого детектор остается открытым в то время как φ поворачивается), чтобы покрыть максимальный угол открытия, что ЦАП позволяет, а затем серию ступенчатых ф экспозиции, каждая из которых покрывает 1 °. Выполните этот шаг, установив "полный диапазон" до максимального угла открытия, и настройка "Количество шагов" на тот же номер в программном обеспечении CCD_DC. Собирают широкие ф сканирование в разных положениях детектора, указав положение рычага детектора в б и v, направлений в программном обеспечении CCD_DC, с тем чтобы обеспечить доступ к большему количеству дифракционных пиков.
      Примечание: Для кристаллов с блокомклеток больше, чем 10 А, коллекция 10 ° широкий шаг сканирования, охватывающих один и тот же диапазон углов также рекомендуется. Время экспозиции определяются абсорбции из алмаза, и интенсивность дифракции признаков из образца. Обычно выбирают время экспозиции, которая максимизирует интенсивности дифракционных пиков без насыщения. Типичное время экспозиции составляет 1-5 сек / °. Типичный сбор данных из одного кристалла в одном положении детектора и одного давления занимает около 30 мин.

3. Анализ данных

Примечание: Анализ данных осуществляется с использованием Atrex / RSV программный пакет 2,18. Для более детального описания принципов , используемых в программном обеспечении смотрите работу Дера и др. 2

  1. Процесс калибровки файла Лабораторная работа 6.
    1. Открыть LAB 6 порошковой дифракции изображения , собранные в каждом положении детектора в секoftware. Входная длина волны падающего рентгеновского излучения (0,434 Å), и нажмите кнопку "Cal" уточнения.
      Примечание: Программное обеспечение будет автоматически рассчитать расстояние выборки детектора и наклона детектора относительно падающего пучка рентгеновского излучения. Калибровка детектора проводится только в положениях детектора ν = 0, δ = 0. Калибровочные изображения, собранные в отличны от нуля ν и б используются для проверки качества калибровки.
    2. Сохраните файлы калибровки для каждого положения детектора вручную, отредактировав v, и б параметров, по мере необходимости.
      Примечание: Atrex калибровки хранит детектор .CAL файлы, связанные с каждой серией изображений. При открытии изображения, программа проверяет, если связанный файл .cal присутствует. Если это не так, есть возможность выбрать такой файл.
  2. После сохранения калибровок для всех позиций детекторов, создавать эти ассоциации путем проверки "Присвоить кал" флажок в программном обеспечении Atrex, Так что программа будет помнить, какие калибровок использовать.
  3. Поиск дифракционных пиков в образце, и соответствовать интенсивности пиков.
    1. Открыть экспозицию Широкий угол ф в программном обеспечении. Перейти к "Поиск" панели, и поиск дифракционных пиков в широком воздействии угла. Вручную удалите перенасыщен дифракционные пики из алмаза и дифракционные пики, близкие к прокладочных колец Re.
    2. Установить дифракционные пики, чтобы получить их точные позиции и интенсивности. Поиск дифракционных пиков в образце для всех позиций детектора, нажав на кнопку "поиск" пика в программном обеспечении, а также сохранять соответствующие пиковые таблицы, нажав на кнопку "Сохранить" пики.
  4. Реконструировать распределение дифракционных пиков 'в обратном пространстве.
    1. В программе откройте таблицы пиков на одну позицию детектора и одного изображения на стадии ф сканирования, который представляет собойssociated с той же позиции детектора. Если файл калибровки детектора еще не был назначен на этот файл серии, выберите соответствующий файл .CAL. Перейдите на панель "Scan" и нажмите "вычислить Prof. из сканирования" кнопки.
      Примечание: Этот шаг будет найти угол ф для каждого дифракционного пика, при которой интенсивность пика является самым сильным.
    2. Сохранить при этом пик таблицы .pks файл. Повторите этот шаг для всех широких изображений вращения при различных положениях детектора.
  5. Индекс дифракционные пики.
    1. С помощью программного обеспечения RSV, откройте первый файл таблицы пиков. Используйте функцию "Append", чтобы объединить все дополнительные пиковые таблицы. Используйте RSV плагин, чтобы найти матрицу предварительного UB этого кристалла и к индексу дифракционных пиков. Программное обеспечение будет автоматически искать наиболее вероятной матрицы UB.
    2. Откройте предварительную матрицу UB в RSV путем импорта файла .p4p, и уточнить матрицу UB сd-расстояние между каждой дифракционного пика с помощью кнопки "Уточнить ж / д-УПП". Если симметрия кристалла известно, выбрать соответствующие сингонии ограничения.
      Примечание: Когда уточнение сходится, оптимизированная матрица UB и параметры решетки кристалла (а, b, c, α, бета и гамма) определяются.
    3. Сохраните оптимизированную матрицу UB в виде файла .ub.
      Примечание: В начальный пик процесса поиска программа, возможно, пропустили некоторые пики интенсивности, что низкие будет очень ценно в определении структуры.
  6. Для поиска этих недостающих пиков вернуться к программному обеспечению, а также открыть Широкий угол ф экспозиции изображения (связанный файл калибровки должен быть загружен автоматически).
  7. На панели "Прогнозировать", откройте матрицу UB кристалла и моделировать дифракционную картину. В "Пикс" панели, поиск наблюдаемых дифракционных пиков, и удалить ненаблюдаемой пиков (текстовое поле рядомна кнопку "Наблюдаемые" позволяет задать минимальный порог интенсивности пикселей в пределах фитинга поле пика, который требуется для пика следует рассматривать "наблюдаемое"). Установить положение и интенсивность пиков, нажав на кнопку "пик подгонки", а затем сохранить пиковую таблицу.
  8. Объединить все предсказанные пиковые таблицы в различных положениях детектора с программным обеспечением RSV с помощью функции "добалением". Если использовались различные параметры экспозиции (скорость вращения в ° / сек), используйте соответствующие коэффициенты масштабирования при открытии новых .pks файлов.
  9. Экспорт слитый пиковую таблицу как .hkl текстовый файл, который может быть использован для уточнения кристаллической структуры с программным пакетом SHELX. Подробные процедуры проведения уточнения структуры с SHELX были хорошо описаны в другом месте 19,20.

Representative Results

Покажем один типичный пример высокого давления монокристаллической дифракции на силикатной минеральной омфаците (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6. Омфацит образец был загружен в ЦАП типа BX-90 с Boehler-Almax (BA) типа ФОрТОВ и отступающие пластины (рисунок 1). Отборная камера была заполнена под давлением инертных газов передающей среды (гелий в данном случае), чтобы обеспечить среду гидростатического давления. Давление камеры для образца была 0,35 ГПа, определяется рубинового флуоресценции. Образец был приведен в соответствие с центром вращения дифракционной гониометра (рис 3, 4). Мы калиброванный положение и наклон детектора MARCCD при v = 0, δ = 0 со стандартным порошком LaB 6 (рисунок 5). В ходе эксперимента, η, `7; и М углы были зафиксированы на 0. дифракционные пики образца сначала анализировали с помощью функции "Поиск" программного обеспечения Atrex (рисунок 6). Затем параметры решетки и матрица UB из омфаците монокристалла были уточнены с использованием программного обеспечения RSV (рисунок 7). С рафинированного матрицей UB кристалла, больше дифракционные пики были найдены с помощью функции "предсказать" программного обеспечения (Рисунок 8). Уточненные параметры решетки этого омфаците монокристалла при этом давлении являются: а = 9,496 ± 0,006 Å, б = 8,761 ± 0,004 Å, с = 5,248 ± 0,001 Å, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90º (табл. 1). Было обнаружено , что омфацит кристалл имеет моноклинную решетку в пространственной группе Р 2 / н. Наши уточненные параметры решетки согласуются с опубликованными параметрами решетки омфаците с Асходным химическим составом и на таком же давлении: P = 0,449 ГПа, а = 9,5541 ± 0,0005 A, B = 8,7481 ± 0,0007 Å, с = 5,2482 ± 0,0003 Å, β = 106,895 ± 0.004º 21.

Рисунок 1
Рисунок 1: Компоненты BX-90 ЦАП , который используется для высокого давления монокристаллической дифракции. (А) Boehler-Almax (BA) алмазного типа; (Б) Re прокладка; (С) тип BA опорная пластина; (D) тип BA алмаза наклеить на опорной плите типа BA; (Е) цилиндр часть ВХ-90 ЦАП; (Е) поршень часть BX-90 ЦАП; (Г) левой рукой (черненая) и правой рукой (нержавеющая сталь покрытие) сжимающие винты: (h) правой рукой сжимая винт с диска пружинных шайб; ( Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2: микроскопическое изображение камеры для образца DAC до и после благородном давления газа передающей среды нагрузки. После того, как давление газа передающей среды загрузки, образец камеры дыра сократилась на ~ 30% в диаметре. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3: Экспериментальная установка для высокого преssure монокристаллический дифракции на РХ ^ 2. Шесть угловых степеней свободы (μ, η, χ, φ, δ и υ) и три поступательные направления (х, у, г) помечены. Обозначения для углов следует угловой условность You 13. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4: Выравнивание камеры образца до центра вращения. Слева: отборная камера сканирует на рентгеновскую нормальном направлении (синий) и ф-поворот на + ДФ (зеленый) и -Δφ (красный). Справа: профили передачи рентгеновских камеры образцов сканов при различных углах ф. Смещения профилей передачи рентгеновских используются для расчета позиционную коррекцию по inciden т направление рентгеновских лучей. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5: Калибровка детектора MARCCD с помощью программного обеспечения для анализа данных. LaB 6 порошковой дифракции используется для выполнения калибровки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6
Рисунок 6: дифракционный пик поиска с использованием программного обеспечения для анализа данных. В общей сложности 63 пиков дифракции были обнаружены в этом широком экспозиции изображения. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7
Рисунок 7: Индексация дифракционных пиков и вычисления матрицы UB образца с использованием программного обеспечения RSV. Индексация осуществляется автоматически с помощью программного обеспечения. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 8
Рисунок 8: Предсказание дифракционных пиков с помощью программного обеспечения для анализа данных. 112 дифракционные пики были найдены с той же дифракционного изображения, как на рисунке 6, с использованием функции пикового предсказания.COM / файлы / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Lattice параметр Стоимость
9,496 ± 0,006 Å
б 8,761 ± 0,004 Å
с 5,248 ± 0,001 Å
90º
б 105,06 ± 0.03º
г 90º

Таблица 1: решетчатые параметры омфаците (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe <сильный> 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 0,35 ГПа. Было обнаружено , что омфацит кристалл имеет моноклинную решетку в пространственной группе Р 2 / н.

Discussion

В этом докладе мы покажем детальную процедуру проведения одиночных экспериментов кристаллической дифракции с DACs на пучкового GSECARS 13-BM-C. DACs типа BX-90 с алмазных наковален BA-типа и отступающих пластин рекомендуются для монокристаллических дифракционных экспериментов 2,9,15. Преимущество BX-90 типа ЦАП является более широким угловым доступом по сравнению с традиционными симметричными DACs, что обеспечивает эффективное выборки многих дифракционных пиков 9,15. Широкий угловой доступ становится критическим для образцов с более низкой симметрией и с меньшими единичными элементами: первые требуют больше дифракционных пиков , чтобы точно ограничить параметры решетки, а вторые дают меньше дифракционных пиков в пределах заданной угловой доступа 2. Более угловатыми один доступ достигает в эксперименте, более точные атомные позиционные параметры измеряются 2,4. Ограниченный угловой доступа может привести к двумерным вектор обратной набора данных, MakING надежную интерпретацию данных математически невозможно 2.

Одним из важных, но часто забывают шаг заключается в выборе подходящей среды передачи давления. Хотя средства массовой информации под давлением , такие как аргон, силиконовое масло или метанол-этанол-вода раствор использовали в предыдущих экспериментах одиночных кристаллической дифракции , которые не превышала 10 ГПа 21-23, эти средства массовой информации давление стало значительно негидростатическая между 5-10 ГПа 22, и значительно уменьшить качество кристалла при сжатии 2,22. Наш общий опыт показывает, что только Он и Ne результат в высоких экспериментах качества до 50 ГПа (например, ссылки 6,7). В ЛПВ, эти газы могут быть удобно загружены в ЦАП с использованием GSECARS / COMPRES загрузки газа устройство 14. Когда он или Ne выбран в качестве среды , передающей давление, образец камеры сжимается во время загрузки газа (рисунок 2). После того, как образец непосредственно затрагивает прокладку,он легко ломается при сжатии. Поэтому важно, чтобы развернуть большую достаточно камеру для образца, диаметр которых составляет по меньшей мере 2/3 от Culet диаметра, чтобы избежать контакта между образцом и прокладки после газовой нагрузки.

Синхротрона на основе монохромные монокристалл установки дифракции при РХ ^ 2 является уникальным. По сравнению с лабораторным дифрактометрах, синхротронное источник рентгеновского излучения обеспечивает гораздо больший поток (> 10 4) 4,27,28, что значительно улучшает отношение сигнал-шум и сокращает время сбора данных 4,27,28. Синхротронное на основе порошковой дифракции также широко используется для определения структуры материалов при высоких давлениях посредством подхода Ритвельда 4. Монокристалл дифракция имеет преимущества по сравнению с подходом Ритвельда, потому что разъединяет примерку параметров решетки и структурных параметров 2,4. Порошковая дифракция с Ритвелд обычно требует установки арматуры и Lat Параметры Тайс и структурные параметры в то же время, в то время как число независимых наблюдений , как правило , значительно ниже , чем в монокристаллической дифракции 4. Другой метод определения общей структуры является Лауэ дифракция, которая использует полихроматического излучения с детектором 4 зоны. По сравнению с монохроматическим сбора данных на PX ^ 2, восстановление данных метода Лауэ требует соблюдения дополнительных условий , включая гармоники деконволюции и нормализации интенсивности, который добавляет дополнительные трудности при анализе данных 4,24. Монохромный монокристалл дифракция является прямым способом решения структур, но она имеет свои ограничения. Идеальный набор данных монохроматического монокристаллической дифракции требует от дефектов менее кристалл с размером десятков мкм, а качество кристалла необходимо сохранить при высоких давлениях. Эти требования могут быть трудно удовлетворить для некоторых Неподавляемый минералов, таких как bridgmanite 25.

Содержание "> Время решена монокристалл дифракция способна захватывать переходные метастабильные состояния и кинетика превращения во время давления индуцированных структурных переходов, а также является одним из направлений будущих исследований для PX ^ 2 26. Количественная характеристика дефектов и динамики решетки, основанные на анализе рентгеновского диффузного рассеяния при высоких давлениях также в стадии разработки на PX ^ 2 26. компактная оптическая платформа для лазерной нагреваемого высокого давления монокристаллического дифракции строится, и позволит землю научное сообщество для изучения поведения материалов в условиях глубокого заземления 26.

Disclosures

Авторы объявили, что нет никаких конфликтов интересов.

Acknowledgments

Эта работа была выполнена в GeoSoilEnviroCARS (сектор 13), Партнерства по программе Экстремальные кристаллографии (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS) и Аргоннской национальной лаборатории. GeoSoilEnviroCARS поддерживается Национальным научным фондом-наук о Земле (EAR-1128799) и Департамента энергетики-землеведения (DE-FG02-94ER14466). 2 Программа PX ^ поддерживается COMPRES в рамках НФС Соглашения о сотрудничестве между EAR 11-57758. Использование Advanced Photon Source был поддержан Департаментом энергетики США, Управления науки, Управление основной энергии наук, по договору № DE-C02-6CH11357. Использование системы газовой нагрузки COMPRES-GSECARS была поддержана COMPRES в рамках НФС Соглашения о сотрудничестве между EAR 11-57758 и GSECARS через грант NSF EAR-1128799 и DOE грант DE-FG02-94ER14466. Мы также хотели бы поблагодарить Downs проф RT в Университете штата Аризона за любезно предоставленные образцы из коллекций 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).
Высокое давление монокристалл дифракция при РХ ^ 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