Summary
ビームライン セットアップ ラウエ (多色放射) または回折 (単色放射) を使用して単一の結晶または粉末試料の急速な二次元 x 線蛍光と x 線回折のマッピングを実行するためのものについて述べる。作成したマップは、ひずみ、方向、位相分布および塑性変形に関する情報を与えます。
Abstract
本報告では、取得、x 線 microfluorescence (μXRF)、およびラウエ処理の詳細な手順について述べるし、粉末回折二次元 (2 D) マップ ビームライン 12.3.2 の高度な光ソース (ALS)、ローレンス ・ バークレイ国立実験室。測定は 10% 未満任意のサンプルで実行できる cm × 10 cm × 5 cm、平らな露出面で。標準的な材料 (蛍光 x 線分析、および Si、石英、または Al2O3回折など結晶試料の元素基準) を用いた実験的幾何学を校正します。X 線マイクロビームの焦点位置にサンプルを配置、マップの各ピクセルが 1 つの測定、例えば、 1 つの蛍光 x 線スペクトルまたは 1 つの回折パターンに対応、ラスター スキャンが実行されます。クリスマスは、出力テキスト ファイルには、各行がピクセル位置に対応社内開発ソフトウェアを使用して、データが処理されます。モアッサ ナイトと、オリーブのカタツムリの殻から代表的なデータは、データ品質、収集、および分析と戦略を示すに表示されます。
Introduction
結晶構造解析はよくミクロン スケールで不均一性を表示します。地球科学研究科鉱物、結晶構造、および二次元系での位相関係の同定は物理学と化学の特定のシステムの両方を理解することが重要で、空間分解、定量的手法が必要です。たとえば、ローカライズされた 2D リージョン内位相分布に基づく鉱物間の関係を調べることができます。これは歴史と岩本体内で発生した化学的相互作用のための含意を持つことができます。また、単一の鉱物物質の構造を調べることができます。これは、鉱物であるかもしれないまたは現在 (ダイヤモンド ・ アンビル ・ セルなどのデバイスとその場で変形実験の場合など) にさらされている変形の種類を定めることができます。地球科学研究科エネルギーや波長分散型 x 線分光 (E/WDS) 電子後方散乱回折 (EBSD) と走査電子顕微鏡 (SEM) の組み合わせを使用してこれらの分析は、しばしば実行されます。ただし、試料調製が難しい、豊富な研磨、真空測定用マウントを含むできます。また、EBSD は常に隆起、侵食、または圧縮を経験していることが地質材料のための言い分ではない比較的無歪の結晶を必要とする表面技術です。
空間分解特性の 2次元 x 線回折および蛍光 x 線マッピングを使用しては、ALS のビームライン 12.3.2 のスケールで結晶の大きさがある単一または多相システムの広域マップを作るの迅速かつ簡単な方法は、数百ミクロンに (多結晶試料) の場合数ナノメートル。このメソッドには、他の一般的に使用される手法と比較して多くの利点があります。EBSD など、その他の 2次元結晶マッピング技術とは異なり回折サンプル周囲条件下で測定することができます、したがって真空チャンバーがないので特別な準備を必要は。回折が厳しい緊張またはプラスチック変形を経験しているものだけでなく、自然のままの結晶に適しています。試料の薄片、エポキシ樹脂に埋め込まれた材料としては一般的検討したも、岩や穀物を変更されず。データ コレクションは、高速、ラウエ回折のため通常よりも小さい 0.5 s/ピクセル未満の粉末回折のため 1 分/ピクセルと蛍光 x 線の 0.1 未満 s/ピクセルです。一時的にローカル ストレージと永続的をダウンロードする簡単だ、国立エネルギー研究科学的コンピューティング (ソルバー) センターでデータをローカルに保存します。ローカル クラスターまたは 20 分未満でソルバー クラスター、回折のデータ処理を実行できます。これにより短いデータの収集と分析、高速スループットと大面積測定の実験器具と比較した場合の期間です。
3 D プリントからすべてを分析する工学金属1,2, 太陽電池パネル変形に3ひずみとこのメソッドはさまざまなアプリケーション、特に材料科学で広く使用されていますトポロジカル物質4、記憶合金相に5、ナノ結晶材料6、7の高圧の動作に移行します。地球科学の最近のプロジェクトは、様々 な石英サンプル8,9火山セメント プロセス10,11, 方解石や霰石などミネラルのひずみの解析貝殻とサンゴの12,13または歯14、および隕石位相分布、新しい鉱物のミネラル構造同定に関する追加研究に含まれるアパタイトと高圧で塑性変形応答シリカも収集されています。ビームライン 12.3.2 で使用される技術はサンプル、鉱物学や岩石学的地域社会で誰にも関連するの広い範囲に適用されます。ここで我々 はビームライン 12.3.2、および地球科学分野で複合蛍光 x 線分析と粉/ラウエ回折法の有用性を実証するために現在のいくつかのアプリケーション用のデータ集録および解析プロトコルを概説します。
実験の詳細に入る前に話し合うエンド ステーションのセットアップに密接不離な関係だ (Kunzらの図 1および図 4を参照15). x 線ビーム蓄積リングを終了し、目的は再び焦点を当てる実験ハッチの入り口にソース、トロイダル ミラー (M201) が使用されます。セカンダリ ソース ポイントとしてロール スリットのセットの関数が通過します。それは (またはない) を単色、実験の種類に応じてスリットの 2 番目のセットを通過する前に、カークパ トリック バエズ (KB) ミラーのセットでミクロン サイズに焦点を当てています。ビームは、その信号を使用してビーム強度を決定、電離箱を通過します。イオン室に添付、ピンホール検出器に衝突から散乱信号をブロックすることです。集束ビームはサンプルを検出しました。サンプルは 8 モーターから成っているステージの上に置かれる: ラフ (下) x、y、z モータ、罰金 (上側) の x、y、z モータの 1 セットおよび 2 つの回転モーター (Φ および χ) の 1 つのセット。3 つの光学カメラで視覚化することができます: 低のズーム、高倍率ズームと電離箱の上部に配置され、1 つは、平面に配置した、x 線ビームと第二高ズーム カメラに関して約 45 ° の角度は、t に対して 90 ° の角度で配置彼はビーム x 線します。この最後の 1 つが縦向きのサンプル最高の作品 (例えば伝送モードの実験)、ピンホールに接続されているくさび型ミラーを用いたイメージングの実行と。X 線回折による検出器は大型回転ステージに位置し、角度と検出器の垂直変位の両方を制御できます。蛍光 x 線分析を収集するシリコンド リフト検出器はまたあります。サンプルの露出領域 (ROI) がフラット (ミクロン スケール) に限り、任意の方法で準備、発見または以上 50 〜 100 で覆われている μ m ポリイミド テープなど x 線透過材料の。
以下の手順では、反射のジオメトリで行われる、z 方向は通常のサンプルと x と y は、それぞれ水平方向と垂直方向の走査方向を想定しています実験について説明します。ステージと検出器システムの柔軟性のためしかし、いくつか実験を行い伝送ジオメトリで、x および z 方向は水平および垂直のスキャン方向 y が直接に平行ビーム (ジャクソンを参照してくださいら10,11)。
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Protocol
1. ビームラインとデータの収集の設定します。
注: 校正基準とサンプル処理法で横になっている主な違いを同じ方法で収集されます。
- サンプルをマウントし、実験ハッチを閉じます。
- 運動学的基盤の上半分にサンプルを添付 ROI が垂直方向にそのような物は少なくとも 15 mm ベースに相対と避難 (材料の表を参照してください)。
注: 標準的なブロックは、< 20 mm の厚さのサンプルで使用するビームラインに存在します。ビームラインのステージ システムに完全にインストールは運動の基地の半分下。 - サンプルの場所と実験ハッチ内ステージの上に。実験ハッチを閉じます。
- 運動学的基盤の上半分にサンプルを添付 ROI が垂直方向にそのような物は少なくとも 15 mm ベースに相対と避難 (材料の表を参照してください)。
- ビームライン制御・ データ集録ソフトを入れます。
- ビームライン制御プログラムを開きます。プログラムを初期化するには、左上隅にある矢印をクリックします。ソフトウェアが初期化されたことを示す、緑色に点灯を右側にあるすべての信号灯を待ちます。
- そのコンポーネントのコントロール パネルを初期化するビームライン コンポーネントをクリックします。これは、翻訳の段階に主におよびスリット コントロールに適用されます。
- デスクトップからの x 線回折スキャン ソフトウェアを初期化します。
注: これは、ビームライン制御プログラムが完全にオンになって後にのみ行う必要があります、そうでなければプログラムことはできませんが正常に通信、マッピング手順は動作しません。
- X 線ビームの焦点にサンプルを持ち込みます。
- 「レーザー」というラベルの付いたボタンをクリックしてして位置合わせレーザーを入れます。
- ステージ配置メニューを使用し上と下向きの大まかな配置カメラの視覚焦点の近似内サンプルの投資収益率をもたらすに矢印をクリックして上の x、y、および z のステージを変換します。各モータことができる距離を調整値を入力することによって折り曲げ。
注: 段階はモーターを備えられた、ビームライン ソフトウェアで制御します。 - 微小焦点カメラを見ながら、画面上のマークとレーザ スポットが整列するまで上部 z モータを変換します。
注: サンプルごとに一貫してこの操作を実行する場合サンプル-検出器のすべてのパラメーターは変わりません。
- いずれか、ホワイト (白色) 光や単色モードを選択します。
- 最終的なフォーカス縮小を定義し、従ってサンプルのサイズをビーム実験ハッチの入り口にスリットをロールバックします。注: 彼らは中心に位置する KB ミラーのセットによって前に、x 線の源ポイントとして機能、モノクロ メーターの下流。ロール スリット サイズは、サンプルの増加梁サイズを犠牲にして (例えば単色モード) のフラックスを増加に増加できます。
- 正しいロール スリットの設定を使用していることを確認: 白色ビーム アプリケーションまたは単色用 100 μ x 100 μ m の 8 μ x 16 μ m。
- 単色モードで実行の実験用スリット サイズ ロールを増やす前に 6,000 および 22,000 の eV のエネルギーを入力して所望のエネルギーに、モノクロ メーターを移動します。
- 事前焦点 M201 ミラーを使用してビームの強度を調整します。
- モーターに行くことによってコントロール メニューを開く |表示。モーター リストからM201 ピッチを選択します。5 カウントがインクリメント イオン商工会議所 (IC) のカウント値を最大までジョギングします。
- モーターは、バックラッシ、だからゆっくりこの手順を実行、長いです。
- 蛍光 x 線を使用してサンプルをマップします。
- 初期化蛍光マッピング、からスキャン |蛍光 x 線スキャンメニュー。正しい名称に蛍光 x 線測定のためのファイル名とフォルダーの場所を変更します。
- 特定の要素の主要な排出ラインの 1 つを含む 2-20 keV のエネルギーの範囲で入力することによって、興味の最大 8 要素を追加します。
注: システムが単色モードで作業している場合、元素エネルギー範囲する必要があります少なくとも 1 ~ keV 単色エネルギー以下蛍光プロセスを誘導するために蛍光ラインを生成するために使用 (Beckhoffらを参照してください。16)。 - 上の x と y のモーターを使用して、どこのマッピングが行われるステージ ソフトウェアを 2 つの反対のコーナーにドライブを使用して、四角形の領域を定義します。セットアップ メニューで現在 Pos に設定をクリックして始点と終点の位置として設定します。
注: 段階の旅行制限内の任意のサイズのマップができます。 - 速度またはスキャンのドウェル時間を入力します。マップには、マップを定義する選択されている斜め向かいコーナーを参照してくださいに開始および終了するボタンを押すことによってサンプルの ROI がカバーしていることを確認します。
- [スタート] ボタンをクリックしてスキャンを開始します。この時点で、測定はすべてのポイントがスキャンされるまで続行されます。
注: プログラム モーターの位置に対応する各行各列モーター、総着信ビーム強度、測定要素の強度などこれらは、任意の replot できますなど読み出しに対応値のテキスト ファイルが保存されます。グラフ作成プログラム。測定プログラムは、リアルタイムで要素のマップも表示されます。
- X 線回折を使用してサンプルをマップします。
- すべてのデータが書き込まれるメインのフォルダーを生成するデータ収集プロセスのため x 線回折スキャン] ウィンドウでユーザー名を入力します。
- サンプル名を入力します。
注: サンプルのすべての回折パターンはこの名前のフォルダーになるし、彼らは sample_name_xxxxx.tif、xxxxx は通常 00001 から始まる番号の文字列のラベルを付けます。 - X と y のモーターをスキャン"上 X"と"上の Y"が選択されているを確認します。システムは、行われている実験の種類によって、利用できるビームライン モーターの多くをスキャンする設計されています。ほとんどのシナリオでは、スキャンが実行されるいずれかの xy、xz、または単色エネルギー (単結晶ピーク位置をマップするこれは 1 D スキャン)。
- X 型と y の開始と終了位置地図。
- X 型と y サイズをステップ実行し、露出時間のパターンします。
メモ: 完全な白のビームを使用してスキャンを単結晶は、ビーム光束は桁違いに単色のスキャンよりも大きいので速く進みます。その結果、結晶パターン露光がち < 1 秒、モノクロ スキャン露光 (粉末回折など) は、> 10 s にする傾向があるに対し。ステップ サイズと露出時間を入力した後、プログラムは全体マップを収集するために必要な総スキャン時間を見積もる。 - マッピングを開始する再生ボタンをクリックします。
注: プログラムが今自動的に指定されたモーター位置/マップのピクセルに移動し回折パターンを記録し、マップが完全に .tif ファイルのシーケンスとして記録されるまで各ピクセルを進行します。
2 プロセス データ ビームライン開発を使用して x 線回折解析ソフトウェア (クリスマス)17
- ロード パターン
- オープン クリスマス17。ファイルに行くことによって回折パターンを読み込む |イメージを読み込むパターンを選択するとします。画像に行くことによって検出器バック グラウンドを引く |合わせて、背景を削除する。
- パラメーターに行くことによって校正ファイルの読み込み |校正パラメーター。負荷 Calibをクリックし、適切な校正パラメーター ファイルを選択します。
注: 校正パラメーター ファイル、ピクセル サイズの比率 (これは常に固定)、(サンプルの focal point) 検出器中心と検出器距離などの情報が含まれます検出器角度位置、パタイト (x の検出器の中心)、ycent (y 軸方向の検出器の中心)、ピッチ、ヨー、および単色光を使用している場合、検出器、サンプルの向きだけでなく、波長のロールで。
- プロセスの単結晶データ。
- インデックス パターン
- パラメーターに行くことによって標準的な結晶構造ファイル (.cri) を読み込む |結晶構造し適切なファイルを選択します。応力値を計算する必要がある場合、材料の 3 番目の順序弾性テンソル マトリックスを含む剛性ファイル (.stf) の読み込み。
メモ: .cri ファイルが含まれますスペース グループ番号には、すべての六つは格子パラメーター、ワイコフ原子位置と原子の種類、分数座標、および占有の数。 - 結晶粒の方位を計算するパラメーターに移動 |ラウエの結晶配向パラメーター。「Hkl 垂直な平面」の平面と平面の向きに入力します。
- 解析に行くことによってサンプルのピークを見つける |ピーク検索。
- 5 ~ 50、回折パターンの強度に応じて値をピークしきい値 (例えば信号/雑音比) を選択します。
- クリックして、行く!ピーク検索を開始するボタン。プログラムによってピックアップいない任意のピークを追加し、任意のデッドのピークを取り除きます。
- 解析に行くことによってインデックスを初期化 |インデックス処理の Laue。
- パラメーターに行くことによって標準的な結晶構造ファイル (.cri) を読み込む |結晶構造し適切なファイルを選択します。応力値を計算する必要がある場合、材料の 3 番目の順序弾性テンソル マトリックスを含む剛性ファイル (.stf) の読み込み。
- 緊張やストレスを決定します。
- 応力を定量化する必要はありません、する場合は、この手順を実行します。それ以外の場合、パラメーターに行く |結晶構造結晶構造に関連付けられている剛性ファイル (.stf) を読み込むとします。
注: ファイルは、特定の材料の 3 次剛性テンソル マトリックスで構成されています。例は、クリスマスのソフトウェアを提供しています。 - 応力パラメーターを選択します。
- パラメーターに行く |ひずみ/校正ラウエ洗練されたパラメーター。右側にある実験システムの校正パラメーターと左側にあるひずみ洗練されたパラメーターと、新しいウィンドウが開きます。
- サンプルの適切なひずみ洗練されたパラメーターを選択します。
- 結晶配向性の改良が必要な場合の方向を絞り込むボックスを選択するを確認します。
- 解析に行くことによってひずみの計算を初期化 |絞り込み/校正をひずみ。
- 応力を定量化する必要はありません、する場合は、この手順を実行します。それ以外の場合、パラメーターに行く |結晶構造結晶構造に関連付けられている剛性ファイル (.stf) を読み込むとします。
- 計算し、2 D マップを表示します。
- 自動分析から解析プロシージャを開く |ラウエ パターンの自動解析を設定。新しいウィンドウが開きます。
- [画像ファイルのパラメーター] をクリックして、... ボタンをクリックし、マップ シーケンスの最初のファイルを選択。最後工業で、シーケンスの最後のファイルの番号を入力します。ステップは一般に 1 に設定されます。これが true の場合# ポイントはマップ ピクセルの合計数を今する必要があります。ファイル パラメーターを保存ファイル名を入力します。
注: パスは無視できます、クラスター計算の場合は、読み取られませんよう。 - ソルバー パラメーターを設定します。
- ソルバー ディレクトリの下には、ユーザー ディレクトリに入力します。これは、ときユーザーを求めるソルバーからクラスター アクセスが割り当てられます。
- イメージ ディレクトリの下データが現在置かれてクラスター上のファイルの場所を入力します。
- ディレクトリを保存、下処理済みのファイルを保存する場所クラスターにファイルの場所を入力します。
- ノードの注意、[計算に使用するノードの数を入力します。
注: マップ ポイントの合計数はノード数で割り切れるはずです。 - ソルバーのファイルを作成を指示ファイルを生成し、それを保存するをクリックします。このファイルは .dat 形式になります。
- [画像ファイルのパラメーター] をクリックして、... ボタンをクリックし、マップ シーケンスの最初のファイルを選択。最後工業で、シーケンスの最後のファイルの番号を入力します。ステップは一般に 1 に設定されます。これが true の場合# ポイントはマップ ピクセルの合計数を今する必要があります。ファイル パラメーターを保存ファイル名を入力します。
- ソルバーのクラスターに .dat ファイルをアップロードします。
注: 通常、これは、WinSCP などのデータ転送プログラム。 - (ソルバー アカウントにログイン) ターミナル ウィンドウから実行可能ファイル XMASparamsplit_new.exe を実行します。プロンプトが表示されたら、ソルバーの .dat ファイルの名前を入力します。
注: プログラムを今実行してノードがシーケンスの各イメージ ファイルを処理に割り当てられます。ノードには、その計算が完了すると、データは「サンプル名」.seq.、.seq は、ローカル マシンにファイルをコピーというシーケンス ファイルに追加されます。 - .Seq ファイルを開きます。
- クリスマスは、分析をクリックして |読み取り解析順。これは、新しいウィンドウが開きます。
- ンとして読み込むをクリックしてローカル マシンから .seq ファイルを選択する .seq リストを読み込みます。
- 表示をクリックしてマップを表示これは、新しいウィンドウが開きます。2D z プロットの z 値に対応する列を選択するには、ドロップ ダウン メニューから選択します。
- データをエクスポート、リストとして保存をクリックして、.txt ファイルや .dat ファイルとして保存します。
注: このファイルの内容は、必要な場合、別プロット プログラムにアップロードされることができます。
- 自動分析から解析プロシージャを開く |ラウエ パターンの自動解析を設定。新しいウィンドウが開きます。
- インデックス パターン
- 粉末回折データを処理します。
注: は集まって解析のいくつかの種類を可能にしています。これらは広く 3 つのカテゴリに分類されます: 特定のフェーズの 1 つの代表的なピークを使用してまたは 1 つのピークの配向をマッピングの位相分布マッピング 2 θ、上パターンが全体の統合。- 2 θ の関数としてパターン全体を統合します。
- 解析に行く |2theta に沿って統合。パターンのピクセル上にマウスを移動して表示される 2 θ の値を読んで見つけることができるパターンの角度をカバーする 2 θ 範囲を選択します。
- Χ (方位角) の範囲を選択します。
注: ここでは、全方位範囲することができますユーザーの好みに応じて選択、または単に特定の領域。 - 統合に移動をクリックします。パターンを保存する保存をクリックします。
- 2 θ での 1 つのピークの統合、2 D 地図上にマッピングして段階の場所をマップします。
- (ただし、この時間は、パターン全体のサブセットのみに限定) 前の手順のように 2 θ と χ の範囲を選択します。
注: 通常、関心の特定のフェーズの代表的な 1 つだけピークを選択。他の段階と任意の重複を持っている、理想的なピークが期待されることはないです。 - フィット関数 (ガウスまたはローレンツピークプロファイル) を選択し、「Go」ボタンをクリックしてしてピークを合わせて。フィットは続行する前に良いことを確認してください。
- 自動解析へフェーズ位置をマップする |チ ・ twotheta 解析を設定;新しいウィンドウが開きます。パス、開始と終了番号と結果のファイル名を選択し、矢印をクリックして、スキャンを開始します。
注: プログラムが、今、各パターンで以前フィットのピークをマップし、強度、幅、位置、および結果ファイルにマップされたピークの d 間隔をログに記録します。結果ファイル (通常はテキスト ファイル) はプロット プログラムにアップロードしたりユーザーがプロットできます。
- (ただし、この時間は、パターン全体のサブセットのみに限定) 前の手順のように 2 θ と χ の範囲を選択します。
- Χ の間で 1 つのピークを統合し、2 D 地図上でマッピングして優先配向をマップします。
- 解析に行く |Chi に沿って統合。新しいウィンドウが開きます。前に、最寄りの向きを表示するピークをカバー 2 θ と χ の範囲を選択します。
- フィット関数 (ガウスまたはローレンツピークプロファイル) を選択し、[ Go ] ボタンを押すことでフィットします。
注: プログラムに今いくつかビンに χ を分割、指定 2 θ 範囲にわたって各ビンの合計強度を計算します。Χ の機能として強度のプロットになります。収まらないときは、最高強度の角度が示されます。 - 自動解析に行くすべてのファイルにマップする |期集解析。パス、開始と終了番号と結果のファイル名を選択し、矢印をクリックして、スキャンを開始します。
注: プログラムに、すべてのパターンで同じピークをマップ、モーター位置の関数としての結果を含むテキスト ファイルを生成します。これらは、任意の作図プログラムで、プロットできます。
- 2 θ の関数としてパターン全体を統合します。
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Representative Results
ラウエ回折
自然モアッサ ナイト (SiC) サンプル18最近の測定と分析を行った。サンプルだったし、カットして投資収益率を公開する研磨エポキシ プラグに埋め込まれた凝灰岩の部分成っていた。3 モアッサ ナイトの粒は、光学顕微鏡とラマン分光 (図 1 a) を使用して識別されました。ネイティブ シリコン (Si)18を含む SiC 2 (図 1 b)、穀物の 1 つと考えられました。X 線測定の目的は、炭化ケイ素の相と試料中のケイ素の結晶性を識別することだった。
両面テープを使用してスライド ガラスに録音されたサンプルとスライドし、従来のステージのブロックに接続されていた。標準的なシリコンは、手順に記載されている検出器のジオメトリのキャリブレーションに使用された、それの横に置かれました。標準のシリコン (001) 表面を露出するカット無歪、ラボ製のシリコン単結晶成っていた。サンプルと標準の χ でステージ上に配置された 45 ° = 検出器の位置が 90 ° x 線ビーム伝搬方向を基準にして、。
大まかなサンプル位置はビームラインにカメラ配置システムを使用して配置されました。このサンプルは、蛍光 x 線分析 (図 1 c) を使用してマップされていた。ケイ素と炭素は蛍光 x 線検出器によって検出するのには軽すぎるので、クリスタルの場所を求めた蛍光 x 線強度の不足に基づく周辺の行列は Ca や Fe リッチ。蛍光 x 線分析マップは、XRD マップの境界を正確に判断に使用されました。
1,064 μ x 1,080 μ m 地図は、x と y の両方向で 8 μ m ステップ サイズを使用して定義されました。合計 17,955 ラウエ回折パターンは、0.5 s 露光時間を使用して記録しました。モアッサ ナイトのインデックスは、2 つの最も一般に見つけられた自然炭化ケイ素多形、4 H-sic し、6 H 炭化ケイ素、クリスマス ソフトウェアおよびローカル クリスマス コンピューティング クラスターの使用をしようとしました。データ セットの処理はこの方法の下で 20 分かかった。
4 H-sic し、6 H-sic の両方が六角形 (P63mc) 結晶構造の主な違いは各構造体 (6 対 4) のレイヤーの数とそのための長さとc軸に沿って Si と C の層を交互に構成される、c軸 (4 H-SIC: = 3.073 Å、c = 10.053 Å 6 H-sic;: = 3.073 Å、c = 15.07 Å)19。ピーク強度 (図 2 a) の最初の検査は、顕微鏡と蛍光 x 線像図 1からモアッサ ナイトの両方で明らかに対応しています。インデクセーションの初期の試みは、開始モデル (図 2 b) として 4 H-sic を使用して行われました。サンプルの体からパターンの手動分析、4 H-sic フィッティングが良いことを示します (図 2 c)、およびそれは明確な水晶のほとんどが (図 2 b) 4 H-sic としてインデックス付けすることができます簡単にこれらの結果をマッピングするとき。サンプルを多結晶では、良い、6 h 炭化ケイ素のインデックスは、手動で調べてみると、右下に領域が表示されます (図 2)。
6 H-sic インデックス マップ (図 3 a) を見ると、1 つの領域は低索引の成功を持っていると目立ちます。内実は、広範かつ不規則な回折のピークのいくつかの重複する回折パターン (図 3 b-d) を観察できます。これらのインデックスとしてシリコン。少なくとも 3 つの結晶は同じ地域 (図 3) の重複するインデックスもあります。個々 のピークの精密検査時に、各結晶粒がいくつかサブグレインから構成されていると重要な塑性変形、3 D ピーク形状 (図 3e-g)、によって示されるがシリコンに存在するそれ見ることが。
粉末回折
オリーブ カタツムリ殻 (オリバ fulgurator、グランド ケイマン島) の回折地図を用いて縦断面。シェルは、カットされたシェルを公開する荒磨きした後エポキシ パックにマウントされていた。両面テープと χ のステージ回転ステージにサンプルのついた、= 15 ° (図 4) の関心の潜在的な位相を決定するテスト パターンを記録しました。蛍光 x 線分析マップは、サンプル モーター座標 (図 5 a-b) を検索する Ca や Fe を使用して撮影されました。
回折の検出器に置かれたサンプル、およびビームに関して 50 ° 8 monochromated keV (1.5498 Å)。粉末回折パターンは 10 秒露光時間を使用して 20 μ m ステップの 2,380 x 460 μ m 領域に引き継がれました。2,737 収集した粉末回折パターン一致している全体の測定を通してアラゴナイトの明確に。(040) の幅、間隔、および χ (テクスチャの定性的測定) として最大強度の方位角パターンごとに算出し、プロットすると、特定の方向とピーク位置/d-間隔 (図 5 c- の間の相関関係を示す f)。クリスマスを計算は自動化されており、このデータ セットは 1.5 h 未満のデスクトップ コンピューターで処理されました。
図 1.モアッサ ナイト サンプル(、) モアッサ ナイトのサンプルはエポキシ パックに埋め込まれています。3 モアッサ ナイトの結晶は光学的に識別できます。(b) 高倍率顕微鏡画像関心領域の。(c) x 線蛍光マップ サンプルの。蛍光 x 線分析は、2,000 20,000 eV からすべての強度を測定します。Si と C の k α1輝線は 1,740 と 277 の eV をそれぞれなのでモアッサ ナイト サンプルは測定された強度の不足によって識別できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2.単結晶の indexing モアッサ ナイトの。すべての測定パターン (を) 平均のピークの強度。モアッサ ナイトのメインのアウトラインは、簡単に見ることができます。他の高輝度領域または他のケイ酸塩に対応して周囲のホスト マトリックスの一部であるフェーズを炭酸塩します。(b) 4 H-sic の段階でインデックスのピークの数。サンプルでは不一致間形 (a) と (b) サンプルの露出された表面の下からモアッサ ナイト回折が原因です。(c) クリスタル本体からパターンのインデックス。正方形: ピークはモデルによって合います。サークル: モデルによって予想されるピークが、回折パターンに見つかりません。4 H SiC より良いフィットと予測しない追加のピークとピークを認めすべてフィットを提供します。(d) サンプルのフィットより貧しい地域からパターンのインデックス。ここでは、6 H-sic より良い一致を提供します。4 H-sic 単結晶本体からパターンもわかるように、強い 6 H-sic パターンの基礎となります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3.マルチグレイン Si を変形塑性のインデックスします。クリスマス17によってインデックス (、) 数の 6 H-sic のピーク。黒のシリコンのピークが最も強烈なシリコンは、試料の表面にさらされるエリアの通りです。(b-d)囲まれた領域内で観察できる 3 つの Si 結晶粒に。(c) 粒の (-113) ピークおよび (d) の穀物の (1-13) のピークを含むパターンの詳細 (e) 表示します。矢印の表示の方向を示します: (f)、垂直;(g)、水平方向。(F) 現在の倍率でおよび (g) (騒音信号 = 25)、このサンプルではシリコンの塑性変形に伴うサブグレインの形成を示すこれらの 2 つのピークのいくつかの他の極大があることを見ることができます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4.オリーブのカタツムリの殻のアラゴナイト パターン。(は) 原料オリーブ カタツムリ シェル パターンのパターン、アラゴナイト (赤) オーバーレイ。2 θ と χ の統合の方向性が示されています。(b) 1 次元統合オリーブ カタツムリ シェル パターン。Λ = 1.54982。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 5.オリーブ カタツムリ シェル マップします。(、) カリフォルニア州の正規化された x 線蛍光性 (XRF) と Fe (b)。アラゴナイト (040) 値幅 (c)、(d) (e) 統合された強度、(f) χ 角度 d 間隔。白のピクセルは、不足しているピクセルに対応します。黒いバーは、上記 M201 ミラーは返されたマップ内の場所に対応します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
ALS のビームライン 12.3.2 複合 x 線回折と結晶試料の蛍光 x 線分析法を提案する.ラウエ回折、粉末回折も蛍光 x 線中自身が新しい手法、ビームライン 12.3.2 ミクロン スケール x 線ビーム径、検出器露出トリガー、および包括的に関連付けられているスキャン ステージ システムと同様に、それらを組み合わせた実験実験室の器械の不可能を可能にする解析ソフトウェアです。ビームライン光量子束は、数桁の実験室の器械で達成可能なより高いです。さらに、典型的なラウエ回折実験器具のみ単結晶方位測定用に設計されたが、研究所粉末回折のみ一括測定のためデザインされています、任意のスケールでのマッピングが可能ですし、梁サイズ寸法はミクロンの数百を越えます。プロトコルで解決されなかった、このビームラインのもう一つの主な利点は、その場で実験することができ、日常行われることです。加熱と冷却の機能であり、典型的なサンプル サイズを基準にして計測器の大きな作動距離もダイヤモンド ・ アンビル ・ セルなど、自分の段階を持って来、このラウエや粉の回折を実行できます、ビームライン方法6。
結合された蛍光 x 線/ラウエ計測は、E/WDS と EBSD 測定 SEM に匹敵します。これらの技術は、地球科学に取り入れられて、位相識別と決定的角度分解能20使用ことができます。しかしビームライン 12.3.2 E/WDS と EBSD SEM の上のいくつかの利点があります。ここで説明する手順ではデータは標準温度および圧力で収集できる、SEM. EBSD はサンプルの表面に非常に敏感なサンプルに必要な真空システムに配置するための特別な準備しなければならないので、および表面の結晶格子を破壊するために研磨で多くの配慮が必要になります。対照的に、ラウエ回折はやや一括法;x 線ビームの浸透は、回折の信号のほとんどは、トップ 〜 10 μ m からくるが限り 100 μ m を達することができます。導電性コートが既に適用されて場合、サンプルの回折見ることがまだできる簡単にラウエ回折の場合 (コーティングし、多結晶白ビーム モードでコヒーレント信号は生成されません)、EBSD の場合難しいこともあります。また、EBSD ができない重度のプラスチック変形を経験しているサンプルの可能性がありますがラウエ回折は日常的にこのようなサンプル (図 3) に対しています。どちらの方法も高速。結晶性のサンプルでは、最大 10,000 のラウエ パターンを収集できます時速。ただし、ラウエを使用しての欠点は検査 SEM は、潜在的に高いコストを対放射光時間の量に制限を含める (放射光時間はユーザーに無料で、物理的なアクセスによってカバーされていないいくつかの旅行のコストする必要があります、放射光施設) (研究所 E/WDS システムである) 定量元素分析を行うことの難しさ、最後に、SEM ソフトウェアありますクリスマスよりユーザーフレンドリー ソフトウェア開発チームは、一般的にはるかに大きいと商用ソフトウェア製品。
テクニック内でいくつかの手順が重要です。確度の高い歪みまたは d 間隔の結果が必要な場合、適切な校正は欠かせません。フォーカル ポイントは、実行されているその他の実験の前に、校正手順とは無関係の異なる焦点距離で入射ビーム幅を測定することによって決定されます。(使用 calibrants、合成シリコン、合成石英、イットリウムアルミニウムガー ネット、または行われている実験の種類によって、アルミナ粉) calibrant として同じ高さ (z) に校正を実行すると、サンプルを上げる必要があります。.しかし、浅いまたは斜角度、配置のサンプルの場合 Z 方向に微小変位 Y でかなり大規模な変位につながるできその結果焦点距離を基準にして回折のサンプルの位置に大きな変化のポイントし、ビーム。位置エラーが観察されている場合、サンプル マップでの平均値がマップされた系統外 calibrant ではなく、平均値を基準にして合理的なサンプル-検出器 calibrant として機能できることがわかります。このサンプルの幾何学は地球物理学では、大型主に閉じ込められたより少なく共通 (> 4 Å) 単色光を用いた反射ジオメトリの d 間隔を測定しなければなりません。インデクセーションとひずみの計算の calibrant ピークの角度の関係から任意の偏差を「既知の」検出器位置の偏差から来ると見なされますので、緊張して、するサンプルを想定する校正を実行すると、サンプルでは。サンプルひずみを計算する場合、検出器パラメーターは任意の偏差がサンプルで偏差ひずみの結果として扱われますので、よく知られていると見なされます。その結果、改良の 2 つのタイプの相関が高まると一度に 1 種類のみを使用する必要があります。
ケアは、データを処理するときにも取られなければなりません。田村17クリスマスの背後にある数学的なプロセスの詳細を見つけることができます。プログラムが別のウィンドウを開きますインデクセーションとひずみの洗練さは、それぞれの実行時ピーク hkl、ピーク エネルギー、強度、結晶、偏差ひずみパラメーター等の向きなどの情報量の多い場合、正しいプログラムはまた、応力テンソルと MPa の単位で表示しても、値の変化を計算応力-ひずみ関係を使用して、剛性テンソルが使用されました。これらのプロセスを自動化する、3 つの異なる方法が存在します。ソルバーのメソッドはここで表示されますが、オートメーションはローカル マシン上またはローカル クラスター上進むことも。すべてのケースで出力は多くの個々 のインデクセーションのように同じ情報を含む .seq ファイルになります、ひずみ洗練された出力ウィンドウ、各行が 1 つの回折ピクセルと一致するように集計。一般に、オートメーション プログラムはよい最初推測をして良好な結果を確保するために依存します。たとえば、一致するピーク (40 +) の数が多いを持つ 4 H-sic として、モアッサ ナイト (図 2 b)、場合 6 H-sic 領域内のピクセルをインデックスでした。インデックス付きのピーク (図 2 b) の地図を見ると、こと 6 H-sic 領域はインデックス付けされない正しくピクセルあたり 70 以上のピークを正しくインデックス領域に収まる単純な事実から明らかです。4 H-sic としてインデックスを作成、それ見ることができるすべてのピークが、結晶構造が無能であることを示す (図 2 d) にフィットします。サンプルのミスフィット領域を手動で調べ、サンプルが多結晶であることが明らかになります。4 H-sic 結晶のピークは、広く検出器イメージ図 2 cのように同じ位置に視覚的に識別することができます。別より強い強度パターンは上にあります。このパターン 6 H-sic (図 2 d) としてインデックスを作成することができます。サンプルには、これらの 2 つの領域とその近縁のユニットの間のコントラストのセル インデックス処理するとき心配が取られなければならないことを示すに役立つピークの数が多いは、例のように、どこ 4 H-sic 正しくマップされませんをピークに 〜 40) インデックスがある場合でもモデルが間違っている、まだあります、手動による確認が必要です。(予想ですが見つかりません) 行方不明の反射のおよび/または非インデックス付き反射の割合は、misindexation の良い指標を提供します。しかし、手動で検証はこの領域が異なる方向 (可能性のある目に見えるピークの数が異なる) の対象となったかどうかを決定する必要がある、塑性変形しただったまたはナノ結晶 (これはピーク見つけることにトラブルにつながる可能性がありますプロトコル)、またはここの場合と同様に misindexed だった。この例では、サンプルについての結論を描画できる前に初期の自動マッピング結果追加の検証が必要であります。
図 5には、発生する重要な問題の数も表示されます。たとえば、Fe 蛍光信号に表示されます向きと相関と d 間隔に最初のプロットでは、これらのバリエーションが組成変化によることを示唆します。ただし、(礼儀中国西安交通大学、西安、甲斐陳グループ) SEM/エネルギー分散分光法を用いた検証されると、組成の変化は観察されなかった。これを蛍光 x 線で異常なまたは予期しない信号変化を手動で確認する必要があります示しています。この場合、個々 の蛍光 x 線スペクトルを再測定し、強度の増加が幾分 Fe 信号と一致した回折格子として機能したシェルの異なった配向層が原因だったことを決定します。この測定誤差が発生した理由は広く二重されています。第一の理由は、(回折では、回折格子によって引き起こされるかもしれないなど) から弾性信号は検出器によってピックアップ可能性が増加、白色 (白色) のビームを用いた蛍光 x 線信号が誘導されたことです。2 番目の理由は、どの蛍光 x 線データを取得する方法: 蛍光 x 線マップを自動化すると、生のスペクトルはピクセルごとに保存されません。むしろ、特定のスペクトル範囲にわたって合計数はピクセルごとに集計、.txt の出力ファイルに保存されます。この特定のマップの場合、Fe 信号は実際に 6,200 7,316 eV、それは蛍光 x 線検出器を目指して、その範囲内で任意のエネルギーを引き起こす回折格子は知覚の Fe 濃度でスパイクになりますので合計強度を測定します。これを別の潜在的な誤りをもたらす: 元素範囲を充分に考慮し、選択したピークがサンプルを含んでいる他の潜在的な要素と重複しないような方法で、測定の開始前に選択する必要があります。さらに、特定のピクセルで蛍光 x 線スペクトルの手動による確認では、スペクトル見て特定の要素のための合理的であるかどうかを確認できます。また、単色の蛍光スキャンこのスパイクを引き起こした回折ピークが生成されず、モノクロ スキャンは低磁束のため時間がかかります。
図 5 c-d、主に不足しているピクセルの 1 つまたは 2 つの行を観察できます。これらのデータ ポイントが収集されたが、これらの特定のパターンのピークのフィッティング プログラムに失敗しました。この場合、クリスマスに苦労して統合プロトコルを通して長い測定 x 線ビームの吹きだまりができていたので、光束の低下に 。これはピーク強度が劇的に増加した後、データ収集中に手動で修正されました (図 5e)。ビームを信号対雑音比が処理するデータに対して十分な大きさであることを確認する、データ収集プロセスを通して監視することが重要です。データ収集ソフトウェア自動的に停止、IC カウント ユーザーが定義したしきい値を割り込んだ場合コレクションを再起動する機能があります。
今後の開発は減少ビームサイズ、減少コレクション時間、ビーム安定性、およびデータ収集中にサンプル視覚化に適した光学系の改善に焦点を当てます。また、サード パーティのソフトウェアへのユーザー アクセスに依存しないデータの解析のため独立した、改良されたソフトウェアの新しいプラットフォームの開発に取り組んでいます (例えば、クリスマス現在必要を IDL のランタイム バージョンの使用、データの可視化のインターフェイス)。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この研究には、いいえユーザー施設契約の下で科学の DOE のオフィスである高度な光ソースのリソースが使用されます。デ-AC02-05CH11231。また夫妻・ l ・ Dobrzhinetskaya とモアッサ ナイト サンプルを貢献するため E. オバノン、スティワート オリーブ カタツムリ シェル データのオリーブのカタツムリの殻を準備するため H. 沈と周と教授 K. 陳オリーブのカタツムリの EDS 測定にしたいと思いますシェル。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ThorLabs KB3x3 kinematic base, top half | ThorLabs | KBT3X3 | Several of these bases are available for borrowing. The base must be the imperial and not the metric type, otherwise it will not properly fit on the stage. |
| Scotch double sided tape | Available at any office supply store, and also at the beamline | ||
| Polyimide/Kapton tape | Dupont | Several widths are commercially available. Any width that is enough to cover the sample is fine. | |
| Samples | Provided by user, site of interest should be polished if larger mapping is desired. | ||
| Software: XMAS | Downloadable here https://sites.google.com/a/lbl.gov/bl12-3-2/user-resources | ||
| Software: IDL 6.2 | Harris Geospatial Solutions | ||
| X-ray Diffraction Detector | DECTRIS Pilatus 1M | hybrid pixel array detector | |
| Huber stage | stage for detector | ||
| Vortex silicon drift detector | silicon drift detector | ||
| IgorPro v. 6.37 | Plotting software |
References
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