Summary
Мы описываем излучение установки предназначены для выполнения быстрого двумерного рентгеновской флуоресценции и рентгеновского microdiffraction отображение образцов одного кристалла или порошок с помощью Лауэ (полихромные излучение) или порошка (Монохроматическое излучение) дифракции. Результате карты дают информацию о деформации, ориентации, фаза распределения и пластической деформации.
Abstract
В настоящем докладе мы описываем подробные процедуры для получения и обработки рентгеновских microfluorescence (μXRF) и Лауэ и на излучение 12.3.2 из Advanced света источника (ALS), Лоуренса Беркли национальной карты порошок microdiffraction двухмерного (2D) Лаборатория. Измерения могут быть выполнены на любой образец, который меньше, чем 10 см x 10 см х 5 см, с плоской поверхностью подвергается. Экспериментальная геометрия калибруется с помощью стандартных материалов (элементарного стандарты для РФА и кристаллических образцов, таких как Си, кварц или Al2O3 для дифракции). Образцы выровняны к координационным центром Микролучевой рентгеновского и растровые сканирование выполняются, где каждый пиксель карты соответствует одно измерение, например, один РФА спектра или одной дифракционной картины. Затем данные обрабатываются с использованием собственного программного обеспечения XMAS, который выводит текстовые файлы, где каждая строка соответствует положение пикселя. Репрезентативных данных от муассанит и оливковых улитки корпуса представлены для демонстрации качества данных, сбора данных и анализа стратегии.
Introduction
Кристаллический образцы часто отображения гетерогенности на шкале микрон. В прикладным выявление минералов, их кристаллической структуры и их этап отношений в 2D систем имеет важное значение для понимания как физика и химия определенной системы и требует пространственно решен, количественные техники. Например отношения между минералы могут рассматриваться на основании фазы распределения в рамках локализованных 2D региона. Это может иметь последствия для истории и химического взаимодействия, которые могли иметь место в пределах Скалистых тела. Кроме того можно изучить структура материала одного минерала; Это может определить виды деформации, что минерал были или в настоящее время подвергается (например в случае эксперимента деформации в situ с устройством как алмаз наковальня клеток). В прикладным эти анализы выполняются часто, используя комбинацию растровая электронная микроскопия (SEM) с энергией или волны дисперсионные рентгеновской спектроскопии (E/WDS) и обратное рассеяние дифракция электронов (EBSD). Однако подготовка образца может быть трудно, с участием обширные полировки и крепления для вакуумных измерений. Кроме того EBSD является поверхности технику, которая требует относительно нефильтрованное кристаллов, что бывает не всегда для геологических материалов, которые, возможно, испытали подъем, эрозии или сжатия.
Характеристика пространственно решена с использованием 2D рентгеновских microdiffraction и сопоставления РФА, как доступен на излучение 12.3.2 ALS, является быстрый и простой способ сделать большой площади карты одного или многофазных систем, где размер кристалла на шкале несколько нанометров (в случае поликристаллических образцов) для сотен микрон. Этот метод имеет много преимуществ по сравнению с другими широко используемых методов. В отличие от других методов отображения 2D кристалл, например EBSD microdiffraction образцы могут быть измерены в условиях окружающей среды и таким образом не требуют специальной подготовки, как нет никаких вакуумной камеры. Microdiffraction подходит для кристаллов, которые нетронутой, а также те, которые пережили тяжелые деформации или пластической деформации. Образцы, такие, как тонкие разделы часто рассматриваются, как встроенный в эпоксидных материалов, или даже скалы или зерна в неизмененном виде. Сбор данных осуществляется быстро, обычно меньше, чем 0,5 s/пиксель для Лауэ дифракции, менее чем в 1 мин/пиксель для порошковой дифракции и менее 0,1 s/пиксель для РФА. Данные хранятся локально, временно на локальное хранилище и более постоянно в центре национальных энергетических исследований научных вычислений (NERSC), из которого легко скачать. Обработка данных для дифракции может выполняться на локальном кластере или на кластере NERSC в возрасте до 20 мин. Это позволяет для быстрого пропускную способность в сборе и анализе данных и большой площади измерений за короткий период времени, когда по сравнению с лабораторных приборов.
Этот метод имеет широкий спектр приложений и был использован широко, особенно в области материаловедения и инженерных, чтобы проанализировать все от 3D-печати металлов1,2, к панели солнечных батарей деформации3, напряжение в Топологическая материалы4, памяти сплава фазу переходы,5высокого давления поведение нанокристаллических материалов6,7. Последние прикладным проекты включают в себя анализ деформации в различных кварц образцы8,9 вулканических процессов цементная10,11, а также biominerals как кальцита и арагонита в раковины и кораллов12,13 или апатита в зубы14и дополнительные исследования на распределение фазы метеоритов, структуры минерала идентификации новых минералов и ответ пластической деформации в высокого давления также были собраны кремнезема. Методы, используемые на излучение 12.3.2 применимы для широкого круга образцов, относится к любому в минералогическом или petrological общины. Здесь мы приводим протокол сбора и анализа данных для излучение 12.3.2 и настоящий несколько приложений, чтобы продемонстрировать полезность комбинированного РФА и Laue/порошок microdiffraction техники в области наук о земле.
Прежде чем вдаваясь в экспериментальной деталь, это уместным обсудить установки конечной станции (см. рис. 1 и рис. 4 Кунца и др. 15). рентгеновский луч выходит из хранения кольцо и направлено с использованием тороидальных зеркало (M201), целью которого является переориентировать источник на входе экспериментальной загон. Она проходит через набор рулон щели какая функция как вторичный источник точку. Он затем является monochromatized (или не) в зависимости от типа эксперимент, прежде чем проходящей через второй набор прорезями и ориентируясь на микронных размеров набором зеркал Киркпатрик-Баэз (КБ). Затем луч проходит через камеру Ион, чьи сигнал используется для определения интенсивности пучка. Ион камере прилагается отверстие, которое блокирует рассеянного сигнала от попадающего на детектор. Фокусированный луч затем встречает образца. Образец помещается поверх в стадию, которая состоит из 8 двигателей: один набор необработанных (Нижняя) x, y, z двигателей, один набор штрафа (верхний) x, y, z двигателей и два вращения электродвигателей (Φ и χ). Это могут быть визуализированы с трех оптических камер: один с низкой зум, помещены в верхней части камеры Ион, один с высоким зумом, расположенных в плоскости на примерно под углом 45°, рентгеновского луча и второй высокой зум камеры размещены под углом в 90 ° относительно t Он рентгеновского пучка. Этот последний работает лучше всего для образцов, которые ориентированы вертикально (таких, как эксперимент режим передачи), и изображений осуществляется с помощью клиновидные зеркала придают обскуры. Детектор рентгеновского дифракционного расположен на большой вращающейся сцене, и может управляться как угол, так и вертикальное перемещение детектора. Кремниевый детектор дрейф собирать РФА также присутствует. Образцы могут быть подготовлены любым способом, как открытые области интереса (ROI) плоский (на шкале микрон) и обнаружили или в не более чем ~ 50-100 мкм рентгеновского прозрачного материала, такие как ленты полиимидная.
Процедура ниже описывает эксперимент, который проходит в Светоотражающий геометрии и предполагает направление z является нормальным для образца и x и y являются горизонтального и вертикального направления сканирования, соответственно. Благодаря гибкости системы сцену и детектор, однако, некоторые эксперименты проводятся в передачи геометрии, где x и z направлениями являются горизонтальное и вертикальное сканирование направлениях, в то время как y параллельной прямой луч (см. Джексон et al. 10 , 11).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Установите излучение и сбор данных
Примечание: Стандарты калибровки и образцы собраны в том же порядке, с главным отличием лежащих в методе обработки.
- Маунт образца и закройте экспериментального загон.
- Прикрепить образец в верхней половине кинематической базы (см. Таблицу материалы) такие, что рентабельность инвестиций является вертикально смещен относительно базы по крайней мере 15 мм.
Примечание: Существует стандартный блок на излучение для использования с образцами < 20 мм толщиной. Нижняя половина кинематической базы постоянно установлен на системе этап излучение. - Место образца и база на вершине стадии внутри экспериментальной загон. Закройте экспериментальный загон.
- Прикрепить образец в верхней половине кинематической базы (см. Таблицу материалы) такие, что рентабельность инвестиций является вертикально смещен относительно базы по крайней мере 15 мм.
- Включите программы для сбора данных и управления излучение.
- Откройте программу управления излучение. Щелкните стрелку в левом верхнем углу для инициализации программы. Ждать для всех сигнальных огней на правой стороне зеленеть, указав, что программное обеспечение инициализирован.
- Нажмите на любой компонент излучение для инициализации панели управления для данного компонента. Это относится прежде всего к стадии перевода и к элементам управления, щели.
- Инициализируйте программного обеспечения сканирования дифракции рентгеновских лучей с рабочего стола.
Примечание: Это должно быть сделано только после того, как программа управления излучение полностью включена, в противном случае программы не могут правильно общаться, и сопоставление процедура не будет работать.
- Принесите образца в координационным центром рентгеновского пучка.
- Включите лазер выравнивание, нажав на кнопку с надписью «лазер».
- Перевести верхней x, y и z этапов с помощью меню Выравнивание стадии и нажав на кнопку вверх и вниз стрелки принести ROI образца в пределах приблизительное визуального внимания предварительное выравнивание камеры. Отрегулируйте расстояние, на которое каждый мотор может быть толкнул, введя нужное значение.
Примечание: Этапы моторизованные и контролируется с помощью программного обеспечения излучение. - Глядя на штраф фокус камеры, перевод двигателя верхний z до тех пор, пока пятно лазера выравнивается с отметкой на экране.
Примечание: Если этот маневр осуществляется последовательно для каждого образца, все параметры образца детектор останется то же самое.
- Выберите либо белый (полихромные) света или монохромный режим.
- Крен щели на входе экспериментальной загон для определения окончательного фокус demagnification и таким образом луч размер образца. Примечание: Они функционируют как исходную точку для рентгеновских лучей, до путем набора КБ зеркала находится ниже по течению от монохроматора. Рулон щели размер может быть увеличен для увеличения потока (например, в монохромный режим) за счет размера увеличение пучка на образце.
- Убедитесь, что правильной рулон щели, используется параметр: 8 µm x 16 мкм для приложений белый луч или 100 мкм x 100 мкм для монохроматического приложений.
- Для эксперименты, проведенные в монохромный режим переместите монохроматора требуемой энергии, введя в энергии между 6000 и 22000 eV до увеличения щели размер рулона.
- Настройка интенсивности пучка, используя предварительно фокусируя зеркало M201.
- Откройте меню элемента управления, перейдя в Motors | Дисплей. Выберите поле M201 из списка электродвигателей. Jog 5 игр с шагом до тех пор, пока значение счетчика камеры (IC) Ион развернуто.
- Двигатель имеет долгую люфт, поэтому эта процедура медленно.
- Карта образца с помощью РФА.
- Сканирует инициализации флуоресценции сопоставления от | РФА сканирование меню. Измените имя файла и папка место для измерения РФА на правильно обозначения.
- Добавьте до 8 элементы, представляющие интерес, введя в диапазоне энергий между 2-20 кэВ, который охватывает один из главных эмиссионные линии конкретного элемента.
Примечание: Если система работает в режиме монохромные, Элементаль энергетический диапазон должен быть по крайней мере ~ 1 кэВ ниже монохромные энергии используется для создания линии флуоресценции для того, чтобы побудить флуоресценции процесс (см. Beckhoff и др. 16). - Используя верхний x и y двигатели, определите где сопоставление будет проходить с помощью программного обеспечения стадии диск два противоположных углов прямоугольной области. Установите их как начальную и конечную позиции, нажав на установить текущий Pos в меню настроек.
Примечание: Карта может быть любого размера в течение установленного путешествия этапов. - Введите продолжительность сканирования или скорости. Убедитесь, что карта охватывает ROI для выборки, нажав кнопки Для начала и До конца , чтобы увидеть координаты противоположных углов, которые были отобраны для определения карты.
- Запуск сканирования, нажав кнопку « Пуск ». На данный момент измерения будет продолжаться до тех пор, пока все точки были отсканированы.
Примечание: Программа будет сохранить текстовый файл значений, где каждая строка соответствует положение электродвигателя и каждый столбец соответствует индикация мотор, всего входящего интенсивности пучка, измеренных элемента интенсивности, и т.д. , которые они затем могут быть replotted в любом графические программы. Программа измерения также отображает элемент карты в режиме реального времени.
- Карта образца с помощью рентгеновской дифракции.
- Введите имя пользователя в окне сканирования дифракции рентгеновских лучей для процесса сбора данных для создания основной папке, в которой будут записаны все данные.
- Введите имя образца.
Примечание: Все дифракционные текстуры для образца будет находиться в папке этого имени, и они будут помечены sample_name_xxxxx.tif, где xxxxx является строкой чисел, обычно начиная от 00001. - Убедитесь, что «Верхняя X» и «Верхний Y» выбираются в качестве x и y, сканирование двигатели. Система предназначена для сканирования через многие из доступных излучение двигатели, в зависимости от типа выполняемого эксперимента. Для большинства сценариев, проверка будет выполняться в любом xy, xz, или монохромные энергии (для сопоставления одного кристалла наивысшие позиции; это сканирование 1D).
- Тип в x и y начальной и конечной позиций для карты.
- Тип в x и y шаг размеров и картина время экспозиции.
Примечание: Сканирование одного кристалла, используя полный белый луч действовать быстрее потому, что луч flux является порядков больше, чем монохромные сканирования. Следовательно монокристаллов шаблон воздействия клонат быть < 1 s, тогда как монохромные сканирования воздействий (таких как порошковой дифракции) клонат быть > 10 s. После ввода время шаг размер и экспозиции, программа оценки общей проверки времени, необходимого для всей карте должны быть собраны. - Нажмите кнопку воспроизведения для запуска сопоставления.
Примечание: Программа будет теперь автоматически перейти к точке заданным мотор позиция/карты и записать дифракционный рисунок, а затем прогресс через каждый пиксель до тех пор, пока карта полностью записывается как последовательность .tif файлов.
2. обработка данных с использованием развитых излучение рентгеновских Microdiffraction анализ программного обеспечения (Рождество)17
- Шаблоны нагрузки
- 17открытых XMAS. Загрузить шаблон дифракции, перейдя в файл | Загрузить изображение и выбрав шаблон. Вычитание фона детектор, перейдя в изображения | Соответствовать и удалить фон.
- Загрузить файл калибровки, перейдя в Параметры | Параметры калибровки. Нажмите на Calib нагрузки и выберите файл параметров соответствующей калибровки.
Примечание: Калибровка параметр файл будет содержать информацию, такую как пиксель соотношение размеров (которая всегда фиксируется), детектор расстояние между (координатора на образце) и центр детектора, детектор угловое положение, xcent (центр детектора в x), ycent (центр детектора в y), шаг, рыскания и крена детектор, ориентация образца, а также волны, если с использованием монохроматического света.
- Процесс монокристаллов данных.
- Индекс шаблоны
- Загрузить файл структуры стандартных кристалл (.cri), перейдя в Параметры | Кристаллическая структура и выбрав соответствующий файл. Если значения напряжения должны быть рассчитаны, загрузите файл жесткость (.stf), содержащий третьего порядка тензора упругих матрицы для материала.
Примечание: Файл .cri будет содержать номер группы пространства, все шесть решетки параметры, количество Wyckoff атомной позиций атома, дробные координат и типов промежутком. - Чтобы вычислить кристалл ориентации зерна, перейдите на Параметры | Кристалл ориентировочные параметры Лауэ. Введите «hkl плоскости нормального «для в плоскости и вне плоскости ориентации.
- Найти пример пиков, перейдя в анализ | Поиск пик.
- Выберите значение от 5 до 50, в зависимости от интенсивности дифракционной картины пик порога (например, соотношение сигнал/шум).
- Нажмите кнопку Go! кнопку, чтобы начать поиск пика. Добавить любой вершины не выбрали программу и удалять любые мертвых пиков.
- Инициализировать индексации путем идти к анализ | Лауэ индексации.
- Загрузить файл структуры стандартных кристалл (.cri), перейдя в Параметры | Кристаллическая структура и выбрав соответствующий файл. Если значения напряжения должны быть рассчитаны, загрузите файл жесткость (.stf), содержащий третьего порядка тензора упругих матрицы для материала.
- Определите напряжение и стресс.
- Если стресс не нужно быть количественно, пропустите этот шаг. В противном случае, перейдите на Параметры | Кристаллическая структура и загрузить файл жесткость (.stf), связанный с кристаллической структуре.
Примечание: Файл состоит из матрицы тензор третьего порядка жесткости для конкретного материала. С программным обеспечением XMAS приводятся примеры. - Выберите параметры стресса.
- Перейти к параметрам | Напряжение/калибровка Лауэ уточнение параметров. Откроется новое окно, с параметры калибровки для экспериментальной системы на правой стороне и уточнение деформации на левой стороне.
- Выберите соответствующие штамм уточнение параметров для данного образца.
- Убедитесь, что уточнения ориентации также флажок, если уточнение кристалл ориентации.
- Инициализировать штамм вычисления, перейдя в анализ | Штамм уточнение/калибровки.
- Если стресс не нужно быть количественно, пропустите этот шаг. В противном случае, перейдите на Параметры | Кристаллическая структура и загрузить файл жесткость (.stf), связанный с кристаллической структуре.
- Вычисление и отображение 2D карты.
- Откройте процедуру анализа от автоматизированный анализ | Установка автоматического анализа Лауэ шаблонов. Откроется новое окно.
- В разделе Параметры файлов изображений, нажмите кнопку... кнопку и выберите первый файл в последовательности карту. Под конец ind. Введите номер для последнего файла в последовательности; шаг обычно устанавливается в 1. Если это правда, # точек теперь должно быть общее количество пикселей карта. В поле сохранить файл параметроввведите имя файла.
Примечание: Путь можно игнорировать, поскольку она не читается в случае кластер вычислений. - Настройка параметров NERSC.
- В NERSC каталогвведите в каталоге пользователя. Это будет назначен, когда пользователь запрашивает доступ кластера из NERSC.
- Директорию образа дискавведите расположение файла в кластере, где данные в настоящее время находятся.
- В сохранить каталогвведите расположение файла в кластере сохранения обработанных файлов.
- В разделе Nb. узловвведите сколько узлов будет использоваться для вычисления.
Примечание: Общее количество Карта точек должно делится на количество узлов. - Нажмите на создать файл NERSC для создания инструкции файла и сохраните его. Этот файл будет в формате .dat.
- В разделе Параметры файлов изображений, нажмите кнопку... кнопку и выберите первый файл в последовательности карту. Под конец ind. Введите номер для последнего файла в последовательности; шаг обычно устанавливается в 1. Если это правда, # точек теперь должно быть общее количество пикселей карта. В поле сохранить файл параметроввведите имя файла.
- Загрузите файл .dat NERSC кластер.
Примечание: Как правило, это делается с помощью программы передачи данных, например WinSCP. - Из окна терминала (войти в учетную запись NERSC), запустите исполняемый файл XMASparamsplit_new.exe. При появлении запроса введите имя файла .dat NERSC.
Примечание: Программа теперь будет выполняться, и узлы будут назначаться для обработки каждого файла изображения в последовательности. После того, как узел завершает свои расчеты, данные будут добавлены в файл последовательность, под названием «имя образца» .seq. копия .seq файла на локальный компьютер. - Откройте файл .seq.
- В Рождество, нажмите на анализ | Последовательный список чтения анализа. Откроется новое окно.
- Загрузите список .seq, щелкнув загрузить как струк и выбрав .seq файл из локального компьютера.
- Отображение карты, нажав на экран; Откроется новое окно. Чтобы выбрать, какой столбец будет соответствовать значения z 2D z участка, выберите его из раскрывающегося меню.
- Чтобы экспортировать данные, нажмите на Сохранить как список и сохраните как файл txt или .dat.
Примечание: Содержимое этого файла может затем быть загружены в другую программу построения при желании.
- Откройте процедуру анализа от автоматизированный анализ | Установка автоматического анализа Лауэ шаблонов. Откроется новое окно.
- Индекс шаблоны
- Процесс порошковой дифракции данных.
Примечание: Существует несколько различных типов анализа возможных. Они широко делятся на три категории: интеграция полный шаблон над 2θ, картирования распределения фазы с использованием одного представителя пик для конкретного этапа, или сопоставления предпочтительным ориентации один пик.- Как функция 2θ Интегрируйте весь шаблон.
- Перейти к анализ | Интеграция вдоль 2theta. Выберите диапазон 2θ, который охватывает углы в шаблон, который можно найти, парящей над любой пиксель шаблон и прочитав значение отображаемого 2θ.
- Выберите диапазон χ (Азимут).
Примечание: Здесь, либо весь азимутальной диапазон может быть выбран, или только некоторые регионы, в зависимости от предпочтений пользователя. - Нажмите Перейти к интеграции. Нажмите кнопку сохранить , чтобы сохранить шаблон.
- Карта места фаза интеграции один пик 2θ и отображение его на карте 2D.
- Выберите 2θ и χ диапазоны, как и в предыдущем шаге (но на этот раз, ограничивается только подмножество весь шаблон).
Примечание: Обычно только один пик, представитель конкретного этапа интерес, выбран. Идеальный пик будет ожидается не имеют каких-либо накладок с другими фазами. - Выберите функцию fit (Gaussian или псевдоримановом) и соответствовать пик, нажав кнопку Go. Убедитесь, что fit хорошо прежде чем продолжить.
- Для фазы расположение на карте, перейдите к автоматизированный анализ | Установите Чи twotheta анализ; Откроется новое окно. Выберите путь, начало и конец чисел и имя файла результата, а затем щелкните стрелку, чтобы начать сканирование.
Примечание: Программа теперь карта ранее подходят пик на каждый шаблон и журнала интенсивности, ширина, позиции и d-расстояние между сопоставленных пик на файл результатов. Полученный файл (обычно текстовый файл) можно затем загружены в любую программу, печати и печать пользователем.
- Выберите 2θ и χ диапазоны, как и в предыдущем шаге (но на этот раз, ограничивается только подмножество весь шаблон).
- Карта предпочтительным ориентацию путем интеграции одного пика χ и сопоставления его через 2D карты.
- Перейти к анализ | Интеграция вдоль Чи. Откроется новое окно. Как и раньше выберите 2θ и χ диапазоны, которые охватывают пик отображение предпочтительным ориентации.
- Выберите функцию fit (Gaussian или псевдоримановом) и соответствовать путем ударять кнопку Go .
Примечание: Программа теперь будет разделить несколько бункеров χ и рассчитает общая интенсивность через каждый бин над указанный диапазон 2θ. Результат будет сюжет интенсивности как функции χ. Когда подходит, это будет указано Угловая ориентация высокой интенсивности. - Для сопоставления для всех файлов, перейдите к автоматизированный анализ | Установите анализ этап Чи. Выберите путь, начало и конец чисел и имя файла результата, а затем щелкните стрелку, чтобы начать сканирование.
Примечание: Программа будет карта же пик через все шаблоны и создать текстовый файл, содержащий результаты как функция позицию мотора. Они затем могут быть отображены в любой программе построения.
- Как функция 2θ Интегрируйте весь шаблон.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Лауэ Microdiffraction
Последние измерения и анализа была проведена на образец природного муассанит (SiC)18. Образец состоит из кусок из туфа, встроенных в эпоксидной разъем, который был затем вырезать и полируется подвергать ROI. Три муассанит зерна были определены с использованием оптической микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния (рис. 1a). Считалось, что одним из зерна, НИЦ 2 (рис. 1b), содержат родной кремния (Si)18. Целью измерения рентгеновского заключалась в выявлении фазы карбида кремния и кристалличности кремния в образце.
Образец был записан на слайд стекла с помощью двухсторонней ленты, и слайд затем прикрепляется к обычной стадии блок. Кремния стандарт был помещен рядом с ним, который был использован для калибровки детектора геометрии, как описано в процедуре. Кремния стандарта состоял из нефильтрованное, Лаборатория выросла Кремний монокристаллический, Вырезать подвергать лицо (001). Образец и стандарта были помещены на сцене в χ = 45° и детектор был позиционирован на 90° относительно направления распространения рентгеновского пучка.
Грубый пример позиции был расположен, с помощью системы выравнивания камеры на излучение. Образец был затем сопоставляются с помощью РФА (рис. 1С). Так как кремния и углерода слишком легким быть обнаружены с помощью РФА детектор, местоположение Кристалл был определен на основании отсутствия РФА интенсивности, как окружающие матрица Ca - и Fe богатые. РФА карта была использована для точного определения границ XRD карты.
1 064 микрон x 1,080 мкм карта была определена с помощью размер шага 8 мкм в направлениях x и y. В общей сложности 17,955 Лауэ рентгеновские дифракционные текстуры были записаны с помощью 0.5 s выдержка. Индексация муассанит была предпринята попытка с двумя из наиболее часто встречающиеся природных карбида кремния политипами, 4H-SiC и 6H-SiC, используя программное обеспечение XMAS и местные XMAS вычислительный кластер. Обработка набора данных занимает до 20 мин таким образом.
4H-SiC и 6H-SiC, гексагональной (P63mc) кристаллические структуры, состоящие из чередующихся слоев Si и C вдоль оси c с основное отличие количество слоев в каждой структуре (4 против 6) и, следовательно, длина ось c (4 H-SIC: = 3.073 Е, c = 10,053 Å; 6 H-SiC: = 3.073 Е, c = 15.07 Å)19. Первоначальный анализ пика интенсивности (Рисунок 2a) четко соответствует РФА образ муассанит из рисунка 1, так и микроскопии. Первоначальные попытки индексации были сделаны с помощью 4H-SiC как начальная модель (рис. 2b). Ручной анализ шаблона из тела образца указывает, что хорошо 4H-SiC установки (рис. 2 c), и при сопоставлении этих результатов, становится ясно, что большая часть кристалла легко могут быть проиндексированы как 4 H-SiC (Рисунок 2Б). Область в правом нижнем углу, когда вручную изучены, показывает, что образец поликристаллического и лучше индексируется как 6h-SiC (Рисунок 2d).
При взгляде на карту 6H-SiC индексации (Рисунок 3А), одна область выделяется как имеющие низкий успеха индексации. При ближайшем рассмотрении несколько перекрывающихся дифракционные текстуры с широкой и нерегулярных дифракции вершины можно наблюдать (dРисунок 3b–). Эти индекс как кремния; по крайней мере три кристаллитов могут быть проиндексированы, дублирование в том же регионе (рис. 3). После тщательного изучения отдельных вершин можно увидеть, что каждый зерна состоит из нескольких subgrains, и что значительные пластической деформации, продемонстрированные 3D пик формы (Рисунок 3e–g), присутствует в кремнии.
Microdiffraction порошок
Мы измерили дифракции карта оливковых Улитка оболочки (fulgurator Олива, Гранд-Кайман-Айленд) разрез. Оболочка была смонтирована в эпоксидной puck, который был затем вырежьте и грубо полированной подвергать оболочки. Образец был затем прикрепляется на сцену с двухсторонней ленты и этап вращения χ = 15°, и тестовый шаблон был записан для определения потенциальных этап интереса (рис. 4). РФА карта была сделана с помощью ЦС и Fe найти образец мотор координаты (bРисунок 5a–).
Для дифракции, детектор был помещен на 50° относительно образца и луч monochromated 8 кэВ (1.5498 Å). Порошок дифракционные текстуры были take over в районе 2380 x 460 мкм 20 мкм шаги с помощью 10 s выдержка. 2737 собранных порошок дифракционные текстуры четко соответствовать арагонита на протяжении всего измерения. (040) ширина, d расстояние и χ азимутальный угол максимальной интенсивности (как качественного измерения текстуры) были рассчитаны для каждого шаблона и заговор, показаны взаимосвязи между определенные ориентиры и пик позиции/d интервал (рис. 5 c- f). Автоматический расчет через XMAS, и этот набор данных был обработан на настольном компьютере в возрасте 1,5 ч.
Рисунок 1 . Муассанит образец () муассанит Пример встроенного в эпоксидной шайбу. Можно оптически определены три муассанит кристаллов. (b) высшее увеличение микроскопа изображение области интереса. (c) рентгеновской флуоресценции (XRF) карта образца. РФА измеряет все интенсивности от 2000-20000 eV. Поскольку Kα1 эмиссионных линий Si и C 1740 и 277 eV, соответственно, муассанит образец может быть идентифицирован отсутствием измеренной интенсивностью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 . Монокристаллические индексации результаты муассанит. () в среднем пика интенсивности над всех измеренных образцов. Основные наброски муассанит можно легко увидеть. Других регионах высокой интенсивности соответствуют другие силикатного или карбонат фазы, которые являются частью окружающих принимающих матрицы. (b) количество вершин индексируются в фазе 4 H-SiC. Расхождения в образце формы между (а) и (b) являются вследствие дифракции муассанит снизу внешней поверхности образца. (c) индексации шаблона от основной части кристалла. Квадратов: пики вписываются в модели. Круги: пики ожидается в модели, но не найден в модели дифракции. 4H-SiC обеспечивает лучше подходят и помещается все наблюдается пиков без дополнительных вершин предсказал. (d) индексации шаблон из более бедных fit региона образца. Здесь 6H-SiC обеспечивает лучшее соответствие. 4H-SiC шаблон от основной одиночн кристалла можно также рассматривать, лежащие в основе шаблоне сильнее 6H-SiC. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 . Индексация пластически деформированных multigrain Си. () число из 6 H-SiC пиков, индексируются XMAS17. Область, где пики кремния наиболее интенсивные, и кремния является подвергаются на поверхности образца, изложена в черном. (db–) Три Si зерна может наблюдаться в области изложены в подпункте (a). (e) детальный вид шаблона, содержащий вершины (-113), зерна (c) и (1-13) пик зерна (d). Стрелки указывают направление обзора для: (f), по вертикали; (g), горизонтальный. При увеличении в (f) и (g) (сигнал шум = 25), можно увидеть, что есть несколько других местных максимумов на базах этих двух вершин, которые указывают на формирование subgrains из-за деформации кремния в этом образце. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4 . Шаблоны арагонита в оливковых улитки корпуса. () Raw оливковых Улитка оболочка шаблона, с узором арагонита (красный) наложение. Указаны направления интеграции 2θ и χ. (b) 1 D комплексной оливковых Улитка оболочка шаблон. Λ = 1.54982. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5 . Оливковое Улитка оболочка карта. Нормализованное рентгенофлуоресцентный (XRF) о () Ca и (b) Fe. Арагонит (040) Ширина пик (c), (d) d расстояние, (e) интегрированный интенсивности и угла χ (f). Белые точки соответствуют отсутствующие Пиксели. Черная полоса соответствует расположение на карте, выше которой M201 зеркало была такая. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мы представляем метод для комбинированных дифракции рентгеновских лучей и Рентгенофлуоресцентного анализа кристаллический образцов в ALS излучение 12.3.2. Хотя ни Лауэ дифракции, порошковой дифракции, ни РФА сами являются новые методы, излучение 12.3.2 объединяет их, а также микрон шкала рентгеновского пучка размер, система сканирования стадии, которая коррелируется с детектор экспозиции триггеры и всеобъемлющего программное обеспечение для анализа для проведения экспериментов, которые не представляется возможным на лабораторных приборов. Поток фотонов на излучение является несколько порядков выше, чем то, что достижимо на лабораторные. Кроме того, типичная Лауэ дифракции лабораторные предназначены только для определения ориентации на монокристаллы, но неспособны сопоставления в любом масштабе, в то время как лаборатория порошок дифрактометры предназначены только для массовых измерений, и Размеры балки часто превышает несколько сотен микрон в измерении. Другим преимуществом этой излучение, который не рассматривался в протоколе, является в situ экспериментов может и обычно выполняются. Излучение имеет возможности нагрева и охлаждения, и большое рабочее расстояние инструмента по отношению к размеру типичный пример позволяет пользователям также приносят в их собственных этапов, например алмазов наковальня ячейки и выполнять Лауэ или порошковой дифракции в этом образом6.
Комбинированные РФА/Лауэ измерения сопоставимы с SEM измерений с помощью E/WDS и EBSD. Эти методы обычно заняты в науки о земле и может использоваться для идентификации этапа и определяющим угловое разрешение20. Однако излучение 12.3.2 имеет ряд преимуществ над SEM с E/WDS и EBSD. Данные в описанной здесь процедуре могут быть собраны при стандартных температуре и давлении, поэтому без специальной подготовки должны быть сделаны для образцов быть помещены в вакуумной системы, как это требуется с SEM. EBSD очень чувствителен к поверхности образца и поэтому требует гораздо большего ухода в полировки чтобы не уничтожить поверхности кристаллической решетки. В отличие от Лауэ дифракция является несколько массовых метода; проникновения луча рентгеновского может достигать максимально 100 мкм, хотя большинство дифрагированных сигнал будет поступать из Топ ~ 10 мкм. Если проводящий слой уже был применен, образцы дифракции можно легко увидеть в случае Лауэ дифракции (как покрытие поликристаллического и не будет создавать последовательного сигнала в режиме белого света), но может быть затруднено в случае EBSD. Кроме того EBSD не возможно для образцов, которые испытали пластической деформации, но Лауэ дифракции регулярно осуществляется на таких образцов (рис. 3). Оба метода являются быстро; для хорошо кристаллизуются образца до 10000 Лауэ шаблоны могут быть собраны в час. Однако недостатки использования Лауэ включают ограничения на количество времени синхротрона против что лаборатории SEM, потенциально более высокие затраты (в то время как время синхротрона является бесплатным для пользователей, физического доступа может потребовать некоторых путевых расходов, которые не охватываются синхротрона объекта), сложность выполнения количественного определения элементарного (который часто встречается на лабораторных систем E/WDS), и наконец, SEM программное обеспечение может быть более дружественным, чем Рождество, как команды разработки программного обеспечения, как правило, гораздо больше для коммерческих программных продуктов.
Несколько шагов в рамках метода являются критическими. Правильной калибровки имеет решающее значение, если необходимы точные штамм или d-расстояние между результаты. Координационным центром определяется путем измерения ширины падающего пучка на различных расстояниях координационных до любых других экспериментов, которые выполняются и независимо от процедуры калибровки. При выполнении калибровки, образец должен быть повышен до той же высоты (z), как calibrant (calibrants используется являются синтетические кремний, пьезокварца, алюмоиттриевого граната или порошок оксида алюминия, в зависимости от типа выполняемого эксперимента) . Однако, в случае образцов под углом мелкий или взглянув, небольшое смещение в направлении Z может привести к довольно большое смещение в Y и следовательно к значительный сдвиг в позиции Дифрагирующая образца относительно фокальной точки луч. В тех случаях, где наблюдались позиционные ошибки мы находим, что среднем над пример карты может функционировать в качестве разумного calibrant образца детектор, с сопоставленным штаммов, затем не относительно среднего, вместо того, чтобы за пределами calibrant. Этот образец геометрии является менее распространенной в геофизических приложений, сводится главным образом к когда большие (> 4 Å) d расстояния должны измеряться в Светоотражающий геометрии с использованием монохроматического света. При выполнении калибровки, образца предполагается нефильтрованное, поэтому предполагается, что любые отклонения от вершины calibrant угловые отношения в расчет индексации и штамм приходят от отклонения в положении «известным» детектор в связи с Пример. При расчете деформации образца, детектор параметры предполагается быть хорошо известны, поэтому любые отклонения будут рассматриваться как результат deviatoric штамма в образце. Следовательно два типа уточнения высоко коррелируют, и только один тип должен использоваться одновременно.
Необходимо также позаботиться при обработке данных. Подробная информация о математических процессов за XMAS можно найти в для Тамура17. При индексации и штамм уточнения каждом выполняются, программа открывает отдельное окно с большим объемом информации, например hkl пик, пик Энергия, интенсивности, ориентацию кристалла, deviatoric деформации параметров и т.д. , если правильно жесткость тензор был использован, программа будет также использовать напряжение деформация отношения для вычисления различных стресс тензоров и значений, которые будут также отображаться, в единицах МПа. При автоматизации этих процессов, существуют три различные методы. В то время как метод NERSC представлены здесь, автоматизации можно также перейти на локальном компьютере или на локальный кластер. Во всех случаях на выходе будет файл .seq, содержащий большую часть той же информации, как в отдельных индексации и уточнении штамм вывода windows, но рассчитанной таким образом, чтобы каждая строка соответствует одному пикселу дифрагированных. В целом программа автоматизации опирается на хорошо первоначальные предположения обеспечить хорошие результаты. Например в случае муассанит (рис. 2b), пикселы в регионе 6 H-SiC может индексироваться как 4 H-SiC с большим числом совпадающих пиков (40 +). При взгляде на карте индексированных пиков (рис. 2b), становится ясно, что в регионе, 6 H-SiC не индексируется правильно из того простого факта, что правильно индексированными региона соответствует более чем 70 пиков на пиксель. Когда индекс 4H-SiC, можно увидеть, что не все вершины находятся fit (Рисунок 2d), который указывает, что кристаллическая структура плохо сидящее платье. Когда области несоответствия образца вручную проверяется, становится ясно, что образец поликристаллического. 4H-SiC кристалла вершины можно визуально определить и в целом тех же позициях на детектор изображение как на рисунке 2 c. Другой, более интенсивности, шаблон лежит на вершине. Этот шаблон может индексироваться как 6H-SiC (Рисунок 2d). Контраст между этими двумя регионами внутри образца и их тесно связанных между собой подразделение клетки служит, чтобы показать, что будьте внимательны при индексации; даже если большое количество вершин индексируется (как в случае, когда 4 H-SiC неправильно сопоставляется ~ 40 пики), модель все еще может быть неправильным, и ручная проверка необходима. Доли неиндексированных размышления и/или отсутствующих размышления (предсказал но не найдена) обеспечивает хорошее представление о misindexation. Однако, ручной проверке был обязан определить, является ли эта область была предметом другой ориентации (которая может иметь различное количество видимых вершин), Пластически деформированный или нанокристаллических (что может привести к неприятностям в поиске пик протокол), или был misindexed как в данном случае. Этот пример демонстрирует, что первоначальный автоматизированного картирования результаты могут потребовать дополнительные проверки, прежде чем можно будет сделать выводы о образца.
Рисунок 5 показывает также ряд важных вопросов, которые могут возникнуть. Например Fe РФА сигнал появляется в первый коррелируют с ориентацией и d-расстояние между участками, который свидетельствует о том, что эти различия обусловлены композиционный вариант. Однако когда проверяются с помощью SEM/энергодисперсионная спектроскопии (любезно Чэнь Кай группы в Xi'an Jiaotong University, Сиань, Китай), композиционно вариации не наблюдалось. Это показывает, что сигнал необычных или неожиданных изменений в РФА должны быть проверены вручную. В этом случае мы повторно измерить отдельные РФА спектры и установлено, что увеличение интенсивности из-за по-разному ориентированных слоев оболочке, которая функционировала как дифракционной решетки, что несколько совпал с Fe сигнала. Причина, по которой произошла эта ошибка измерения широко двояка. Первая причина заключается, что сигнал РФА вызывали с помощью луч полихромные (белый), который имеет увеличение вероятности того, что упругие сигнала (от дифракции, таких, как может быть вызвано дифракционной решетки) подобрал детектора. Вторая причина лежит с тем, в котором РФА приобретаются данных: когда карта РФА автоматизирован, сырые спектры не сохраняются для каждого пикселя. Скорее отсчеты общее течение определенного спектра таблице для каждого пикселя и сохраняются в выходной файл .txt. В случае этой конкретной карте Fe сигнала фактически меры общей интенсивности между 6200-7,316 эВ, так что решетки, что дифрагирует любой энергии в пределах диапазона, таким образом, что она направлена на детектор РФА вызовет всплеска воспринимается Fe концентрации. Это приносит вверх еще один потенциальный оплошности: Элементаль диапазон должны быть тщательно рассмотрены и выбраны до начала измерения, таким образом, что вершины выбранной не перекрываются с другими потенциальных элементов, которые могут содержать образца. Кроме того ручная проверка РФА спектра в частности пикселей позволяет пользователям наблюдать ли спектры выглядеть обоснованным для отдельных элементов. Кроме того монохромные флуоресценции сканирования не может генерировать пик дифракции, вызвавшего это Колос, но монохромные сканирования гораздо медленнее из-за нижней потока.
На рис. 5 c–d, можно наблюдать одну или две строки главным образом отсутствует пикселей; Эти точки данных были собраны, но программа установки пик не для этих конкретных моделей. В этом случае XMAS боролся с протоколом интеграции потому что рентгеновского пучка дрейфовал на протяжении долгого измерение, привело к падению поток фотонов. Это было исправлено вручную во время сбора данных, после чего резко возросла интенсивность пик (Рисунок 5e). Важно, что луч контролироваться на протяжении всего процесса сбора данных, чтобы обеспечить, что соотношение сигнал-шум является достаточно большим для обработки данных. Программное обеспечение сбора данных имеет способность автоматически остановить или перезапустить коллекции, если IC подсчитывает падения ниже порогового значения, определяемые пользователем.
Будущее развитие будет сосредоточена на уменьшение размера пучка, снижение времени сбора, повышение стабильности луч и оптическая система улучшений для лучшей визуализации образца во время сбора данных. Также мы работаем по разработке новой платформы независимой и совершенствование программного обеспечения для анализа данных, которая не зависит от пользователя доступ к третьей стороне программное обеспечение (например, Рождество в настоящее время необходимо использовать версию среды выполнения IDL для его визуализации данных интерфейс).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Это исследование использовали ресурсы расширенный источник света, который не является пользователем объекта Доу отделение науки по контракту. ДЕ AC02-05CH11231. Мы также хотели бы признать Drs. L. Dobrzhinetskaya и э. о ' баннон для содействия муассанит образца,. Стюарт для ее оливковых Улитка оболочка данных, H. Shen для подготовки оливковых улитки корпуса и G. Чжоу и профессор K. Chen для измерения ЭЦП на оливковых Улитка оболочка.
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
- Li, Y., et al. A synchrotron study of defect and strain inhomogeneity in laser-assisted three-dimensionally-printed Ni-based superalloy. Applied Physics Letters. 107 (18), 181902 (2015).
- Zhou, G., et al. Real-time microstructure imaging by Laue microdiffraction: A sample application in laser 3D printed Ni-based superalloys. Scientific Reports. 6, 28144 (2016).
- Tippabhotla, S. K., et al. Synchrotron X-ray Micro-diffraction - Probing Stress State in Encapsulated Thin Silicon Solar Cells. Procedia Engineering. 139, 123-133 (2016).
- Xu, C. Z., et al. Elemental Topological Dirac Semimetal: α-Sn on InSb(111) . Phys Rev Lett. 118 (14), 146402 (2017).
- Chen, X., Tamura, N., MacDowell, A., James, R. D. In-situ characterization of highly reversible phase transformation by synchrotron X-ray Laue microdiffraction. Appl Phys Lett. 108 (21), 211902 (2016).
- Zhou, X., et al. Reversal in the Size Dependence of Grain Rotation. Phys Rev Lett. 118 (9), 096101 (2017).
- Stan, C. V., Beavers, C. M., Kunz, M., Tamura, N. X-Ray Diffraction under Extreme Conditions at the Advanced Light Source. Quantum Beam Science. 2 (1), 4 (2018).
- Chen, K., Kunz, M., Tamura, N., Wenk, H. R. Residual stress preserved in quartz from the San Andreas Fault Observatory at Depth. Geology. 43 (3), 219-222 (2015).
- Chen, K., Kunz, M., Tamura, N., Wenk, H. R. Evidence for high stress in quartz from the impact site of Vredefort, South Africa. Eur J Mineral. 23 (2), 169-178 (2011).
- Jackson, M. D., et al. Material and Elastic Properties of Al-Tobermorite in Ancient Roman Seawater Concrete. J Am Ceram Soc. 96 (8), 2598-2606 (2013).
- Jackson, M. D., et al. Phillipsite and Al-tobermorite mineral cements produced through low-temperature water-rock reactions in Roman marine concrete. Am Mineral. 102 (7), 1435-1450 (2017).
- Gilbert, P. U. P. A., et al. Nacre tablet thickness records formation temperature in modern and fossil shells. Earth Planet Sc Lett. 460, 281-292 (2017).
- Mass, T., et al. Amorphous calcium carbonate particles form coral skeletons. P Natl Acad Sci. 114 (37), E7670-E7678 (2017).
- Marcus, M. A., et al. Parrotfish Teeth: Stiff Biominerals Whose Microstructure Makes Them Tough and Abrasion-Resistant To Bite Stony Corals. ACS Nano. 11 (12), 11856-11865 (2017).
- Kunz, M., et al. A dedicated superbend x-ray microdiffraction beamline for materials, geo-, and environmental sciences at the advanced light source. Rev Sci Instrum. 80 (3), 035108 (2009).
- Beckhoff, B., Kanngießer, B., Langhoff, N., Wedell, R., Wolff, H. Handbook of Practical X-Ray Fluorescence Analysis. , Springer Science & Business Media. (2007).
- Tamura, N. XMAS: A Versatile Tool for Analyzing Synchrotron X-ray Microdiffraction Data. Strain and Dislocation Gradients from Diffraction. , 125-155 (2014).
- Dobrzhinetskaya, L., et al. Moissanite (SiC) with metal-silicide and silicon inclusions from tuff of Israel: Raman spectroscopy and electron microscope studies. Lithos. , (2017).
- Thibault, N. W. Morphological and structural crystallography and optical properties of silicon carbide (SiC): Part II: Structural crystallography and optical properties. American Mineralogist. 29 (9-10), 327-362 (1944).
- Electron Backscatter Diffraction in Materials Science. , Springer US. Available from: //www.springer.com/us/book/9780387881355 (2009).
