Waiting
Login processing...

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

Engineering

Synchrotron X-ray Microdiffraction og fluorescens avbildning av Mineral og Rock prøver

doi: 10.3791/57874 Published: June 19, 2018

Summary

Vi beskriver en beamline oppsett ment å utføre raske todimensjonal røntgen fluorescens og x-ray microdiffraction kartlegging av enkelt krystall eller pulver prøver Laue (polykromatisk stråling) eller pulver (monokromatisk stråling) Diffraksjon. De resulterende kartene gir informasjon om belastningen, orientering, fase distribusjon og plast deformasjon.

Abstract

I denne rapporten beskriver vi en detaljert prosedyre for å kjøpe og behandle x-ray microfluorescence (μXRF) og Laue og pulver microdiffraction todimensjonal (2D) kart på beamline 12.3.2 av avanserte lys kilde (ALS), Lawrence Berkeley National Laboratoriet. Målinger kan utføres på et utvalg som er mindre enn 10 cm x 10 cm x 5 cm, med synlige flate. Eksperimentell geometrien er kalibrert bruker standard materialer (grunnleggende standarder for XRF og krystallinsk prøver som Si, kvarts eller Al2O-3 for Diffraksjon). Eksempler er justert til det sentrale punktet i x-ray-microbeam, og raster skanner utføres, der hver piksel i kart tilsvarer ett mål, f.eks en XRF spekter eller en Diffraksjon mønster. Dataene behandles deretter ved hjelp av internt utviklet programvare XMAS, som produserer tekstfiler, der hver rad tilsvarer en piksel posisjon. Representant data fra moissanite og en oliven snegle skall presenteres for å demonstrere datakvalitet, innsamling og analyse strategier.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Krystallinsk prøver vise ofte heterogenitet på micron skala. I geoscience, identifikasjon av mineraler, deres krystallstruktur og deres fase forbindelser i 2D systemer er viktig for å forstå både fysikk og kjemi av et bestemt system, og krever en romlig løst, kvantitativ teknikk. For eksempel kan relasjoner mellom mineraler undersøkes basert på fase innenfor et lokalisert 2D område. Dette kan få konsekvenser for historie og kjemiske samhandling som har oppstått i en steinete kroppen. Eventuelt kan materiale strukturen i et enkelt mineral undersøkes; Dette kan avgjøre hvilke typer deformasjon mineralet kan ha vært eller for øyeblikket gjennomgår (som i tilfelle av et i situ deformasjon eksperiment med en enhet som diamond anvil cellen). I geoscience, er disse analysene ofte utført med en kombinasjon av skanning elektronmikroskop (SEM) med energi eller bølgelengde dispersiv x-ray spektroskopi (E/WDS) og elektron backscatter Diffraksjon (EBSD). Men kan eksempel forberedelse være vanskelig, med omfattende polering og montering for vakuum målinger. Også er EBSD en overflate teknikk som krever relativt unstrained krystaller, hvilke ikke er alltid tilfelle for geologiske materialer som har erfart heving, erosjon eller komprimering.

Romlig løst karakterisering 2D x-ray microdiffraction og XRF kartlegging, som er tilgjengelig på beamline 12.3.2 av ALS, er en rask og enkel måte å gjøre stort kart av enkelt eller flerfase systemer der krystall størrelse er på omfanget av en par nanometers (ved polycrystalline eksempler) til hundrevis av mikron. Denne metoden har mange fordeler sammenlignet med andre brukte teknikker. I motsetning til andre 2D krystall kartlegging teknikker, som EBSD, microdiffraction prøver kan måles på omgivelsesforhold, og krever derfor ikke spesielle forberedelser som det er ingen vakuum kammer. Microdiffraction er egnet for krystaller som er uberørt og de som har opplevd alvorlig belastning eller plast deformasjon. Eksempler som tynne snitt er vanligvis undersøkt, er materialer i epoxy, eller selv uendret steiner eller korn. Datainnsamlingen er rask, vanligvis mindre enn 0,5 s/piksel for Laue Diffraksjon, mindre enn 1 min/piksel for pulver Diffraksjon og mindre enn 0,1 s/piksel for XRF. Dataene lagres lokalt, midlertidig på en lokal lagring og mer permanent midt nasjonale energi forskning Scientific Computing (NERSC), som det er enkelt å laste ned. Databehandling for Diffraksjon kan utføres på en lokal klynge eller en NERSC klynge under 20 min. Dette tillater for rask gjennomstrømming i datainnsamling, analyse og stort område mål over en kort periode av tid sammenlignet med laboratoriet instrumenter.

Denne metoden har en rekke programmer og har vært brukt mye, spesielt i materialkunnskap og engineering, analysere alt fra 3D-trykt metaller1,2, til solcellepanel deformasjon3til belastning i topologisk materialer4, til minne legering fase overganger5, høytrykks oppførsel nanocrystalline materialer6,7. Siste geoscience prosjekter inkluderer analyse av belastning i ulike kvarts prøver8,9 vulkanske sementbaserte prosesser10,11og også biominerals som kalsitt og Aragonitt i skjell og koraller12,13 eller apatitt i tennene14, og ytterligere studier på meteoritt fase distribusjon, mineral strukturen identifisering av nye mineraler og plast deformasjon respons i høytrykks silica har også vært samlet. Teknikkene som brukes på beamline 12.3.2 gjelder for et bredt spekter av prøver, relevant for alle i mineralogiske eller petrological lokalsamfunn. Her skissere vi data oppkjøp og analyse protokollen for beamline 12.3.2 og finnes flere programmer for å vise nytten av den kombinerte XRF og Laue/pulver microdiffraction teknikken i feltet geoscience.

Før du går i eksperimentell detalj, det er germane til diskutere oppsettet av slutten-stasjonen (se figur 1 og Figur 4 i Kunz et al. 15). røntgenbilde stråle avslutter lagring ringen og styres ved hjelp av en toroidal speilet (M201), med formål å refokusere kilden av eksperimentelle bur. Det går gjennom en rekke roll åpninger som fungerer som en sekundær kilde. Det er så monochromatized (eller ikke) avhengig eksperiment, før du passerer gjennom et annet sett sprekker og fokusert mikron størrelser av et sett med Kirkpatrick Baez (KB) speil. Strålen går deretter gjennom en ion kammer, som signal brukes til å bestemme strålen intensitet. Festet til ion kammeret er et pinhole, som blokkerer spredte signalet fra impinging på detektoren. Fokusert stråle så møter prøven. Prøven er plassert på et tidspunkt, som består av 8 motorer: ett sett med grove (lavere) x, y, z motorer, ett sett av fine (øvre) x, y, z motorer og to rotasjon motorer (Φ og χ). Det kan visualiseres med tre optiske kameraer: en med lav zoom, plassert på toppen av ion kammeret, med høy bratt stigning, plassert i et fly på en ca 45° vinkel når det gjelder røntgenbilde stråle og en andre høy-bratt stigning kameraet plassert i 90 ° vinkel med hensyn til t Han x-ray strålen. Den siste fungerer best for prøver som er orientert vertikalt (for eksempel en overføring modus eksperimentet), og avbildning utføres ved hjelp av en kile-formet speil knyttet til hullet. X-ray Diffraksjon detektoren ligger på en stor roterende scene, og både vinkelen og den loddrette forvrengningen av detektor kan kontrolleres. En silisium drift detektor å samle XRF finnes også. Eksempler kan være forberedt på noen måte, så lenge det utsatte området av interesse (ROI) er flatt (på micron skalaen) og avdekket eller dekket i mer enn ~ 50-100 µm x-ray gjennomsiktig materiale som polyimid (pi) bånd.

Fremgangsmåten nedenfor beskriver et eksperiment som foregår i reflekterende geometri, og antar z-retningen er normalt å prøve og x og y er vannrett og loddrett skanning retningene, henholdsvis. På grunn av fleksibiliteten av scenen og detektor, men noen eksperimenter utføres i overføring geometri, der x- og z retninger er vannrett og loddrett skanning retningene, mens y er parallell til direkte strålen (se Jackson et al. 10 , 11).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Sett opp Beamline og samle inn Data

Merk: Kalibrering standarder og prøver er samlet i samme måte, med den største forskjellen ligger i metoden behandling.

  1. Montere prøven og Lukk eksperimentelle bur.
    1. Knytte en prøve til den øverste halvdelen av Kinematisk base (se Tabell for materiale) slik at Avkastningen er loddrett fortrengt i forhold til bunnen av minst 15 mm.
      Merk: En standard blokk finnes på beamline for bruk med prøver < 20 mm tykk. Nederste halvdel av Kinematisk basen er permanent installert på scenen systemet av beamline.
    2. Plasser prøven og basere på scenen i eksperimentell bur. Lukk eksperimentelle bur.
  2. Slå på programmet for beamline kontroll og oppkjøp.
    1. Åpne programmet beamline kontroll. Klikk pilen i øvre venstre hjørne initialisere programmet. Vent til alle signallys på høyre side til bli grønn, indikerer at programvaren er initialisert.
    2. Klikk på en beamline komponent initialisere kontrollpanelet for denne komponenten. Dette gjelder primært til oversettelse scenen og slit kontrollene.
    3. Initialisere x-ray Diffraksjon scan programvaren fra skrivebordet.
      Merk: Dette må gjøres etter at programmet beamline kontroll har fullstendig aktivert, ellers programmer kan ikke kommunisere riktig og kartlegging prosedyren vil ikke fungere.
  3. Ta prøven i det sentrale punktet i røntgenbilde stråle.
    1. Aktivere justering laser ved å klikke på knappen merket "laser".
    2. Oversette øvre x, y og z stadier av scenen justering menyen og klikke opp- og nedpilene for å bringe Avkastningen av prøven i omtrentlig visuelle fokus på grov justering kameraet. Justere avstanden som hver motor kan jogged ved å skrive inn ønsket verdi.
      Merk: Stadier er motorisert og kontrollert med beamline programvare.
    3. Mens du ser på fine-fokusere kameraet, oversette øvre z motoren til laser stedet justeres merke på skjermen.
      Merk: Hvis denne manøveren er utført konsekvent for hver prøve, alle prøve-til-detektor parametere vil forbli den samme.
  4. Velg enten hvit (polykromatisk) lys eller monokromatisk modus.
    1. Rulle åpninger ved inngangen til det eksperimentelle hutch å definere endelige fokus demagnification og dermed stråle størrelsen på prøven. Merk: De fungerer som en kilde for x-stråler, før fokus av et sett med KB speil ligger nedstrøms i monokromator. Roll slit størrelse kan økes for å øke flux (for eksempel i monokromatisk modus) på bekostning av lysstråle størrelsen på utvalg.
    2. Sikre at riktig roll åpninger innstillingen brukes: 8 µm x 16 µm for hvit strålen programmer eller 100 µm x 100 µm for monokromatisk programmer.
    3. Eksperimenter utført i monokromatisk modus, flytter du monokromator til den ønskede energien ved å skrive inn en energi mellom 6000 og 22.000 eV før du øker roll slit størrelse.
  5. Tune strålen intensiteten bruker pre fokus M201 speilet.
    1. Åpne systemmenyen ved å gå til motorer | Vis. Velg M201 pitch fra listen over motorer. Joggetur i 5 antall intervaller før ion kammer (IC) antall-verdien er maksimert.
    2. Motoren har en lang tilbakeslag, så denne fremgangsmåten langsomt.
  6. Tilordne prøven ved hjelp av XRF.
    1. Initialiser fluorescens tilordning fra skanner | XRF skanning menyen. Endre navn og mappe filplasseringen for XRF målet til de riktige betegnelsene.
    2. Legge til opptil 8 elementer av interesse, ved å skrive inn en rekke energier mellom 2-20 keV som omfatter en av de største utslipp linjene i et bestemt element.
      Merk: Hvis systemet fungerer monokromatisk modus, grunnleggende energi området må være minst ~ 1 keV under monokromatisk energien brukes til å generere fluorescens linjen for å indusere fluorescens prosessen (se Beckhoff et al. 16).
    3. Bruker den øvre x og y motorer, definere et rektangulært område der tilordning finner sted ved hjelp av scenen programvaren å kjøre til to motstående hjørner. Sett dem som start- og sluttposisjonen ved å klikke på satt til gjeldende Pos i Installasjonsmenyen.
      Merk: Kart kan være av alle størrelser innenfor den reise stadier.
    4. Angi hastigheten eller holdetiden for søket. Kontroller at kartet dekker Avkastningen for prøven ved å trykke på knappene Start og Til slutt se på diagonalt motsatte hjørner som har blitt valgt til å definere kartet.
    5. Start søket ved å klikke Start -knappen. På dette punktet, fortsetter måling til alle punktene har blitt skannet.
      Merk: Programmet vil lagre en tekstfil med verdier, der hver rad tilsvarer en motor posisjon og hver kolonne tilsvarer en presentasjon som motor, totalt innkommende strålen intensitet, målte elementet intensitet, etc. dette kan da være replotted i noen grafisk program. Programmet målingen viser også element kartene i sanntid.
  7. Tilordne utvalget med x-ray Diffraksjon.
    1. Skriv inn et brukernavn i vinduet x-ray Diffraksjon skanning for datainnsamlingsprosessen generere hovedmappen der alle data blir skrevet.
    2. Skriv inn et eksempel navn.
      Merk: Alle Diffraksjon mønstre for prøven vil være i en mappe med dette navnet, og de kalles sample_name_xxxxx.tif, der xxxx er en tallrekke, vanligvis fra 00001.
    3. Kontroller at "Øvre X" og "Øvre Y" er valgt som x- og y skanning motorer. Systemet er beregnet på avsøke over mange av tilgjengelig beamline motorer, avhengig av eksperimentet utføres. I de fleste scenarier søk vil bli utført i enten xy, xz, eller i monokromatisk energi (tilordne én krystall peak posisjoner, dette er en 1D-scan).
    4. Skriv inn x og y start- og posisjoner for kartet.
    5. Skriv inn x og y gå størrelser og mønster eksponeringstid.
      Merk: Én krystall skanner med full hvit strålen gå raskere fordi den bjelke flux størrelsesordener større enn avsøking monokromatisk. Derfor pleier én krystall mønster eksponeringer å være < 1 s, mens monokromatisk skanning eksponeringer (for eksempel for pulver Diffraksjon) pleier å være > 10 s. Når trinn størrelse og eksponering tid er registrert, vil programmet anslå totale skanningen tid kreves for hele kartet skal samles inn.
    6. Klikk på play-knappen for å starte kartlegging.
      Merk: Programmet vil nå automatisk flytte til en angitt motor posisjon/kart piksel registrerer et Diffraksjon mønster, og fremdrift gjennom hver piksel til kart registreres helt som en sekvens av TIF-filer.

2. prosessen Data ved hjelp av Beamline-utviklet X-ray Microdiffraction analyse programvare (XMAS)17

  1. Last mønstre
    1. Åpne XMAS17. Laste inn en Diffraksjon mønster ved å gå til filen | Belaste Image og velge et mønster. Trekke detektor bakgrunnen ved å gå til bilde | Tilpasse og fjerne bakgrunnen.
    2. Laste inn en kalibrering fil ved å gå til Parametere | Kalibrering. Klikk på Last Calib og velg riktig kalibrering parameterfil.
      Merk: Kalibrering parameteren filen inneholder informasjon som pixel størrelsesforhold (som er alltid fast), detektor avstanden mellom (focal point på prøven) og detektor center, detektor kantet posisjon, xcent (midten av detektor x), ycent (midten av detektor i y), pitch, yaw og rull den detektor, prøve retning, samt bølgelengde hvis bruker monokromatisk lys.
  2. Behandle én krystall data.
    1. Indeks mønstre
      1. Laste inn en standard krystall struktur fil (.cri) ved å gå til Parametere | Crystal strukturen og velge den aktuelle filen. Hvis stress verdier må beregnes Last en stivhet fil (.stf), som inneholder tredje orden elastisk tensoren matrise for materialet.
        Merk: Filen .cri vil inneholde gruppenummer plass, alle seks gitteret parametere, antall Wyckoff atomic posisjoner og atom typer, fractional koordinater og anvendelsesområder.
      2. For å beregne crystal korn retningen, gå til Parametere | Crystal retning parametere for Laue. Skriv inn "hkl skjæringsplanet" for i flyet og ut av fly retning.
      3. Finne eksempel topper ved å gå til analyse | Topp søk.
        1. Velg en topp terskel (f.eks signal/støyforhold) til en verdi mellom 5 og 50, avhengig av intensiteten av Diffraksjon mønster.
        2. Klikk den gå! knapp å innviet topp søk. Legg noen topper ikke plukket av programmet, og fjerne alle døde topper.
      4. Initialisere indeksering ved å gå til analyse | Laue indeksering.
    2. Bestemme belastning og/eller stress.
      1. Hvis stress ikke trenger å være kvantifisert, hopper du over dette trinnet. Ellers, gå til Parametere | Krystallstruktur og laste stivhet filen (.stf) knyttet til krystallstruktur.
        Merk: Filen består av tredje-ordens stivhet tensoren matrise for bestemt materiale. Eksempler er utstyrt med XMAS programvaren.
      2. Velg stress parametere.
        1. Gå til Parametere | Belastning/kalibrering Laue raffinement parametere. Et nytt vindu åpnes, med kalibrering parametere for eksperimentell system på høyre side og belastning raffinement parametere på venstre side.
        2. Velg passende belastning raffinement parametere for prøven.
        3. Kontroller at boksen avgrense retning merkes også, hvis avgrensningen av krystall retningen.
      3. Initialisere belastning beregningen ved å gå til analyse | Belastning raffinement/kalibrering.
    3. Beregne og vise 2D kart.
      1. Åpne analyse-prosedyre fra automatisert analyse | Angi automatisk analyse av Laue mønstre. Et nytt vindu åpnes.
        1. Under filer bildeparametere, klikker den... og velger den første filen i rekken kart. Under slutten ind, angir du nummeret for den siste filen i rekkefølge; trinn er vanligvis satt til 1. Hvis dette er sant, skal nå # poeng totalt antall kart piksler. Under Lagre parametere, angi et filnavn.
          Merk: Banen kan ignoreres, som ikke leses ved klynge beregninger.
        2. Angi parametrene NERSC.
          1. Under NERSC katalogen, Skriv i brukerkatalogen. Dette skal tilordnes når brukeren forsøker å innhente klynge tilgang fra NERSC.
          2. Under bildekatalog, angi filplasseringen i klyngen der dataene er plassert.
          3. Under Lagre mappe, angi filplasseringen i klyngen hvor behandlede filer lagres.
          4. Under Nb. noder, angir du hvor mange noder som skal brukes for beregning.
            Merk: Antall kart poeng er delelig med antall noder.
          5. Klikk på Opprett NERSC fil å generere instruksjon filen og lagre den. Denne filen blir i DAT-format.
      2. Laste opp filen dat til NERSC klyngen.
        Merk: Vanligvis dette gjøres med en data overføring program som vinner.
      3. Fra et terminalvindu (logget inn på NERSC konto), kjøre den kjørbare filen XMASparamsplit_new.exe. Når du blir spurt, skriver du inn i NERSC .dat-fil.
        Merk: Programmet vil nå kjøre og noder tildeles behandle hver bildefil i rekkefølge. Når beregningene er en node legges dataene til en bildesekvensfil kalt "eksempel navnet".seq. kopiere .seq filen til den lokale maskinen.
      4. Åpne filen .seq.
        1. XMAS, klikk på analyse | Les analyse sekvensiell liste. Dette åpner et nytt vindu.
        2. Legg .seq listen ved å klikke laste som struc og valgt .seq filen fra den lokale maskinen.
        3. Vise kartet ved å klikke på skjermen; Dette åpner et nytt vindu. Velg hvilken kolonne vil tilsvare z-verdier av 2D z tomten, velger du den fra det miste-ned menyen.
        4. Eksportere data, klikk på Lagre som og lagre som en txt- eller dat fil.
          Merk: Innholdet i denne filen kan deretter lastes inn i en annen inntegningsrekkefølgen program hvis ønskelig.
  3. Behandle pulver Diffraksjon dataene.
    Merk: Det er flere typer analyser mulig. Disse faller reparasjoner i tre ulike kategorier: integrering av en hel mønster over 2θ, kartlegging fase distribusjon bruker en representant topp for en bestemt fase, eller tilordne foretrukket retning på en topp.
    1. Integrere hele mønsteret som en funksjon av 2θ.
      1. Gå til analyse | Integrasjon med 2theta. Velg et 2θ område som dekker vinkler i mønster, som kan finnes ved svever over noen pixel av mønsteret og leser vises 2θ.
      2. Velg en χ (asimut) område.
        Merk: Her enten hele asimut området kan være valgt, eller bare visse områder, avhengig av brukerens preferanser.
      3. Klikk gå til integrere. Klikk Lagre for å lagre mønsteret.
    2. Tilordne fase plasseringene ved å integrere en topp over 2θ og tilordne den til en 2D-kartet.
      1. Velg 2θ og χ områder som i forrige trinn (men denne gangen begrenset til bare et delsett av hele mønsteret).
        Merk: Vanligvis bare én toppbelastning, representant i en bestemt fase av interesse, er valgt. Den ideelle toppen forventes ikke å ha noen overlapper med andre faser.
      2. Velg en tilpasset funksjon (Gaussian eller Lorentzian) og passe toppen ved å klikke knappen Go. Kontroller at passformen er bra før du fortsetter.
      3. Vil tilordne hvor fase, gå til automatisert analyse | Angi chi-twotheta analyse; et nytt vindu åpnes. Velg banen, start og slutt tall og et resultat navn, klikk pilen for å starte søket.
        Merk: Programmet vil nå kart tidligere passer toppen på hver, og logge den intensitet, bredde, plassering og d-avstanden mellom tilordnede toppen på resultatfilen. Den resulterende filen (vanligvis en tekstfil) kan deretter sendt i et inntegningsrekkefølgen program og plottet av brukeren.
    3. Tilordne foretrukket retning ved å integrere en topp over χ og kartlegge det over et 2D kart.
      1. Gå til analyse | Integrering langs Chi. Et nytt vindu åpnes. Som før, Velg 2θ og χ områder som dekker en topp viser ønsket orientering.
      2. Velg en tilpasset funksjon (Gaussian eller Lorentzian) og ved å trykke på Go -knappen.
        Merk: Programmet vil nå dele χ inn i flere hyller, og beregne totale intensiteten over hver hylle over 2θ-området som er angitt. Resultatet blir en tomt intensiteten som en funksjon av χ. Når passer, vil det vise kantete retningen på høyeste intensiteten.
      3. Vil tilordne over alle filer, gå til automatisert analyse | Angi scenen-chi analyse. Velg banen, start og slutt tall og et resultat navn, klikk pilen for å starte søket.
        Merk: Programmet vil tilordne samme toppen på tvers av alle oppskrifter, og generere en tekstfil som inneholder resultater som en funksjon av motor posisjon. Disse kan da tegnes i inntegningsrekkefølgen programmer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Laue Microdiffraction

En siste måling og analyse var utført på en naturlig moissanite (SiC) eksempel18. Prøven besto av et stykke tuff innebygd i en epoxy plugg, som var så kuttet og polert for å avsløre Avkastningen. Tre moissanite korn ble identifisert med optisk mikroskopi og Raman spektroskopi (figur 1a). En av korn, SiC 2 (figur 1b), ble antatt å inneholde innfødt silikon (Si)18. Målet med x-ray målet var å identifisere fasen av silisiumkarbid og crystallinity silisium i utvalget.

Prøven ble teipet på et glass lysbilde med dobbeltsidig tape og lysbildet ble deretter festet til konvensjonelle scenen blokken. En silisium standard ble plassert ved siden av, som ble brukt til å kalibrere detektor geometrien som beskrevet i prosedyren. Silisium standard besto av en unstrained, lab-vokst silisium én krystall kutte for å avsløre (001) ansiktet. Samplingsfrekvens og standard ble plassert på scenen på χ = 45° og detektoren ble plassert ved 90° i forhold til røntgenbilde stråle forplantning.

Den grove prøveposisjon lå med kameraet justeringen systemet på beamline. Prøven ble deretter kartlagt ved hjelp av XRF (figur 1 c). Siden silisium og karbon er for lyst til å bli oppdaget av XRF detektoren, ble plasseringen av krystallen fastsatt basert på mangel på XRF intensitet, omkringliggende matrix er Ca - og Fe-rike. XRF kartet ble brukt til å nøyaktig fastslå grensene for XRD kartet.

Kart 1,064 µm x 1,080 µm ble definert med 8 µm steg størrelse i både x- og y-retningene. Totalt 17,955 Laue x-ray Diffraksjon mønstre ble spilt inn med en 0,5 s eksponeringstid. Indeksering av moissanite ble forsøkt med to av de oftest naturlig silisiumkarbid polytypes, 4H-SiC og 6H-SiC, bruker programmet XMAS og den lokale XMAS klyngen. Behandling av datasettet tok under 20 min på denne måten.

Både 4H-SiC og 6H-SiC er Sekskantet (P63mc) krystall strukturer består av vekslende Si og C lag langs c aksen, med den største forskjellen er antall lag i hver struktur (4 versus 6) og derfor lengden på den c -akse (4 H-SIC: en = 3.073 Å, c = 10.053 Å; 6 H-SiC: en = 3.073 Å, c = 15.07 Å)19. Innledende undersøkelser peak intensitet (figur 2a) tydelig tilsvarer både mikroskopi og XRF bilde av moissanite fra figur 1. Første forsøk på indeksering ble gjort med 4H-SiC som starter modell (figur 2b). Manuell analyse av et mønster fra kroppen av prøven viser at 4H-SiC montering er bra (figur 2 c), og når du tilordner disse resultatene, er det klart at de fleste av crystal kan lett bli indeksert som 4 H-SiC (figur 2b). Området nederst til høyre, når manuelt undersøkt, viser at prøven er polycrystalline, og bedre indekseres som 6h-SiC (figur 2d).

Når du ser på et 6H-SiC indeksering kart (figur 3a), står ett område ut som har lav indeksering suksess. Ved nærmere undersøkelse, kan flere overlappende Diffraksjon mønstre med bred og uregelmessig Diffraksjon topper observeres (figur 3b-d). Disse indeks som silisium; minst tre crystallites kan indekseres, overlappende i samme region (Figur 3). Ved Lukk undersøkelse av personlige topper, kan det ses at hver korn består av flere subgrains, og at betydelig plast deformasjon, demonstrert av 3D peak figuren (figuren 3e-g), er i silisium.

Pulver Microdiffraction

Vi målt kart Diffraksjon av en oliven snegle skall (Oliva fulgurator, Grand Cayman øy) mudderbunn. Shell var montert i en epoxy puck, som var så klippe og omtrent polert for å avsløre skallet. Prøven ble deretter festet på scenen med dobbeltsidig tape og en fase rotasjon av χ = 15°, og et testmønster ble registrert for å bestemme den potensielle fasen av interesse (Figur 4). En XRF kart ble tatt med Ca og Fe for å finne eksempel motor koordinatene (figur 5a-b).

For Diffraksjon, detektoren ble plassert ved 50° forhold til prøven, og strålen monochromated til 8 keV (1.5498 Å). Pulver Diffraksjon mønstre ble tatt over et 2,380 x 460 µm område i 20 µm skritt benytter en 10 s eksponeringstid. 2,737 samlet pulver Diffraksjon mønstrene matche tydelig Aragonitt gjennom hele målingen. (040) bredden, d-avstand og χ asimut vinkelen på maksimale intensitet (som kvalitative mål tekstur) var beregnet for hvert mønster og plottet, viser en sammenheng mellom bestemte retninger og topp posisjon/d-avstand (figur 5 c- f). Beregning er automatisk gjennom XMAS og datasettet ble behandlet på en stasjonær datamaskin i under 1,5 t.

Figure 1
Figur 1 . Moissanite prøve (en) Moissanite eksempel innebygd i epoxy pucken. Tre moissanite krystaller kan identifiseres optisk. (b) høyere forstørrelsen microscope bilde av regionen rundt. (c) X-ray fluorescens (XRF) kart over utvalget. XRF måler alle intensiteten fra 2000-20.000 eV. Siden Kα1 utslipp linjene av Si og C er 1,740 og 277 eV, henholdsvis, kan moissanite prøven identifiseres av en mangel på målt intensitet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 . Én krystall indeksering resultater for moissanite. (en) gjennomsnittlig peak intensitet over alle målt mønstre. Viktigste omrisset av moissanite kan lett sees. Andre høyintensiv regioner tilsvarer andre silikat eller karbonat faser som inngår i omkringliggende vert matrix. (b) antall topper indeksert i fase 4 H-SiC. Avvik i eksemplet form mellom (a) og (b) er på grunn av moissanite Diffraksjon nedenfra utsatte overflaten av utvalget. (c) indeksering av et mønster fra hoveddelen av krystall. : Topper kvadraters av modellen. Sirkler: topper forventet av modellen, men funnet ikke i Diffraksjon mønster. 4H-SiC gir bedre passform og passer alle observert topper med ingen flere topper spådd. (d) indeksering av et mønster fra regionen dårligere-fit for utvalget. Her, gir 6H-SiC en bedre kamp. De 4H-SiC mønster fra én-krystall hoveddelen kan også sees, underliggende sterkere 6H-SiC mønsteret. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 . Indeksering av plastisk stanget deformert multigrain Si. (en) nummeret av 6 H-SiC topper indeksert av XMAS17. Området der silisium toppene er intens, og silicon er utsatt på overflaten av prøven, er skissert i svart. (b-d) Tre Si korn kan observeres innen skissert i (a). (e) detaljert visning av mønster, som inneholder (-113) toppen av korn (c) og (1-13) toppen av korn (d). Pilene viser retningen visning for: (f), vertikal; (g), vannrett. På forstørrelse i (f) og (g) (signal til støy = 25), det kan sees at det er flere andre lokale maxima i grunnlaget for disse to toppene, som indikerer dannelsen av subgrains på grunn av plast deformasjon av silisium i dette eksemplet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 . Aragonitt mønstre i oliven snegle skall. (en) Raw oliven snegle skall mønster, Aragonitt mønster (rød) overlagd. 2θ og χ integrasjon instruksjonene er angitt. (b) 1 D integrert oliven sneglen skjellmønster. Λ = 1.54982. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 . Oliven snegle skall kart. Normalisert x-ray fluorescens (XRF) (en) Ca og (b) Fe. Aragonitt (040) peak (c) bredde, (d) d-avstand (e) integrert intensitet og (f) χ vinkel. Hvite piksler tilsvarer mangler piksler. Svart linje tilsvarer plasseringen kart som M201 speilet var ble returnert. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Vi presenterer en metode for kombinert x-ray Diffraksjon og XRF analyse av krystallinsk eksempler på ALS beamline 12.3.2. Mens verken Laue Diffraksjon, pulver Diffraksjon, eller XRF selv er nye metoder, beamline 12.3.2 kombinerer dem, samt en mikron skala røntgenbilde stråle størrelse, en skanning scenen system som er korrelert til detektor eksponering utløsere og en omfattende analyseprogramvare å tillate eksperimenter som ikke ville være mulig på laboratoriet instrumenter. Foton er på beamline flere størrelsesordener høyere enn hva som er oppnåelig på laboratoriet instrumenter. I tillegg typisk Laue Diffraksjon laboratorium instrumenter er utformet bare for retning vilje på enkelt krystaller, men er i stand til kartlegging på en skala, mens laboratorium pulver diffractometers er bare utformet for bulk målinger, og strålen størrelser overgår ofte flere hundre mikron i dimensjonen. En annen stor fordel av dette beamline, som ikke ble løst i protokollen, er at i situ eksperimenter kan og utføres rutinemessig. Beamline har oppvarming og kjøling, og den store arbeidsavstand på instrumentet i forhold til den typiske utvalgsstørrelsen brukerne kan også bringe i sine egne scener, for eksempel en diamond anvil celle, og utføre Laue eller pulver Diffraksjon i dette måte6.

Kombinert XRF/Laue målinger kan sammenlignes med SEM mål med E/WDS og EBSD. Disse teknikkene er vanligvis ansatt i geoscience, og kan brukes for fase identifikasjon og avgjørende kantete oppløsning20. Beamline 12.3.2 har imidlertid flere fordeler sammenlignet med SEM med E/WDS og EBSD. Dataene i fremgangsmåten som er beskrevet her kan samles på standard temperatur og trykk, så ingen spesielle forberedelser må gjøres for å plasseres i et system, som er nødvendig med en SEM. EBSD er svært følsomme for overflaten av prøven , og krever mye større omsorg i polering ikke å ødelegge det overflaten krystall gitteret. I kontrast, er Laue Diffraksjon litt av en bulk metode. x-ray strålen gjennomtrenging kan komme så mye som 100 µm, selv om de fleste av diffracted signalet kommer fra topp ~ 10 µm. Hvis en ledende strøk er allerede brukt, prøve Diffraksjon fortsatt lett kan sees ved Laue Diffraksjon (som belegget er polycrystalline og vil ikke generere en sammenhengende signal i hvit stråle-modus), men kan være vanskelig i EBSD. Også EBSD kan ikke være mulig for prøver som har opplevd alvorlige plast deformasjon, men Laue Diffraksjon utføres rutinemessig på slike eksempler (Figur 3). Begge metodene er hurtig. et godt krystallisert eksempel, opp til 10.000 Laue kan mønstre samles per time. Men ulempene å bruke Laue omfatter restriksjoner på synchrotron tiden mot at av et laboratorium SEM, potensielt høyere kostnader (mens synchrotron tid er gratis for brukere, fysisk tilgang kan kreve noen reisekostnader som ikke dekkes av den Synchrotron anlegget), vanskelighetene med å utføre kvantitativ elementær vilje (som er vanlig på laboratoriet E/WDS systemer), og til slutt, SEM programvare kan være mer brukervennlig enn XMAS, som de programvareutviklingsfirma lagene er vanligvis mye større for kommersielle programvareprodukter.

Flere trinn i teknikken er avgjørende. Riktig kalibrering er avgjørende hvis nøyaktig belastning eller d avstand resultater er nødvendig. Brennpunktet bestemmes ved å måle hendelsen stråle bredde på forskjellig fokus avstander før noen andre eksperimenter utført og uavhengig av kalibreringsprosedyren. Når du utfører kalibreringen, må prøven heves til samme høyde (z) som calibrant (calibrants som brukes er enten syntetisk silisium, syntetiske kvarts, yttrium aluminium garnet eller alumina pulver, avhengig av eksperimentet utføres) . Men i prøver plassert i grunne eller skotter vinkel, en liten forskyvning i Z-retningen kan føre til en ganske stor forskyvning i Y, og dermed til en betydelig endring i plasseringen av diffracting prøven i forhold til midtpunkt på bjelken. I tilfeller der posisjonelle feil har blitt observert, finner vi at et gjennomsnitt over kart utvalg kan fungere som en rimelig sample-til-detektor calibrant, med tilordnede stammer deretter å være i forhold til gjennomsnittet i stedet for en ekstern calibrant. Denne prøven geometri er mindre vanlig i geofysiske programmer, begrenset hovedsakelig til når store (> 4 Å) d-spacings må måles i en reflekterende geometri bruker monokromatisk lys. Når du utfører kalibreringen, antas eksemplet for å være unstrained, så alle avvik fra de calibrant toppene kantete relasjoner i indeksering og belastning beregningen antas for å komme fra avvik i "kjent" detektor posisjon med hensyn til prøven. Når prøven belastning beregnes, parameterne detektor, antas for å være kjent, så alle avvik vil bli behandlet som et resultat av deviatoric stamme i utvalget. Derfor de to typene raffinement er sterkt korrelert og bare én type må brukes samtidig.

Man må også være forsiktig ved behandling av data. Detaljer om matematiske prosessene bak XMAS finnes i Tamura17. Når indeksering og belastning avgrensning utføres hver, åpnes et eget vindu med store mengder informasjon, for eksempel peak hkl, peak energi, intensitet, retningen av krystall, deviatoric belastning parametere, etc. Hvis riktig programmet vil også bruke stress-belastning forholdet til å beregne en rekke stress tensors og verdier, som også vises i enheter av MPa stivhet tensoren ble brukt. Når automatisere prosessene, finnes det tre forskjellige metoder. Mens metoden NERSC presenteres her, kan automatisering også fortsette på en lokal maskin eller en lokal klynge. I alle tilfeller utdataene blir en .seq fil, som inneholder mye av den samme informasjonen som i den personlige indeksering og belastning raffinement utgang windows, men ordnet slik at hver rad tilsvarer én diffracted piksel. Generelt, automasjon programmet er avhengig av gode første gjetninger å sikre gode resultater. For eksempel i moissanite (figur 2b), kan piksler i regionen 6 H-SiC bli indeksert som 4 H-SiC med et stort antall sammenfallende topper (40 +). Når du ser på kartet over indekserte topper (figur 2b), er det klart at regionen 6 H-SiC ikke blir indeksert riktig fra det enkle faktum at regionen riktig indeksert passer mer enn 70 topper per piksel. Når indeksert som 4H-SiC, det kan sees at ikke alle toppene er tilpasning (figur 2d), som angir at krystallstruktur er passe. Når passe området prøven undersøkes manuelt, blir det klart at prøven er polycrystalline. 4H-SiC krystall toppene kan identifiseres visuelt og i grovt samme posisjoner på detektoren bilde i figur 2 c. En annen, sterkere intensitet, mønster ligger øverst. Dette mønsteret kan bli indeksert som 6H-SiC (figur 2d). Kontrasten mellom disse to regionene i utvalget og deres nært beslektet enhet celler serverer å vise at hensyn må tas når indeksering; Selv om mange topper er indeksert (som der 4 H-SiC er riktig tilordnet til ~ 40 topper), modellen kan fortsatt være feil, og manuell bekreftelse er nødvendig. Andelen av ikke-indekserte refleksjoner og/eller manglende refleksjoner (spådd men ikke funnet) gir god indikasjon på misindexation. Men manuell verifikasjon var nødvendig å finne ut om dette området ble en annen retning (som kan ha et annet antall synlige topper), var plastisk stanget deformert eller nanocrystalline (som kan føre til problemer med å finne topp Protocol), eller var misindexed som er tilfelle her. Dette eksemplet viser at første automatiserte kartlegging resultater krever ytterligere bekreftelse før konklusjoner kan trekkes eksempel.

Figur 5 viser også flere viktige saker som kan oppstå. For eksempel vises Fe XRF signalet på første correlate med retningen og d-avstand tomter, noe som antyder at disse variantene er på grunn av komposisjonelle variasjon. Når bekreftet bruker SEM/energi-dispersiv spektroskopi (fra Kai Chen gruppen på Xi'an Jiaotong University, Xi'an, Kina), var imidlertid kompositoriske variasjonen ikke observert. Dette viser at uvanlig eller uventet signal variasjoner i XRF må bekreftes manuelt. I dette tilfellet vi re-målt personlige XRF spectra og bestemt at økningen i intensitet skyldtes annerledes orientert lagene i skallet, som fungerte som en Diffraksjon rist som noe sammenfaller med Fe signalet. Grunnen denne målingen oppstod er bredt todelt. Den første grunnen er at XRF signalet ble indusert ved hjelp av en polykromatisk (hvit) bjelke, som har en økt sannsynligheten for at en elastisk signal (fra Diffraksjon, som kan være forårsaket av en Diffraksjon rist) er plukket opp av detektoren. Den andre grunnen ligger med måte i som XRF data er ervervet: Når kart XRF er automatisert, til rå spectra lagres ikke for hver piksel. Snarere er totalt teller over et bestemt spectral område tabuleres for hver piksel og lagret i en txt-utdatafil. I dette bestemte kartet måler Fe signalet faktisk totalt intensitet mellom 6,200-7,316 eV, så en rist som diffracts noe energi innenfor dette området slik at det er rettet mot XRF detektoren ville føre en spiker i oppfattet Fe konsentrasjon. Dette bringer opp en annen potensiell misstep: elementær området må være nøye vurdert og valgt før begynnelsen av måling, slik at de valgte toppene ikke overlapper med andre potensielle elementer som utvalget kan inneholde. I tillegg tillater manuell bekreftelse av XRF spekteret bestemt piksler brukere å observere om til spectra ser rimelig for bestemte elementer. Eventuelt avsøking monokromatisk fluorescens kan generere Diffraksjon toppen som forårsaket dette spiker, men monokromatisk skanner er mye tregere på grunn av lavere flux.

I figur 5 c-d, kan en eller to rader med det meste mangler piksler observeres; datapunktene ble samlet, men toppen passende programmet mislyktes for disse bestemte mønstre. I dette tilfellet slet XMAS med integrering protokollen fordi røntgenbilde stråle hadde driftet gjennom den lange målingen, fører til en nedgang i Foton fluks. Dette ble korrigert manuelt under datainnsamling, hvoretter peak intensiteten økt dramatisk (figur 5e). Det er viktig at strålen overvåkes gjennom datainnsamlingsprosessen, slik at signalet til støyforhold er stort nok for dataene behandles. Den samling programvaren har evnen å automatisk stoppe eller starte samlingen hvis IC teller dukkert under en bruker bestemt terskel.

Fremtidig utbygging vil fokusere på synkende strålen størrelse synkende samling tid, økende strålen stabilitet forbedringer, og optisk system for bedre eksempel visualisering under datainnsamlingen. Vi arbeider også med å utvikle en ny plattform uavhengig og forbedret programvare for dataanalyse som ikke er avhengig av tilgang til en tredjepart programvare (f.eksXMAS nå krever bruk av en kjøretidsversjon av IDL for sin visualisering Interface).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Denne forskningen brukt ressurser av lyskilde avansert, som ikke er en DOE kontoret av vitenskap bruker anlegget kontrakt. DE-AC02-05CH11231. Vi ønsker også å erkjenne Dr. L. Dobrzhinetskaya og E. O'Bannon for å bidra moissanite prøven, C. Stewart hennes oliven snegle skall data, H. Shen for å forberede oliven snegle skall, og G. Zhou Prof K. Chen for EDS målinger på oliven sneglen Shell.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Xu, C. Z., et al. Elemental Topological Dirac Semimetal: α-Sn on InSb(111) . Phys Rev Lett. 118, (14), 146402 (2017).
  5. 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).
  6. Zhou, X., et al. Reversal in the Size Dependence of Grain Rotation. Phys Rev Lett. 118, (9), 096101 (2017).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Mass, T., et al. Amorphous calcium carbonate particles form coral skeletons. P Natl Acad Sci. 114, (37), E7670-E7678 (2017).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Beckhoff, B., Kanngießer, B., Langhoff, N., Wedell, R., Wolff, H. Handbook of Practical X-Ray Fluorescence Analysis. Springer Science & Business Media. (2007).
  17. Tamura, N. XMAS: A Versatile Tool for Analyzing Synchrotron X-ray Microdiffraction Data. Strain and Dislocation Gradients from Diffraction. 125-155 (2014).
  18. Dobrzhinetskaya, L., et al. Moissanite (SiC) with metal-silicide and silicon inclusions from tuff of Israel: Raman spectroscopy and electron microscope studies. Lithos. (2017).
  19. 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).
  20. Electron Backscatter Diffraction in Materials Science. Springer US. Available from: //www.springer.com/us/book/9780387881355 (2009).
Synchrotron X-ray Microdiffraction og fluorescens avbildning av Mineral og Rock prøver
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Stan, C. V., Tamura, N. Synchrotron X-ray Microdiffraction and Fluorescence Imaging of Mineral and Rock Samples. J. Vis. Exp. (136), e57874, doi:10.3791/57874 (2018).More

Stan, C. V., Tamura, N. Synchrotron X-ray Microdiffraction and Fluorescence Imaging of Mineral and Rock Samples. J. Vis. Exp. (136), e57874, doi:10.3791/57874 (2018).

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