Summary
해발 라멜라의 형태, 구성 및 간격을 분석하면 화산 및 변형과 관련된 지질 학적 과정을 이해하는 데 필수적인 정보를 제공 할 수 있습니다. 우리는 이러한 라멜라의 특성화를 위한 APT의 새로운 적용을 제시하고 전자 현미경 검사법 및 FIB 기지를 둔 나노단층 촬영의 전통적인 사용에 이 접근을 비교합니다.
Abstract
요소 확산 속도와 온도/압력은 다양한 기본 화산 및 변형 공정을 제어합니다. 이러한 과정은 종종 숙주 광물 상에서 해결 된 라멜라에 기록됩니다. 따라서, 해침 라멜라의 배향, 크기, 형태, 조성 및 간격의 분석은 지질과학에서 활발한 연구의 영역이다. 이러한 라멜라에 대한 종래의 연구는 전자 현미경 검사법(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM)을 스캔하여 수행되었으며, 최근에는 집중된 이온 빔(FIB) 기반 나노단층 촬영과 함께 제한된 화학 적 정보를 가지고 있습니다. 여기에서, 우리는 활성 Soufrière 힐스 화산에서 분출 재 예금에서 화성 티타노 마그네나이트에서 ilmenite exsolution lamellae의 나노 스케일 분석을위한 원자 프로브 단층 촬영 (APT)의 사용을 탐구 (몬세라트, 영국 서인도 제도). APT는 인터라멜라 간격(14-29±2 nm)의 정확한 계산을 허용하고, Exsolved lamellae와 숙주 크리스탈 사이의 Fe 및 Ti/O 교환 중에 날카로운 위상 경계없이 부드러운 확산 프로파일을 나타냅니다. 우리의 결과는 이 새로운 접근이 압출 속도 및 용암 돔 실패를 모델링하는 데 필요한 용암 돔 온도를 추정하는 수단을 제공할 수 있는 라멜라 조성 및 인터라멜라 간격의 나노스케일 측정을 허용한다는 것을 건의합니다. 화산 재해 완화 노력에 핵심적인 역할을 합니다.
Introduction
화학 광물학에 대한 연구는 광물이 결정화 중과 결정화 후 지질 학적 과정을 적극적으로 기록하기 때문에 100 년 이상 지구 과학 분야의 주요 정보 원천이었습니다. 화산 과 변형 동안 온도 변화와 같은 이러한 프로세스의 물리 화학 적 조건은 미네랄 핵 형성 및 화학 적 핵 형성 및 성장 중에 화학 적 핵, 줄무늬 및 라멜라의 형태로 기록됩니다. 엑액램멜라형태는 상이 고체 상태에서 2개의 분리된 상으로 혼합될 때 형성한다. 이러한 해침 라멜라의 배향, 크기, 형태 및 간격의 분석은 화산및 변성 동안 온도 및 압력 변화를 이해하는 데 필수적인 정보를 제공할 수 있습니다1,2,3 및 광석 광물 퇴적물의 형성4.
전통적으로, 엑출액 라멜라에 대한 연구는 간단한 주사 전자 이미징5에의한 현미경 의 관찰과 함께 수행되었다. 최근에는 에너지 여과된 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 나노 레벨1,2,3에서상세한 관찰을 제공함으로써 대체되고 있다. 그럼에도 불구하고, 두 경우 모두, 관측은 2차원(2D)으로 이루어지며, 이는 이러한 엑솔루션 라멜라에 의해 표현되는 3차원(3D) 구조에 완전히 적합하지 않다. 나노토그래피6은 미네랄 입자 내부의 나노 스케일 특징을 3D 관찰하기 위한 새로운 기술로 부상하고 있지만, 이러한 특징의 조성에 대한 정보가 부족합니다. 이러한 접근법에 대한 대안은 원자 프로브 단층 촬영(APT)을 사용하는 것으로, 재료의 특성화에 대해 존재하는 가장 높은 공간 분해능 분석 기법을 나타내는7. 이 기술의 강도는 나노 스케일 피처의 3D 재구성과 원자 규모의 화학 조성을 거의 100만 개에 가까운 분석 감도7을결합할 수 있는 가능성에 있습니다. 지질 학적 샘플의 분석에 APT의 이전 응용 프로그램은 우수한 결과를 제공했다8,9,10,11,특히 원소의 화학 적 특성에 확산 및 농도9,12,13. 그러나,이 응용 프로그램은 변태 및 화기 암석에 호스팅 일부 미네랄에 풍부한 exsolution lamellae의 연구에 사용되지 않았습니다. 여기에서는 화산 티타노마그네트 결정의 크기 및 구성 및 화산 티타노마그네트 결정의 인터라멜라 간격을 분석하기 위해 APT의 사용과 그 한계를 탐구합니다.
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Protocol
1. 광물 곡물의 소싱, 선택 및 준비
참고: 샘플은 몬세라트 화산 천문대(MVO)의 카탈로그 컬렉션에서 얻어졌으며, 2009년 10월 5일에 발생한 수프리에르 힐스 화산의 활발한 재 배출 에피소드에서 유래한 퇴적물에서 유래했습니다. 이것은 3 일 동안 13 개의 유사한 사건 중 하나였습니다14. 이 재 배출은 10월 9일에 시작된 용암 돔 성장(5단계)의 새로운 단계에 앞서 시작되었습니다. 이 샘플의 이전 분석은 조밀한 돔 암석 파편, 유리 입자 및 우발적 인 리틱스(14)의조합인 것으로 나타났다.
- 1g의 화산재 샘플을 직경 10cm의 유리 페트리 접시에 붓습니다.
- 무게 용지의 작은(3cm x 3cm) 시트를 10G 자석 주위에 감습니다.
- 종이로 감싼 자석을 사용하여 재 시료에서 직경 100 μm에서 500 μm 사이의 자석이 풍부한 곡물을 당기고 직경 8cm의 스테인레스 스틸 체에 놓습니다.
- 스퀴즈 병을 사용하여 20-30s의 탈이온수로 헹구어 더 작고 응집재 입자(체통과)를 제거하고 24시간 동안 공기 건조시.
- 이차 전자 현미경 (SEM)에 적합한 샘플 마운트에 깨끗하고 건조한 회분 입자를 부착합니다. 15-20 kV 가속 전압에서 이차 전자 모드의 이미지와 10mm의 작동 거리에서 추가 분석을위한 5-10 최고의 후보를 선택합니다. 선택한 곡물은 주로해야 (>50%) 자석(그림 1a,b).
- 선택한 회분 알갱이를 테이프를 지우고, 진공 그리스로 내부적으로 코팅된 1인치 직경의 중공 몰드(금속, 플라스틱 또는 고무)로 둘러싸고 에폭시 수지를 부어 금형을 채웁니다(2cm3). 특정 에폭시 지침에 따라 에폭시를 치료할 수 있습니다.
- 에폭시가 경화되면 곰팡이에서 제거하고 바닥에서 테이프를 벗깁니다. 재 곡물은 부분적으로 노출되어야합니다.
- 다섯 가지 grit 크기의 SiC 연삭 용지를 사용하여 에폭시 주조 재 곡물을 연마합니다 (400, 800, 1200, 1500 및 2000 모래).
- 적어도 10 분 동안 그림 8 모션에서 가장 높은 (400)에서 가장 낮은 (2000)까지 각 모래 크기로 샘플을 연마하십시오. 모래 크기 사이에, 10 분 동안 탈이온 수의 욕조에서 샘플을 초음파 처리.
- 현미경으로 시료를 확인하여 연마 모래가 존재하지 않는지, 샘플 표면에 흠집이 없는지 확인합니다. 스크래치가 있는 경우 초음파 처리및 다음 그릿 크기로 이동하기 전에 이전 모래 크기로 연마 절차를 반복합니다.
- 에폭시 고양이 재 곡물을 1.0 μm의 알루미나 연마 현탁액으로 연마한 다음 연마 천에 0.3 μm를 연마합니다.
- 적어도 10 분 동안 그림 8 운동에 각 현탁액으로 샘플을 연마. 서스펜션 크기 사이에, 10 분 동안 탈이온수의 욕조에서 샘플을 초음파 처리.
- 현미경으로 시료를 확인하여 현탁액이 존재하지 않고 샘플 표면에 흠집이 없는지 확인합니다. 스크래치가 있는 경우 초음파 처리및 다음 서스펜션 크기로 이동하기 전에 이전 서스펜션으로 연마 절차를 반복합니다. 연마 절차가 끝나면 에폭시 표면이 매끄러워야하며 재 입자는 평평하고 잘 노출되어야합니다.
- 사용 가능한 스퍼터 코팅 장치를 사용하여 ~ 10 nm 두께의 탄소의 전도성 코팅으로 샘플 표면을 코팅합니다.
- 전자 현미경을 사용하여 15-20 kV 가속 전압및 10mm의 작동 거리로 재입자의 역산 전자 이미지를 획득하여 이전에 실시된 것처럼 자석에서 압출 라멜라의 위치를 결정합니다(그림1c). 연구5.
그림 1: 수프리에르 힐스 화산의 환기구 에피소드에서 나온 자석이 풍부한 재 곡물의 예. (a, b):자석 입자에서 반응및 미반응 질감의 백산 전자 이미지(BSE). (c)잠재적인 일메네이트 조성물의 해침 라멜라(밝은 회색 래스; 적색 화살표)의 존재를 나타내는 광택 자력 입자의 BSE 이미지. (d)원자 프로브 단층 촬영 (APT) 분석을 위해 제조 된 광택 자석 입자의 이차 전자 이미지, 일부 엑액 라멜라 (점선 적색 선)의 위치를 보여주는, 이는 모든 곡물 표면을 따라 분포하고, 쐐기 추출(파란색 화살표). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 원자 프로브 단층 촬영 (APT) 샘플 준비
- APT 샘플은 FIB 기반 리프트아웃프로토콜(16)을 채용한 해침 라멜라의 존재를 드러내는 물질의 쐐기로부터 제조될것이다(도 2). FIB 작업 전에 스퍼터는 전자 충전 및 샘플 드리프트를 피하기 위해 Cu의 15 nm 층으로 샘플 표면을 코팅합니다.
- 이중 빔 스캐닝 전자 현미경(FIB-SEM)에서 집중 된 이온 빔을 사용하여, 30에서 갈륨 (Ga+)이온 빔을 사용하여 1.5 μm x 20 μm 영역에 라멜라를 함유하는 광택 섹션에 백금 (Pt) (두께 3 μm)의 직사각형을 증착 kV 및 7 pA.
참고: 이 백금 층은 이온 빔 손상으로부터 관심 영역(ROI)을 보호하기 위해 증착됩니다. - 이온 빔(30 kV, 1 nA)을 사용하여 Pt 직사각형의 3면 아래에 있는 재료의 3개의 쐐기를 밀링합니다. 그림 1과 그림 2를참조하십시오.
- 가스 분사 시스템(GIS)을 삽입하고 최종 에지를 절단하기 전에 GIS 증착 Pt를 사용하여 위치 나노 조작기내로 웨지를 용접합니다(도2a).
- Ga+ 이온 빔 (5 kV 및 240 pA)을 사용하여 쐐기에서 10 개의 1-2 μm 너비 세그먼트를 자르고 마이크로 팁 배열 쿠폰의 Si 기둥 꼭대기에 Pt로 순차적으로 부착하십시오(그림 2b-d).
- 점점 더 작은 내경 및 외부 직경의 환상 밀링 패턴을 사용하여 각 시편 팁을 모양과 선명하게합니다(그림 3). 처음에는 30 kV에서 밀링을 수행하여 APT에 필요한 시편 형상을 생성한다(도3,좌측패널).
- Ga+ 이식을 줄이고 일관된 팁 대 팁 형상(그림3,오른쪽 패널)을 얻기 위해 5 kV의 가속 전압에서 최종 밀링을 수행합니다.
- SEM의 측정 도구를 그림에 적용하여 팁 상단의 지름이 50-65nm이고 팁의 생크 각도는 25°에서 38°까지 유지되도록 합니다.
참고 : 자세한 내용은 기존의 리프트 아웃 프로토콜16을설명, 이전에 게시되었습니다.
도 2: APT 분석을 위한 FIB-SEM 샘플 준비 프로토콜의 예. (a)나노 조작기 (Nm)를 가진 쐐기 (W) 리프트 아웃 추출. (b)구리 클립에 장착 된 실리콘 포스트의 마이크로 쿠폰 배열의 측면보기. (c)웨지 섹션을 장착하기위한 나노 조작기를 보여주는 실리콘 포스트의 마이크로 쿠폰 배열의 상단보기. (d)웨지 프래그먼트(S)를, 보호 백금 캡(Ptc)의 일부를 나타내고, 백금(Ptw)으로 용접한 후 실리콘 포스트에 장착된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: APT 분석을 위해 준비된 팁의 예. (왼쪽) 선명한 첫 번째 단계 후 팁의 이미지. (오른쪽) 낮은 kV 세척 후 동일한 팁의 이미지로 팁 반지름(67.17 nm)과 생크 각도(26°)를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. APT 데이터 수집
- 피코 초 355 nm UV 레이저가 장착 된 국소 전극 원자 프로브 (LEAP)로 분석을 수행합니다. 표 1의특정 LEAP 실행 매개 변수를 참조하십시오.
참고: 분석은 알라바마 대학의 중앙 분석 시설 (CAF)에 보관 된 피코 초 355 nm UV 레이저가 장착 된 LEAP로 수행되었습니다. - 날카로운 팁마이크로 쿠폰을 장착하고 Si 기둥에 용접하여 표본 퍽에 넣고 LEAP 내부에 배치하기 위해 회전목마에 로드합니다.
- LEAP의 버퍼 챔버 내부에 회전목마를 삽입합니다.
- 레이저 헤드를 켜고 레이저 보정을 수행합니다.
- 6 x10-11 Torr 이하의 분석 챔버에서 진공을 달성한 후 퍽 시편을 주 분석 챔버에 삽입합니다. 이를 위해 전사봉; 이것은 일련의 자동 단계 및 수동 삽입으로 작동됩니다.
- 분석하기 전에 시편 퍽을 이동하여 마이크로 쿠폰을 로컬 전극과 정렬하고 데이터베이스를 업데이트하여 팁 번호를 표시하여 팁을 선택합니다.
참고: 6개의 팁 중 4개가 성공적으로 분석되었고(분석 중에 2개 골절) 26~9,200만 개의 총 검출 된 이온에 이르는 다양한 양의 수집 된 데이터가 발생했으며, 이는 160-280 nm 두께의 자석 층을 제거하는 데 해당합니다(참조). [표1)]의 특정 LEAP 실행 매개 변수를 참조하십시오.
| 견본 | 207 | 217 | 218 | 219 |
| 샘플 설명 | SHV 자석 | SHV 자석 | SHV 자석 | SHV 자석 |
| 계측기 모델 | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS |
| 계측기 설정 | ||||
| 레이저 파장 | 355 nm | 355 nm | 355 nm | 355 nm |
| 레이저 펄스 속도 | 60 pJ | 30 pJ | 30 pJ | 30 pJ |
| 레이저 펄스 에너지 | 500 kHz의 | 500 kHz의 | 500 kHz의 | 500 kHz의 |
| 증발 제어 | 검출 속도 | 검출 속도 | 검출 속도 | 검출 속도 |
| 목표 검색속도(%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 명목 비행 경로(mm) | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 온도 (K) | 50 | 50 | 50 | 50 |
| 압력(토르) | 5.7x10-11 | 6.0x10-11 | 6.1x10-11 | 6.1x10-11 |
| ToF 오프셋, to(ns) | 279.94 | 279.94 | 279.94 | 279.94 |
| 데이터 분석 | ||||
| 소프트웨어 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 |
| 총 이온: | 26,189,967 | 92,045,430 | 40,013,656 | 40,016,543 |
| 단일 | 15,941,806 | 55,999,564 | 24,312,784 | 23,965,867 |
| 여러 | 9,985,564 | 35,294,528 | 15,331,670 | 15,716,119 |
| 부분 | 262,597 | 751,338 | 369,202 | 334,557 |
| 재구성된 이온: | 25,173,742 | 89,915,256 | 38,415,309 | 39,120,141 |
| 원거리 | 16,053,253 | 61,820,803 | 25,859,574 | 26,598,745 |
| 근거없는 | 9,120,489 | 28,094,453 | 12,555,735 | 12,521,396 |
| 배경(ppm/nsec) | 12 | 12 | 12 | 12 |
| 재건 | ||||
| 최종 팁 상태 | 골절 | 골절 | 골절 | 골절 |
| 사전/사후 분석 이미징 | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. |
| 반지름 진화 모델 | "전압" | "전압" | "전압" | "전압" |
| V이니셜; V파이널 | 2205 V; 6413 V | 2361 V; 7083 V | 2198 V; 6154 V | 2356 V; 6902 V |
표 1. 원자 프로브 단층 촬영 데이터 수집 설정 및 실행 요약.
4. APT 데이터 처리
- 처리 소프트웨어에서 데이터 집합을 열고(재료 표 참조) 데이터 분석을 위해 다음 단계를 수행합니다.
- 정보 설정을 검토합니다.
- 전압 기록 플롯을 기준으로 이온 시퀀스 범위를 선택합니다. 관심 있는 검출기 영역(ROI)을 선택합니다.
- 비행 시간(TOF) 수정을 수행합니다. TOF 보정을 위해 산소와 철에 해당하는 피크를 사용하십시오.
- 주 피크를 식별하여 질량 교정을 수행합니다.
- 특정 질량에 할당할 수 있는 이온 의 범위(이온)를 수행합니다.
- 팁 프로파일의 재구성을 수행합니다.
- 데이터를 두 가지 주요 형식으로 표시한다: 1) 대충전 상태 비율(Da) 화학 적스펙트럼(도 4); 및 2) 팁 표본의 3D 재구성(그림 5).
- 피크 범위를 전체 가시 피크로 정의하거나, 각 질량 대 충전 상태 비율 스펙트럼에 대해 큰 열 꼬리가 있을 때 수동으로 조정합니다(그림4). 이들 피크는 단일 원소 또는 분자 종을 나타내며, 피크의 분해는 각 팁 또는 특징(즉, 클러스터 및 엑액졸라멜라)에 대한 전체 화학적 조성물을 각 팁 내부에제공한다(표 2).
- 분석된 깊이의 함수로서 재구성된 반경을 결정하기 위해 "전압" 팁 프로파일방법(17)을 사용하여 3차원(3D) 팁 재구성을 수행한다(도5 및 Movie 1).
- 인터멜라 간격 측정을 수행하기 위해 엑액램멜라의 이소표면을 재구성하고(그림5)proxigrams17,18을 사용하여 숙주 광물-라멜라 화학적 관계를 확립한다(그림 6) ).
- 이미지 분석 소프트웨어로 인터라멜라 간격을 측정합니다.
도 4: 대표적인 APT 질량 대 충전 스펙트럼의 예. 단일 원소(예를 들어, 산소(O) 또는 철(Fe)) 또는 분자(예를 들어, FeO)에 대응하는 피크의 식별의 예를 보여주는 개별 원거리 피크를 가진 분석된 자성 결정에 대한 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 견본 | 207 | 217 | 218 | 219 | ||||||||
| 요소 | 원자 수 | 원자성 % | 1s 오류 | 원자 수 | 원자성 % | 1s 오류 | 원자 수 | 원자성 % | 1s 오류 | 원자 수 | 원자성 % | 1s 오류 |
| O | 9459276 | 40.263 | 0.0155 | 36679256 | 40.724 | 0.0080 | 15396155 | 41.010 | 0.0124 | 16212281 | 41.224 | 0.0122 |
| Fe | 9424298 | 40.114 | 0.0155 | 35948593 | 39.913 | 0.0079 | 14829905 | 39.502 | 0.0121 | 15006853 | 38.159 | 0.0116 |
| 미네소타 | 15954 | 0.068 | 0.0005 | 72884 | 0.081 | 0.0003 | 28166 | 0.075 | 0.0004 | 31450 | 0.080 | 0.0005 |
| Mg | 123755 | 0.527 | 0.0015 | 486732 | 0.540 | 0.0008 | 203596 | 0.542 | 0.0012 | 234231 | 0.596 | 0.0012 |
| 알 | 85598 | 0.364 | 0.0013 | 329602 | 0.366 | 0.0006 | 134637 | 0.359 | 0.0010 | 154779 | 0.394 | 0.0010 |
| Si | 13855 | 0.059 | 0.0005 | 39307 | 0.044 | 0.0002 | 16278 | 0.043 | 0.0003 | 25750 | 0.065 | 0.0004 |
| Na | 166 | 0.001 | 0.0001 | 1254 | 0.001 | 0.0000 | 447 | 0.001 | 0.0001 | 1468 | 0.004 | 0.0001 |
| Ti | 4360052 | 18.558 | 0.0097 | 16478946 | 18.296 | 0.0049 | 6920481 | 18.434 | 0.0076 | 7645849 | 19.442 | 0.0077 |
| H | 10657 | 0.045 | 0.0004 | 30522 | 0.034 | 0.0002 | 12899 | 0.034 | 0.0003 | 14478 | 0.037 | 0.0003 |
| 총 | 23493611 | 100.00 | 0.04 | 90067097 | 100.00 | 0.02 | 37542563 | 100.00 | 0.04 | 39327140 | 100.00 | 0.03 |
| Fe+Ti+O | 98.94 | 98.93 | 98.95 | 98.82 | ||||||||
| 페/티 | 2.16 | 2.18 | 2.14 | 1.96 | ||||||||
표 2. 분석된 모든 표본에 대한 원자 프로브 단층 촬영 벌크 조성 데이터.
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Representative Results
Soufrière 힐스 화산 (SHV) 분화의 다양한 단계에서 많은 티타 노 마그네타이트 결정처럼, 여기에 분석 된 결정은 exsolution lamellae & 10 μm 두께를 포함, 보조 SEM 이미지에서 볼 수(그림 1d),이는 영역을 분리 산화의 C2 단계를 나타내는 Ti-rich magnetite18. SEM 이미지에 기초하여, 이들 라멜라 사이의 간격은 2 ~6 μm(n=15)이다. 207, 217, 218 및 219로 불리는 4개의 티타노마그네트 시편 팁은 이 단결정에서 성공적으로 추출되어 APT에 의해 분석되었습니다(그림5). 2개의 시편(207 및 218)은 전체 Fe 및 Ti 둘 다의 균질농도를 나타내었으며(도5a),라멜라가 교차되지 않았다는 것을 나타낸다. 다른 2개의 시편(217 및 219)은 Fe, O 및 Ti에서 가변 농도를 가진 영역을 나타내보였다(도5b-e). 이러한 특징들은 서로 평행하고 테이퍼형 종단을 가지며, 이는 격자울타리일족18을나타낸다. 시편(219)은 시편(217)보다 교차된 라멜라의 더 큰 비율을 함유한다. APT 데이터의 3D 재구성(그림5c-e, Movie 1)은인터라멜라 간격(λ)의 정밀한 측정을 허용하고 시편 219(n =30)에 대해 평균 29nm, 시편 217에 대해 14 nm의 길이 스케일을 제공합니다. n = 15), 둘 다에 대해 1s 값이 2 nm입니다. 이러한 측정 외에도 APT는 근접그램 분석을 통해 이러한 라멜라에 걸쳐 화학 정보를 추출할 수 있도록 허용하며, 라멜라와 숙주 광물 사이의 교차점으로 포인트 0을 취합니다. 그림 6). 이러한 영역을 통한 Proxigram 확산 프로파일은 부드럽습니다. 결정 내의 Ti의 원자 농도는, 시편 217에서 17%, 표본 219에서 16.5%(도6)는티타노마그네타이트이며 SHV 분출물제품의 이전 석유분석과 일치한다는 것을 확인한다(18). 이들 프록시그램은 또한 라멜라의 조성이 일메네이트의 조성과 일치한다는 것을 확인한다(도6).
그림 5: 분석된 자석 팁의 3D 원자 재구성예(nm의 z 값). (a)시편(218)은 O, Fe 및 Ti의 균질 농도를 나타낸 것이다. (b)시편(219)은 Fe에서 고갈된 영역을 표시하고 O 및 Ti(더 가벼운 영역)에서 농축하였다. (c)표본(219)의 원소 등소농도 표면은, Fe <의 내외 농도를 나타내며, 30.0% 청색, Ti > 25.0% 옐로우, O< 51.5%를 나타냈다. (d)패널 C에서 동일한 영역의 보기를 보았지만 90°로 회전하여 측정된 라멜라 간격(l)을 나타낼 수 있습니다. (e)시편(217)은, 왼쪽 하부에서 비교적 작은 부분을 나타낸다(인트라멜라 농도: Fe < 19.0%, Ti > 33.0%, O< 49.0%). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 6: 표본 217 및 219에서 O, Fe 및 Ti의 원자 농도를 각각 나타내는 APT 데이터의 Proxigrams. x축(파선 수직선)의 거리는 왼쪽의 티타노마그네라이트와 오른쪽의 일메니트 라멜라 사이의 경계를 나타냅니다. 이 경계를 넘어, Ti 농도증가 17.0% 받는 번째 44.0% 그리고 에서 16.5% 받는 고 42.5% 표본에서 217 그리고 219, 각각. Fe 함량은 표본 217과 219에서 각각 37.7%에서 0.8%로, 38.5%에서 0.6%로 감소하였다. O 농도는 표본 217과 219에서 각각 40.0%에서 50.2%로, 38.8%에서 50.6%로 증가합니다. Ti와 O는 라멜라를 향해 확산되고(오른쪽) Fe는 라멜라에서 멀리 확산됩니다(왼쪽). 모든 측정에서 오차는 < 2 원자 %입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
영화 1. 표본 (219)의 3D 원소 이소농도 재구성, Fe <의 내외 농도를 보여주는 30.0% 파란색, Ti > 25.0% 노란색, O < 51.5% 보라색, 및 세로 (z) 축을 따라 360°회전. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
3D APT 데이터 재구성을 통해 기존 SEM 이미지에서 측정한 것보다 3배 더 높은 해상도로 분석된 결정에서 인터라멜러 간격을 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이것은 화학의 원자 변화가 광학적으로 관찰 가능한 광물학적 변화보다 작은 크기의 공간 적 범위에 걸쳐 발생한다는 것을 나타낸다. 또한, 측정된 인터라멜라 거리(29 nm 및 14 nm)는 별도의 단계의 핵 형성 및 성장에 대한 것과 는 달리 옥시엑액용의 길이 척도와 일치하며, 후자는 길이에 걸쳐 발생하며, 그 중 후자는 크기가 큰 19의 순서로 스케일링됩니다. ,20. 여기에서 검토된 티타노마그네트염의 옥시엑스액은 혼합 이벤트로 인해 챔버 내의 마그마의 가열또는 통풍구에서의 도관 및 방향을 통한 상승 동안 대기 노출에 의해 유발된 산화로 인해 발생할 수 있습니다. 본 연구에 사용된 티타노마그네트 결정은 직경이 10 μm 이하인 수많은 라멜라를 표시하여 전체 0.06 mm2 결정의 부분 해침에 충분한 시간을 나타낸다. 그 관찰, 샘플의 재 배출 기원과 함께, 라멜라가 통풍구에 배치 다음 용암 돔의 산화에서 형성 된 것을 시사한다.
그림 7: APT 팁에서 해침 라멜라를 포착하기 위한 다양한 가능성의 개략적 표현 및 라멜라 간격 측정에대한 의미(λ). 그림.
인터라멜라 간격의 이러한 측정은 분석된 4개의 팁 중 2개에서만 가능했으며 이 샘플링 바이어스는 오류를 유발할 수 있습니다. 결정의 나노 스케일 부피만 분석할 때 각 팁은 라멜라 분포의 부분표현을 캡처할 수 있으며, 잠재적으로 인터멜라 간격(λ)의 잘못된 계산으로 이어질 수있습니다(그림 7). 그럼에도 불구하고, 충분한 팁과 APT의 3D 단층 촬영 기능을 분석하여, 우리의 접근 방식은 다양한 점화 및 변형 과정을 이해하는 데 근본적일 수 있는 λ를 정밀하게 측정하는 새로운 방법을 제공합니다. 예를 들어, 자석 결정에서 Fe-Ti 확산의 분석은 수프리에르 힐스 화산19에서마그마 혼합 이벤트와 마그마 온도의 변화를 특성화하는 데 사용되었습니다. Fe와 Ti의 혼합 속도는 확산의 기간을 제한할 수 있는 경우 인터라멜라 간격의 정확한 측정에서 모델링할 수 있습니다. 이전 연구는 화성 침입21,22에서냉각 속도를 추론하기 위해 압출 라멜라를 활용했으며, APT를 사용하는 새로운 접근 방식은 잠재적으로 요소 상호 분산을 제한하고 계산을 개선하는 데 활용 될 수 있습니다. 활성 화산 시스템에서 마그마와 용암 돔온도의 23,24. APT는 나노 스케일에서 3D 구조물을 정밀하게 측정하는 것 외에도 동일한 공간 해상도를 위해 원자 단위로 화학 정보를 제공합니다. 이것은 티타노마그네트에서 일메인으로의 전환이 점진적이고 매끄럽다는 것을 입증했습니다(그림 6). 이것은 화학 정보 없이 현미경 검사법 관측 (SEM 및 TEM)에 근거를 둔 exsolving lamellae와 호스트 단계 사이 날카롭고 명백한 접촉을 건의하는 이전 연구 결과와 대조적입니다. 따라서 APT의 추가만이 이러한 상 전이의 지구화학적 특성을 정확하게 제공할 수 있습니다.
원자 프로브 단층 촬영 (APT)은 여전히 지질 응용 분야(25)에대한 새로운 기술이지만, 우리의 사례 연구는 발화 라멜라의 연구에 대한이 방법을 적용의 유용성을 보여줍니다, 매우 일반적인 광물에서 호스팅 변성 바위. 특히 화산 공정을 이해하기 위해 향후 연구에서는 용암 돔 전체에 걸쳐 용암 돔 전체(재 배출 에피소드 또는 돔 붕괴 이벤트에서 파생)를 통해 여러 샘플을 검사하여 변형을 더 잘 제한할 수 있습니다. 계산 된 확산 속도와 분출 에피소드 중 온도.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
이 작품은 보조금 EAR-1560779 및 EAR-1647012, 연구 및 경제 개발 부사장의 사무실, 예술 과학 대학, 지질 과학학과를 통해 국립 과학 재단 (NSF)의 자금지원으로 지원되었다. 저자는 또한 키아라 카펠리, 리치 마틴스와 조니 굿윈기술 지원과 재 샘플을 제공하기위한 몬세라트 화산 천문대를 인정합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| InTouchScope Secondary Electron Microscope (SEM) | JEOL | JSM-6010PLUS/LA | |
| Focus Ion Beam (FIB) Secondary Electron Microscope (SEM) | TESCAN | LYRA XMU | |
| Local Electrode Atom Probe (LEAP) | CAMECA | 5000 XS | |
| Integrated Visualization and Analysis Software (IVAS, version 3.6.12). | processing software |
References
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