Høytrykksenkelt Crystal Diffraksjon på PX ^ 2

Chemistry
 

Summary

I denne rapporten beskriver vi detaljerte prosedyrer for gjennomføring av enkeltkrystall Røntgendiffraksjonsstudier eksperimenter med en diamant ambolt celle på GSECARS 13-BM-C beamline på Advanced Photon Source. Atrex og RSV programmene brukes til å analysere dataene.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Zhang, D., Dera, P. K., Eng, P. J., Stubbs, J. E., Zhang, J. S., Prakapenka, V. B., Rivers, M. L. High Pressure Single Crystal Diffraction at PX^2. J. Vis. Exp. (119), e54660, doi:10.3791/54660 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

I denne rapporten beskriver vi detaljerte prosedyrer for gjennomføring av enkeltkrystall Røntgendiffraksjonsstudier eksperimenter med en diamant ambolt celle (DAC) på GSECARS 13-BM-C beamline på Advanced Photon Source. DAC programmet på 13-BM-C er en del av Partnerskap for Extreme Xtallography (PX ^ 2) prosjekt. BX-90 typen DAC med konisk-type diamant ambolter og bakplatene er anbefalt for disse eksperimentene. Prøvekammeret bør være lastet med edelgass for å opprettholde et hydrostatisk trykk miljø. Prøven er justert til rotasjonssenteret av den diffraksjon goniometer. Den MARCCD området detektoren er kalibrert med et pulver diffraksjon mønster fra lab 6. Prøven diffraksjonstopper analyseres med Atrex program, og deretter indeksert med RSV programmet. RSV blir brukt til å raffinere UB matrise av én krystall, og med denne informasjonen og toppen varslingsfunksjon, kan flere diffraksjonstoppene bli plassert. Representantenkeltkrystall diffraksjonsdata fra en omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 3+ Fe 0,14 0,02) Si 2 O 6 prøven ble samlet opp. Analyse av dataene gav en monoklint gitter med P2 / n romgruppen på 0,35 GPa, og gitterparameterne ble funnet å være: a = 9,496 ± 0.006 Å, b = 8,761 ± 0,004 Å, c = 5,248 ± 0.001 Å, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90º.

Introduction

Enkeltkrystall-røntgendiffraksjon er en av de mest effektive og veletablerte måter å bestemme den kjemiske sammensetning og struktur av et krystallinsk materiale ved forskjellige forsøksbetingelser. Nylig har det vært en rekke 1-5 av utviklingen i høytrykks én krystall diffraksjon. Trykket er en av de viktigste faktorene som påvirker atferd og egenskaper til jorden og planet materialer. Høytrykks eksperimenter rutinemessig avsløre nye polymorfe av vanlige materialer og kan avdekke måter å syntetisere kjemikalier som er umulig å gjøre ved normale forhold. Nylig har flere nye silikat polymorfe blitt identifisert med høyt trykk én krystall diffraksjon, som gir ny innsikt i egenskapene til jordens mantel 6-8.

Forskjellig fra enkeltkrystall diffraksjon ved atmosfæretrykk, krever høyt trykk enkeltkrystall diffraksjon en trykkbeholder for å generere ogopprettholde trykket under datainnsamling. Den mest vanlige trykkbeholder som brukes i høytrykksenkeltkrystall diffraksjon er diamant ambolt cellen (DAC), som er sammensatt av et par diamant ambolter som holdes sammen av en metallramme / metall pakning, og et trykkoverførende medium for å tilveiebringe et hydrostatisk miljø i prøvekammeret 4,9-11. Én krystall diffraksjon ved hjelp av en diamant ambolt celle skiller seg fra diffraksjon ved normale forhold i flere viktige måter. Først blir dekningen av gjensidig plass betydelig redusert på grunn av begrenset røntgenvinkel adgang gjennom legemet av DAC og bakplatene. For det andre må den vinkelavhengige absorpsjon av røntgenstråler av diamanter og bakplatene bestemmes og anvendes for å korrigere diffraksjon signal slik at nøyaktige struktur faktorer kan beregnes. For det tredje, eventuell overlapping av prøvens diffraksjon signal med scatter eller diffraksjon fra DAC-komponenter, så som diamanter, pakning og trykk transmitting medium, må elimineres. For det fjerde, innretting av prøven i DAC til midten av goniometer er vanskelig. Retning vinkelrett lasten aksen til DAC alltid er blokkert av pakningen, og er ikke tilgjengelig for enten det optiske mikroskop eller røntgenstråle. I aksial retning, kan det optiske mikroskop bare visualisere en forskjøvet bilde av prøven på grunn av den høye brytningsindeksen til diamant. Disse forskjellene krever utviklingen av nye høytrykks enkrystall diffraksjon målemetoder.

Partnerskap for Extreme Xtallography (PX ^ 2) Prosjektet er et nytt forskningsinitiativ dedikert til høyt trykk én krystall diffraksjon med DAC. Prosjektet er vert på GeoSoilEnviroCARS Experimental Station 13-BM-C på APS, som gir det meste av infrastrukturen, inkludert detektorer, fokusert røntgen og en 6-sirkel heavy duty diffractometer 12,13 optimalisert for en rekke avanserte krystallografi experiments. Den diffraktometer har seks vinkelfrihetsgrader, fire prøve-orienterings (μ, η, χ og φ) og to detektor-orienterings (A og Uq). Vinkel konvensjonene fra Du 13 er brukt for å beskrive bevegelsen av prøven og detektoren, selv om η, χ og ø bevegelser er pseudo-vinkler avledet fra instrumentets kappa geometri real motorer. De eksperimentelle prosedyrer har blitt optimalisert for høyt trykk én krystall diffraksjon med DAC, og en pakke med databehandling og analyse programvarepakker har blitt utviklet. I dette manuskriptet, presenterer vi en detaljert protokoll for en typisk høyt trykk én krystall diffraksjon eksperiment ved hjelp av BX-90 typen DAC 9, som en guide for å samle inn og analysere data på PX ^ 2.

Protocol

1. Prøvepreparering

MERK: prøveopparbeidelse prosessen omfatter tre hovedtrinn: Klargjøre tom DAC, lasting prøven og lasting av inert gasstrykk overføring medium. DAC forberedelse og prøven lasting er blitt beskrevet i detalj i Lavina et al. 10, og trykkoverføringsmedium lasting er blitt beskrevet i elver et al. 14 Her har vi kort beskrive den typiske prøveopparbeidelse prosessen.

  1. Velg et par koniske diamanter med matchende bakplater.
    1. Pass på at den flate tips av diamant ambolter (culets) er identiske med hverandre.
      MERK: Diameteren på culet er avhengig av målet maksimale trykk av forsøket.
    2. Sørge for at den koniske huset til bakplaten stemmer overens med formen av den koniske diamant. Sikre at høyden av diamant, diameteren på baksiden av diamant, av gardinerg vinkelen til bakplaten og åpningsvinkelen av DAC er kompatible med hverandre, slik som å maksimere vinkel adgang for diffraksjon 9,15.
  2. Rengjør diamanter og bakplatene i en aceton ultralydbad i 3-5 min. Sett ultralyd renere å "Sonic" modus. Undersøk diamanter og bakplatene under en optisk mikroskop, og fjerne alt synlig støv eller rusk.
  3. Plasser diamant i det koniske huset til støtteplaten, og sammenstillingen i en monteringsjiggen.
  4. Påfør noen kg av lasten til diamant med komprimere skruer, slik at det er i intim kontakt med den bakre platen. Deretter gjelder 0,1 g av epoksy rundt den ytre omkrets av diamant. Oppvarme sammenstillingen til 70 ° C i 8 timer for å herde epoksyen.
  5. Rengjør innsiden av DAC, baksiden av bakplatene og culets av diamanter med aceton, og plasser bakplatene med diamanter i DAC.
  6. Adjust posisjonene av diamanter med settskruene som holder bakplaten på plass, slik at ambolten culets er konsentriske når de to motsatte diamanter kommer i kontakt med.
  7. Kontroller vinkel mellom de to culets jakt etter interferenslinjer under en optisk mikroskop. Justere hellingsvinkelen av diamanter av finjustering belastningen av settskruene, slik at antall frynser er minimert 10.
  8. Legg et stykke 250 mikrometer tykk rhenium (Re) metallfolie mellom de to diamanter, og fikse det på plass med voks.
    MERK: Dette re-folie fungerer som pakning av DAC.
  9. Gjelder belastning jevnt og langsomt ved å trekke til fire komprimere skruene på DAC, og overvåke tykkelsen endringen av Re pakningen med et mikrometer ved å måle den totale tykkelse av DAC sammenstillingen.
  10. Når tykkelsen av Re pakningen er ~ 40 mikrometer, fjerne lasten fra komprimere skruer langsomt, og ta ut den pre-innrykket pakning.
  11. Bruk en laser fresemaskin for å bore et hull i sentrum av den pre-skår, hvis diameter er minst 2/3 av culet diameter. Juster pakningen med en optisk mikroskop, og sette den tiltenkte pakningens diameter hull i laser Fres brukergrensesnitt. Trykk på "Scan" -knappen for å bore hull.
  12. Bløt boret pakning i aceton og rengjør den med en ultrasonisk renere i normal modus. Rengjør culets av diamanter med aceton. Sett boret pakning tilbake i DAC.
    MERK: hullet i pakningen tjener som prøvekammeret.
  13. Plasser en enkelt krystall prøve på midten av pakningen hull, som også bør være i sentrum av diamant culet.
    MERK: Den optimale sample size er 20 mikrometer x 20 mikrometer x 5 mikrometer (lengde x bredde x tykkelse).
  14. Plasser en liten ruby ​​sfære (~ 10 mikrometer i diameter) nær prøven.
    MERK: rubin sfære fungerer som trykket markør.
  15. Plasser DAC med prøven inne than kompre / GSECARS gass laste- fartøyet og last komprimert helium (He) eller neon (Ne) gass til et maksimalt trykk på ca. 25 000 psi for å fylle karet 14.
  16. Øke trykket inne i DAC prøvekammeret ved å trekke til å komprimere skruene på DAC, og overvåke trykket med rubin fluorescens 16.

2. Datainnsamling

  1. Stedet ~ 1 mg Lab 6 pulver ved rotasjonssenteret av den diffraktometer, og samle pulver diffraksjonsmønstre ved flere MARCCD detektorposisjoner som varierer med δ vinkel. Samle pulver diffraksjon mønstre ved å klikke på "Start" -knappen på MARCCD EPICS grensesnittet. Bruk denne diffraksjon mønster å kalibrere detektoren-sample avstanden og vinkelen på MARCCD detektoren 2.
  2. Etter endt detektoren kalibrering, fjerne Lab 6 standard fra diffractometer. Plasser DAC i prøveholderen, og sette den på the diffractometer prøvestadiet.
    1. Bruk en klemme-type holder for å holde omgivelsestemperaturen DAC, en vannkjølt klemme-type holder for høy temperatur DACs og polymer micro montert på en ACA / IUCr standard goniometer hodet for å holde en prøve ved omgivelsestrykk og temperatur.
      MERK: I de følgende trinnene (2.3-2.8), er alle bevegelseskontroller oppnås med EPICS brukergrensesnitt (EUI).
  3. Rotere φ akse, slik at prøvekammeret er perpendikulær på visnings zoom-kameraet ved å sette φ vinkel 120 i EUI.
  4. Finn prøvekammeret med visnings kamera på minimum forstørrelse først. Sentrere prøven bilde ved å endre prøven X, Y og Z i EUI. Fokusere bildet av prøven ved å endre mikroskop Z i EUI, og deretter zoome inn til det maksimale forstørrelse.
  5. Juster prøvekammeret bilde til midten av visnings kameraet ved å endre prøven X, Y og Z i EUI. Juster prøveposisjon langs kameraaksen til den er i fokus (ved hjelp av en forhåndsbestemt kamera fokus for å estimere posisjonen til rotasjonssenteret i denne retning). Deretter roterer φ vinkel 90 i EUI slik at prøvekammeret er vinkelrett på den innfallende røntgenstråle.
  6. For å korrigere for prøve forskyvning fra midten av instrumentet langs DAC aksen, skanne DAC posisjon i både horisontal og vertikal retning vinkelrett på hendelsen X-ray bruker SCANW programvare, ved hjelp av motoriserte oversettelser bygget inn i goniometer, mens samle overført stråle intensitetsdata med en fotodiode-detektor plassert bak prøven.
    MERK: fotodiode-detektoren er montert på en pneumatisk aktuator og kan beveges inn og ut av strålen fjernt fra kontrollstasjonen.
  7. Finn midtstilling i det innsamlede intensitet skanning ved hjelp av "sentrum" funksjon SCANW, tilsvarende maksimal overføring. Dette er center av prøvekammeret.
  8. Roter prøven med goniometer φ aksen ved et par grader ved hjelp av EUI, og gjenta vertikal overføring skanningen. Gjenta skanningen to ganger, på både positive og negative cp forskyvninger.
  9. Beregn prøven posisjon langs den innfallende røntgen retning med den følgende ligning 17
    ligning 1
    Hvor AY er avstanden langs hendelsen X-ray retning at prøven er forskjøvet fra midten av instrumentet, Δφ er endringen i φ vinkelen mellom skanninger, D s x + og D s x- er de posisjonelle forskyvninger av X-ray overførings profil når φ vinkelen er skrå ved + Δφ og -Δφ.
    MERK: Flere gjentakelser av skanner kan gjøres for å forbedre nøyaktigheten av prøven posisjonering.
  10. Etter samkjøre prøven, samle én krystall diffraksjon datamed CCD_DC programvare 1.
    1. Ved første, samle en φ-scan med en fotodiode ved å klikke på "scan" -knappen på SCANW programvare for å bestemme den maksimale åpningsvinkel og for å bestemme den funksjonelle-formen på absorpsjon effekten av diamant ambolter og bakplatene.
    2. Etter at φ-scan, utføre et bredt φ eksponering (hvorunder detektoren blir stående åpen så lenge φ roteres) for å dekke den maksimale åpningsvinkel som DAC tillater, fulgt av en serie av trinn cp eksponeringer, hver dekker 1 °. Utfør dette trinnet ved å sette "total range" til det maksimale åpningsvinkel, og sette "Antall trinn" til samme nummer i CCD_DC programvare. Samle brede cp skanner ved forskjellige detektor posisjoner ved å angi detektoren arm posisjon i S og v retninger i CCD_DC programvare, slik som å gi tilgang til flere diffraksjonstopper.
      MERK: For krystaller med en enhetcelle større enn 10 Å, samling av 10 ° brede trinn skanner som dekker det samme vinkelområde er også anbefalt. Eksponeringstiden bestemmes av absorpsjon fra diamant, og intensiteten av diffraksjon inneholder fra prøven. Vanligvis velger den eksponeringstid som maksimerer intensiteter av diffraksjonstoppene uten metning. En typisk eksponeringstiden er 1-5 s / °. Typiske innsamling av data fra en krystall i den ene detektor posisjon og en trykk tar omtrent 30 min.

3. Data Analysis

MERK: Dataanalysen er utført ved hjelp av Atrex / RSV programvarepakke 2,18. For en detaljert forklaring av prinsippene benyttet i programvaren kan du se arbeidet til Dera, et al. 2

  1. Behandle Lab seks kalibreringsfilen.
    1. Åpne Lab 6 pulver diffraksjon bilde samlet på hver detektor posisjon i software. Input bølgelengden til hendelsen røntgen (0,434 a), og trykk på "avgrense Cal" -knappen.
      MERK: programvare beregner automatisk prøvedetektoren avstand og hellingen av detektoren i forhold til den innfallende røntgenstråle. Detektoren kalibreringen er bare utført ved detektorposisjoner ν = 0, 0 = δ. Kalibrerings bilder fanget i ikke-null ν og δ blir brukt for verifisering av kalibrerings kvalitet.
    2. Lagre kalibreringsfiler for hver detektor posisjon manuelt ved å redigere de v og S innstillinger etter behov.
      MERK: Atrex butikker detektor kalibrerings .cal filer knyttet til hvert bilde serie. Når du åpner et bilde, programmet sjekker om den tilknyttede .cal filen er til stede. Hvis det ikke er det, er det mulighet for å velge en slik fil.
  2. Etter å lagre kalibreringer for alle detektor posisjoner, skape disse assosiasjonene ved å krysse av "Assign cal» i Atrex programvare, Slik at programmet vil huske som kalibreringer å bruke.
  3. Søk etter prøven er diffraksjon topper, og passer peak intensiteter.
    1. Åpne vidvinkel φ eksponering i programvaren. Gå til "Søk" panel, og søk etter diffraksjon toppene i vidvinkel eksponering. slett over-mettet diffraksjon topper fra diamanten og diffraksjon topper i nærheten av de Re pakningene manuelt.
    2. Monter diffraksjonstopper å få sine nøyaktige posisjoner og intensiteter. Søk etter prøven er diffraksjon topper for alle detektor posisjoner ved å klikke på "peak søk" -knappen i programvaren, og lagre de tilsvarende peak bord ved å klikke på "lagre toppene" -knappen.
  4. Rekonstruere diffraksjonstopper distribusjons i gjensidig plass.
    1. I programmet åpne topp tabell for en detektor posisjon, og ett bilde i trinnet φ skanningen, som er etssociated med den samme detektoren stilling. Hvis detektoren kalibrering filen har ennå ikke blitt tildelt denne filen serien, velger du riktig .cal filen. Gå til "Scan" panel, og trykk på "beregne Prof. fra scan" -knappen.
      MERK: Dette trinnet vil finne φ vinkel for hver diffraksjon topp på som toppintensiteten er den sterkeste.
    2. Lagre den resulterende peak tabellen .pks fil. Gjenta dette trinnet for alle de store rotasjons bilder med forskjellige detektorposisjoner.
  5. Indeksere diffraksjon topper.
    1. Ved hjelp av RSV-programvaren, åpner den første toppen tabellfilen. Bruk "Tilføy" funksjon for å slå sammen alle tilleggs peak tabeller. Bruk RSV plugin for å finne den foreløpige UB matrise av denne krystall og å indeksere diffraksjon topper. Programvaren vil automatisk søke etter den mest sannsynlige UB matrise.
    2. Åpne den foreløpige UB matrisen i RSV ved å importere den .p4p filen, og avgrense UB matrise medd-avstand på hver diffraksjon topp med "Spesifisert w / d-spac" -knappen. Dersom symmetrien av krystallen er kjent, velge passende krystall systembegrensninger.
      MERK: Når avgrensning konvergerer, er den optimaliserte UB matrise og gitterparameterne for krystall (a, b, c, α, β og γ) bestemt.
    3. Lagre optimalisert UB matrisen som en .ub fil.
      MERK: I den innledende peak søkeprosessen programmet kan ha gått glipp av noen lav intensitet topper som vil være svært verdifull i strukturbestemmelse.
  6. For å søke etter disse mangler toppene gå tilbake til programvaren, og åpne vidvinkel φ eksponering bilde (tilhørende kalibreringsfilen skal lastes automatisk).
  7. I "Tippe" panel, åpner UB matrise av krystallen og simulere diffraksjon mønster. I "topper" panel, søk etter de observerte diffraksjon topper, og fjern de uobserverte toppene (tekstboksen ved sidentil "Observert" knapp gjør det mulig å spesifisere minimum pikselintensiteten terskel innenfor toppkoblingsboksen som er nødvendig for at toppen skal bli betraktet som "observerte"). Monter posisjoner og intensiteter av toppene ved å klikke på "peak fit" -knappen, og deretter lagre toppen tabellen.
  8. Flett alle de antatt topp bord på forskjellige detektor posisjoner med RSV-programvaren ved hjelp av "føyer" -funksjonen. Hvis forskjellige eksponeringsinnstillinger (rotasjonshastighet i ° / sek) ble brukt, bruke egnet skaleringsfaktorer når du åpner nye .pks filer.
  9. Eksportere det fusjonerte peak tabellen som en .hkl tekstfil, som kan brukes til å avgrense krystallstruktur med SHELX programvarepakken. Detaljerte prosedyrer for gjennomføring struktur raffinement med SHELX har blitt godt beskrevet andre steder 19,20.

Representative Results

Vi viser en representativt eksempel på høytrykks-enkeltkrystall diffraksjon på silikat mineral omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 3+ Fe 0,14 0,02) Si 2 O 6. Den omphacite prøven ble lagt i en BX-90 typen DAC med Boehler-Almax (BA) type diamant ambolter og bakplatene (figur 1). Prøvekammeret ble fylt med en edelgass-trykkoverførende medium (helium i dette tilfellet) for å sikre en hydrostatisk trykk miljø. Trykket i prøvekammeret var 0,35 GPa, bestemt ved rubin fluorescens. Prøven ble på linje med rotasjonssenteret av diffraksjon goniometer (figurene 3, 4). Vi kalibrert posisjonen og vinkelen på MARCCD detektoren ved ν = 0, δ = 0 med en lab 6 pulver standard (figur 5). Under eksperimentet η: '7; og u vinkler ble fastsatt til 0. diffraksjon toppene prøven ble først analysert ved hjelp av "Søk" funksjonen til Atrex programvare (figur 6). Deretter ble de gitterparametere og UB matrise av omphacite enkeltkrystall raffinert ved hjelp av RSV-programvare (figur 7). Med den raffinerte UB matrise av krystallen, ble flere diffraksjonstopper funnet ved hjelp av "Tippe" -funksjonen av programvaren (Figur 8). De raffinerte gitterparameterne for denne omphacite én krystall ved dette trykket er: a = 9,496 ± 0,006 Å, b = 8,761 ± 0,004 A, C = 5,248 ± 0,001 Å, β = 105,06 ± 0.03º, α = γ = 90º (Tab. 1). Den omphacite Krystallen ble funnet å ha en monoklin gitteret i P 2 / n romgruppen. Våre raffinert gitterparameterne er i samsvar med de publiserte gitterparameterne for omphacite medlignende kjemisk sammensetning og på et tilsvarende trykk: P = 0,449 GPa, a = 9,5541 ± 0,0005 Å, b = 8,7481 ± 0,0007 A, C = 5,2482 ± 0,0003 Å, β = 106,895 ± 0.004º 21.

Figur 1
Figur 1: Komponenter av BX-90 DAC som brukes for høyt trykk enkeltkrystall diffraksjon. (A) Boehler-Almax (BA) typen diamant; (B) Re pakning; (C) BA typen backing plate; (D) BA typen diamant limt på BA typen backing plate; (E) sylinder del av BX-90 DAC; (F) stempel del av BX-90 DAC; (G) venstrehendt (svart oksid finish) og høyrehendt (rustfritt stål finish) komprimere skruer: (h) høyrehendt komprimering skrue med disk fjærskiver; ( Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2: Mikroskopbilde av DAC prøvekammeret før og etter at edelgasstrykket overførende medium lasting. Etter at gasstrykket overførende mediet lasting, prøvekammeret hullet krympet med ~ 30% i diameter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3: Eksperimentell oppsett for høy pressure én krystall diffraksjon på PX ^ 2. De seks vinkelfrihetsgrader (μ, η, χ, φ, δ og υ) og de tre translatoriske retninger (x, y og z), er merket. Notasjonen for vinkler følger vinkel konvensjonen av You 13. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4: Justere prøvekammeret til rotasjonssenteret. Venstre: sample kammer skanner ved røntgen normal retning (blå) og φ-rotasjon av + Δφ (grønn) og -Δφ (rød). Høyre: X-ray overføring profiler i prøvekammeret skanner ved ulike cp vinkler. Forskyvningene av røntgentransmisjonsProfiler brukes til å beregne posisjonskorrigering langs inciden t X-ray retning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5: Kalibrering av MARCCD detektoren ved hjelp av dataanalyse programvare. Lab 6 pulver diffraksjonsmønster blir brukt til å utføre kalibrering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6: Diffraksjon peak søk ved hjelp av dataanalyse programvare. Totalt 63 diffraksjonstopper ble funnet i dette bred eksponering bildet. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 7
Figur 7: Indeksere diffraksjonstoppene og beregne UB matrise av prøven ved hjelp av RSV-programvaren. Indeksering utføres automatisk av programvaren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8
Figur 8: Forutsi diffraksjonstoppene med dataanalyseprogramvare. 112 diffraksjonstopper ble funnet med det samme diffraksjon bilde som i figur 6 ved hjelp av topp-varslingsfunksjon.com / filer / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

gitterparameter Verdi
en 9,496 ± 0,006 Å
b 8,761 ± 0,004 Å
c 5,248 ± 0,001 Å
en 90º
b 105,06 ± 0.03º
g 90º

Tabell 1: Gitter parametre av omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe <strong> 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 på 0,35 GPa. Den omphacite Krystallen ble funnet å ha en monoklin gitteret i P 2 / n romgruppen.

Discussion

I denne rapporten viser vi detaljert prosedyre for gjennomføring av én krystall diffraksjon eksperimenter med DAC på GSECARS 13-BM-C beamline. BX-90 typen DAC med BA-type diamant ambolter og bakplatene er anbefalt for én krystall diffraksjon eksperimenter 2,9,15. Fordelen av BX-typen 90 DAC er dens bredere vinkel adgang forhold til den tradisjonelle symmetriske DAC, som sørger for effektiv sampling av mange diffraksjonstopper 9,15. Den brede vinkel tilgang blir kritisk for prøver med lavere symmetri og med mindre enhetsceller: Den tidligere krever flere diffraksjonstopper å begrense gitteret parametrene nøyaktig, og sistnevnte gir færre diffraksjon topper innen den gitte vinkel tilgang to. Jo mer kantete tilgang man kommer i forsøket, jo mer nøyaktige atomposisjon parametre man måler 2,4. Begrenset vinkel tilgang kan resultere i en todimensjonal gjensidig vektor datasett, making pålitelig tolking matematisk umulig 2.

En viktig, men ofte oversett trinnet er å velge passende trykk overføringsmedium. Selv om trykkmedier som for eksempel argon, silikonolje eller metanol-etanol-vann-løsning ble anvendt i de foregående enkeltkrystall diffraksjon eksperimenter som ikke overskred 10 GPa 21-23, disse trykk medier blitt vesentlig nonhydrostatic mellom 5-10 GPa 22, og i stor grad redusere kvaliteten av krystallen under kompresjonen 2,22. Vår generelle erfaring er at bare han og Ne resultat i kvalitets eksperimenter høyt opp til 50 GPa (f.eks refererer 6,7). På APS, kan disse gassene hensiktsmessig lastet inn DAC med bruk av GSECARS / kompre gass-lasteapparat 14. Når han eller Ne er valgt som trykkmedium, krymper prøvekammeret under gass belastning (figur 2). Når prøven berører direkte pakningenden brekker lett under kompresjonen. Derfor er det viktig å bore et stort nok prøvekammer, hvis diameter er minst 2/3 av den culet diameter, for å unngå kontakt mellom prøven og pakningen etter gassoppfylling.

Den synkrotron-baserte monokromatisk én krystall diffraksjon oppsettet på PX ^ 2 er unik. Sammenlignet med de laboratorie diffractometers, gir synkrotron røntgenstråle-kilde en mye høyere fluks (> 10 4) 4,27,28, som i betydelig grad forbedrer signal-til-støy-forhold og reduserer den datainnsamlingen tid 4,27,28. Synkrotron basert pulver diffraksjon er også ofte brukt for å bestemme strukturen av materialer ved høye trykk gjennom Rietveld tilnærming 4. Enkeltkrystall diffraksjon har fordeler i forhold til Rietveld tilnærming, fordi den kobler ut montering av gitterparametere og strukturelle parametere 2,4. Powder diffraksjon med Rietveld passer vanligvis krever montering både lat Tice parametere og strukturelle parametere samtidig, mens antall uavhengige observasjoner er vanligvis mye lavere enn i én krystall diffraksjon 4. En annen vanlig metode er strukturbestemmelse Laue diffraksjon, som bruker polykromatisk stråling med et område-detektor 4. Sammenlignet med monokromatisk datainnsamling ved PX ^ 2, reduksjon av Laue metode opplysninger kreves ytterligere betingelser inkludert harmoniske dekonvolvering og intensitet normalisering, som legger til ytterligere vanskeligheter i dataanalysen 4,24. Monokromatisk én krystall diffraksjon er en grei måte å løse strukturer, men det har sine egne begrensninger. En ideell datasett av monokromatisk enkeltkrystall diffraksjon krever et feil mindre krystaller med en størrelse på flere titalls um, og det krystall kvalitet må bevare ved høye trykk. Disse kravene kan være vanskelig å møte for noen ikke-quenchable mineraler som bridgmanite 25.

innhold "> Tid løst én krystall diffraksjon er i stand til å fange forbigående metastabile tilstander og transformasjon kinetikk under press indusert strukturelle overganger, og er en av de fremtidige forsknings retninger for PX ^ 2 26. Kvantitativ karakterisering av defekter og gitter dynamikk, basert på analyse av X-ray diffuse spredning ved høye trykk er også under utvikling på PX ^ 2 26. En kompakt optisk plattform for laser-oppvarmet høytrykks én krystall diffraksjon blir bygget, og vil gjøre jorden-vitenskap samfunnet for å studere atferden av materialer under dyp jordforhold 26.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikt.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble utført ved GeoSoilEnviroCARS (Sector 13), Partnerskap for Extreme Krystallografi program (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS), og Argonne National Laboratory. GeoSoilEnviroCARS er støttet av National Science Foundation-Earth Sciences (EAR-1128799) og Institutt for Energi geofag (DE-FG02-94ER14466). PX ^ 2 programmet er støttet av Compres henhold NSF samarbeidsavtale EAR 11-57758. Bruk av Advanced Photon Source ble støttet av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences under kontrakt nr DE-C02-6CH11357. Bruk av Compres-GSECARS gasslastesystemet ble støttet av Compres henhold NSF samarbeidsavtale EAR 11-57758 og ved GSECARS gjennom NSF tilskuddet EAR-1128799 og DOE gi DE-FG02-94ER14466. Vi ønsker også å takke Prof. RT Downs ved University of Arizona for vennlig å gi prøvene fra RRUFF samlinger.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Diamond Almax P01037 Boehler-Almax type diamond
Backing plate Almax P01289 Backing plate's design should match the diamond's design
Re gasket Alfa Aesar 10309
Epoxy Henkel Loctite Stycast 2651
Polymer micromesh MiTeGen M3-L18SP-25
Goniometer head Hampton Research HR4-647
Software: ATREX Open source software Website: https://github.com/pdera/GSE_ADA
Software: RSV Open source software Website: https://github.com/pdera/RSV
Software: cell_now Bruker Corporation
Software: CCD_DC Free software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Boffa Ballaran, T., Kurnosov, A., Trots, D. Single-crystal X-ray diffraction at extreme conditions: a review. High Pressure Res. 33, (3), 453-465 (2013).
  2. Dera, P., et al. High pressure single-crystal micro X-ray diffraction analysis with GSE_ADA/RSV software. High Pressure Res. 33, (3), 466-484 (2013).
  3. Hejny, C., Minkov, V. S. High-pressure crystallography of periodic and aperiodic crystals. IUCrJ. 2, (2), 218-229 (2015).
  4. Lavina, B., Dera, P., Downs, R. T. Modern X-ray Diffraction Methods in Mineralogy and Geosciences. Spectroscopic Methods in Mineralology and Materials Sciences. 78, 1-31 (2014).
  5. McMahon, M. I., Loa, I., Stinton, G. W., Lundegaard, L. F. Determining complex crystal structures from high pressure single-crystal diffraction data collected on synchrotron sources. High Pressure Res. 33, (3), 485-500 (2013).
  6. Dera, P., et al. Metastable high-pressure transformations of orthoferrosilite Fs(82). Phys Earth Planet Inter. 221, 15-21 (2013).
  7. Finkelstein, G. J., Dera, P. K., Duffy, T. S. Phase transitions in orthopyroxene (En(90)) to 49 GPa from single-crystal X-ray diffraction. Phys Earth Planet Inter. 244, 78-86 (2015).
  8. Zhang, J. S., Dera, P., Bass, J. D. A new high-pressure phase transition in natural Fe-bearing orthoenstatite. Am Mineral. 97, (7), 1070-1074 (2012).
  9. Kantor, I., et al. BX90: A new diamond anvil cell design for X-ray diffraction and optical measurements. Rev Sci Instrum. 83, (12), (2012).
  10. Lavina, B., Dera, P., Meng, Y. Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures. J Vis Exp. (80), (2013).
  11. Miletich, R., Allan, D. R., Kuhs, W. F. High-Pressure Single-Crystal Techniques. Rev Mineral Geochem. 41, (1), 445-519 (2000).
  12. Thorkildsen, G., Mathiesen, R. H., Larsen, H. B. Angle calculations for a six-circle kappa diffractometer. J Appl Crystallogr. 32, 943-950 (1999).
  13. You, H. Angle calculations for a '4S+2D' six-circle diffractometer. J Appl Crystallogr. 32, 614-623 (1999).
  14. Rivers, M., et al. The COMPRES/GSECARS gas-loading system for diamond anvil cells at the Advanced Photon Source. High Pressure Res. 28, (3), 273-292 (2008).
  15. Boehler, R., De Hantsetters, K. New anvil designs in diamond-cells. High Pressure Res. 24, (3), 391-396 (2004).
  16. Mao, H. K., Xu, J., Bell, P. M. Calibration of the Ruby Pressure Gauge to 800-Kbar under Quasi-Hydrostatic Conditions. J Geophys Solid Earth Planets. 91, 4673-4676 (1986).
  17. Smith, J. S., Desgreniers, S. Selected techniques in diamond anvil cell crystallography: centring samples using X-ray transmission and rocking powder samples to improve X-ray diffraction image quality. J Synchrotron Res. 16, 83-96 (2009).
  18. ATREX: IDL code for single crystal XRD data processing. Available from: https://github.com/pdera/GSE_ADA (2016).
  19. Refinement tutorial. Available from: https://github.com/pdera/GSE_ADA/blob/master/Documentation/Refinement%20tutorial.pdf (2016).
  20. Sheldrick, G. M. A short history of SHELX. Acta Crystallographica Section A. 64, 112-122 (2008).
  21. Pandolfo, F., Nestola, F., Camara, F., Domeneghetti, M. C. High-pressure behavior of space group P2/n omphacite. Am Mineral. 97, (2-3), 407-414 (2012).
  22. Angel, R. J., Bujak, M., Zhao, J., Gatta, G. D., Jacobsen, S. D. Effective hydrostatic limits of pressure media for high-pressure crystallographic studies. J Appl Crystallogr. 40, 26-32 (2007).
  23. Mccormick, T. C., Hazen, R. M., Angel, R. J. Compressibility of Omphacite to 60 Kbar - Role of Vacancies. Am Mineral. 74, (11-12), 1287-1292 (1989).
  24. Srajer, V., et al. Extraction of accurate structure-factor amplitudes from Laue data: wavelength normalization with wiggler and undulator X-ray sources. J Synchrotron Radiat. 7, 236-244 (2000).
  25. Tschauner, O., et al. Discovery of bridgmanite, the most abundant mineral in Earth, in a shocked meteorite. Science. 346, (6213), 1100-1102 (2014).
  26. Mineral Physics 2016 Long-range Planning Report: Harnessing the Extremes: From Atoms and Bonds to Earthquakes and Plate Tectonics. Dera, P., Weidner, D. Geo-Prose. (2016).
  27. Rothkirch, A., et al. Single-crystal diffraction at the extreme conditions beamline P02.2: procedure for collecting and analyzing high-pressure single-crystal data. J synchrotron rad. 20, (5), 711-720 (2013).
  28. Merlini, M., Hanfland, M. Single-crystal diffraction at megabar conditions by synchrotron radiation. High Pressure Res. 33, (3), 511-522 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics