Method Article
Dans ce rapport, nous décrivons des procédures détaillées pour la réalisation d'expériences de diffraction de cristal aux rayons X unique avec une cellule à enclume de diamant au GSECARS 13-BM-C ligne de lumière à l'Advanced Photon Source. programmes ATREX et RSV sont utilisés pour analyser les données.
Dans ce rapport, nous décrivons des procédures détaillées pour la réalisation d'expériences de diffraction de cristal aux rayons X unique avec une cellule à enclume de diamant (DAC) au GSECARS 13-BM-C ligne de lumière à l'Advanced Photon Source. Le programme du CAD à 13-BM-C fait partie du Partenariat pour Extreme Xtallography (PX 2 ^) projet. BX-90 de type DACs avec enclumes de diamant de type conique et plaques de support sont recommandés pour ces expériences. La chambre de l'échantillon doit être chargé avec un gaz noble pour maintenir un environnement de pression hydrostatique. L'échantillon est aligné sur le centre de rotation du goniomètre de diffraction. Le détecteur de zone MARCCD est calibré avec un motif de diffraction de poudre de LaB 6. Les pics de diffraction de l'échantillon sont analysés avec le logiciel ATREX et sont ensuite indexés avec le logiciel de RSV. RSV est utilisée pour affiner la matrice UB du monocristal, et avec cette information et la fonction de prédiction de pic, plusieurs pics de diffraction peut être localisé. Représentantdonnées unique de diffraction de cristal à partir d' un omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 échantillons ont été recueillis. L' analyse des données a donné un réseau monoclinique P2 / groupe d'espace de n à 0,35 GPa, et les paramètres de maille ont été trouvés être: 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.
Monocristal de diffraction des rayons X est l'un des moyens les plus efficaces et bien établies pour déterminer la composition chimique et la structure d'un matériau cristallin à des conditions expérimentales différentes. Récemment il y a eu un certain nombre 1-5 de l' évolution de haute pression monocristal diffraction. La pression est l'un des principaux facteurs qui influent sur le comportement et les propriétés de la Terre et des matériaux planétaires. expériences à haute pression révèlent régulièrement de nouveaux polymorphes de matériaux communs et peuvent découvrir des moyens pour synthétiser des produits chimiques qui sont impossibles à faire dans les conditions ambiantes. Récemment, plusieurs nouveaux polymorphes de silicate ont été identifiés à haute pression Diffraction monocristallin, qui fournissent un nouvel éclairage sur les propriétés du manteau de la Terre 6-8.
Différent de diffraction unique cristalline à la pression atmosphérique, un monocristal de diffraction à haute pression nécessite un récipient sous pression pour générer etmaintenir la pression pendant la collecte des données. Le récipient sous pression le plus couramment utilisé en haute pression monocristal diffraction est la cellule à enclume de diamant (DAC) qui est composé d'une paire d'enclumes de diamant maintenus ensemble par un joint d'étanchéité structure métallique / métal, et un milieu transmetteur de pression pour fournir une hydrostatique environnement dans la chambre d'échantillon 4,9-11. Un seul cristal de diffraction en utilisant une cellule à enclume de diamant diffère de diffraction aux conditions ambiantes de plusieurs façons importantes. Tout d'abord, la couverture de l'espace réciproque est considérablement réduite en raison de rayons X accès angulaire limité par le corps du CAD et les plaques d'appui. D'autre part, l'absorption dépendant de l'angle des rayons X par les diamants et les plaques d'appui doit être déterminée et utilisée pour corriger le signal de diffraction de telle sorte que les facteurs de structure précises peuvent calculée. Troisièmement, tout chevauchement du signal de diffraction de l'échantillon avec la dispersion ou la diffraction à partir des composants du CAD, comme les diamants, joint et transmittin de pressionmoyen g, doit être éliminé. En quatrième lieu, l'alignement de l'échantillon dans le DAC par rapport au centre du goniomètre est difficile. La direction perpendiculaire à l'axe du DAC de charge est toujours bloquée par le joint, et ne sont accessibles soit au microscope optique ou le faisceau de rayons X. Dans la direction axiale, le microscope optique ne peut visualiser une image déplacée de l'échantillon en raison de l'indice de réfraction du diamant. Ces différences nécessitent l'invention de nouveaux monocristaux méthodes de mesure de diffraction à haute pression.
Le Partenariat pour Extreme Xtallography (PX 2 ^) projet est une nouvelle initiative de recherche dédié à haute pression monocristal diffraction avec DACs. Le projet est hébergé au GeoSoilEnviroCARS station expérimentale 13-BM-C à l'APS, qui fournit la plupart des infrastructures , y compris les détecteurs, concentré les rayons X et un 6-cercle robuste diffractomètre 12,13 optimisé pour une variété de pointe cristallographie experiments. Le diffractomètre possède six degrés de liberté angulaire, quatre échantillons d'orientation (μ, η, χ et φ) et deux détecteur d'orientation (ô et υ). Les conventions angulaires de vous 13 sont utilisés pour décrire le mouvement de l'échantillon et le détecteur, bien que le η, χ et mouvements & phiv sont des pseudo-angles dérivés de la géométrie kappa véritables moteurs de l'instrument. Les procédures expérimentales ont été optimisés pour haute pression monocristal diffraction avec DACs, et une suite de logiciels de traitement de données et de logiciels d'analyse a été développée. Dans ce manuscrit, nous présentons un protocole détaillé pour une expérience de diffraction typique à haute pression monocristal en utilisant le type BX-90 DAC 9, comme un guide pour recueillir et analyser des données à PX ^ 2.
Préparation 1. Echantillon
NOTE: Le processus de préparation des échantillons comprend trois étapes principales: la préparation du CAD vide, le chargement de l'échantillon et de chargement de la pression de gaz inerte milieu de transmission. Préparation du CAD et le chargement des échantillons ont été décrits en détail dans Lavina et al. 10, et de transmission de pression de chargement moyen a été décrit dans Rivers et al. 14 Ici , nous décrivons brièvement le processus de préparation d'échantillon typique.
2. Collecte de données
Analyse 3. Données
NOTE: L'analyse des données est effectuée à l' aide du ATREX / RSV suite logicielle 2,18. Pour une explication détaillée des principes utilisés dans le logiciel s'il vous plaît voir le travail de Dera, et al. 2
Nous montrons un exemple représentatif de haute pression monocristal diffraction sur le omphacite minéral de silicate (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 0,14 Fe 2+ Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6. L'échantillon omphacite a été chargé dans un type DAC BX-90 avec Boehler-Almax (BA) de type enclumes de diamant et plaques d'appui (figure 1). La chambre de l'échantillon a été rempli avec une pression de gaz noble milieu de transmission (hélium dans ce cas) pour assurer un environnement de pression hydrostatique. La pression de la chambre d'échantillon était de 0,35 GPa, déterminée par fluorescence rubis. L'échantillon a été aligné avec le centre de rotation du goniomètre de diffraction (figures 3, 4). Nous avons calibré la position et l' inclinaison du détecteur MARCCD à ν = 0, δ = 0 avec un standard de poudre LaB 6 (Figure 5). Pendant l'expérience, η, `7; et u angles ont été fixés à 0. Les pics de diffraction de l'échantillon ont d' abord été analysées à l' aide de la fonction "Recherche" du logiciel ATREX (figure 6). Ensuite, les paramètres de maille et la matrice UB du monocristal omphacite ont été affinées en utilisant le logiciel de RSV (figure 7). Avec la matrice UB raffinée du cristal, plusieurs pics de diffraction ont été trouvés en utilisant la fonction "Predict" du logiciel (figure 8). Les paramètres de maille raffinée de ce monocristal omphacite à cette pression sont: 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 (Tab. 1). Le cristal omphacite se révèle avoir une maille monoclinique dans le groupe spatial P2 / n. Les paramètres de maille raffinée sont compatibles avec les paramètres de réseau affichés omphacite aveccomposition chimique similaire et à une pression similaire: P = 0,449 GPa, a = 9,5541 ± 0,0005 Å, b = 8,7481 ± 0,0007 Å, c = 5,2482 ± 0,0003 Å, β = 106,895 ± 0.004º 21.
Figure 1: Composants de BX-90 DAC qui est utilisé pour la haute pression monocristal diffraction. (A) Boehler-Almax (BA) de type diamant; (B) Re joint; Plaque de support (c) de type BA; (D) type BA diamant collé sur le type de BA plaque de support; (E) cylindre partie de la BX-90 DAC; (F) une partie de piston du BX-90 DAC; (G) de la main gauche (bruni) et (finition en acier inoxydable) à droite vis de compression: (h) de vis à droite comprimant les rondelles à ressort de disque; ( i) BX-90 DAC ensemble prêt pour l' expérience de diffraction monocristallin à haute pression. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2: image Microscope de la chambre de l' échantillon DAC avant et après la pression du gaz noble transmission de chargement moyen. Après la pression du gaz transmettant le chargement moyen, le trou de la chambre de l'échantillon a diminué de ~ 30% de diamètre. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 3: Montage expérimental pour haute préssure seule diffraction de cristal au PX ^ 2. Les six degrés angulaires de la liberté (μ, η, χ, φ, δ et υ) et les trois directions de translation (x, y et z) sont étiquetés. La notation pour les angles suit la convention angulaire de vous 13. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 4: Alignement de la chambre d'échantillon par rapport au centre de rotation. Gauche: scans de la chambre de l'échantillon à la direction X-ray normale (bleu) et φ-rotation par + Δφ (vert) et -Δφ (rouge). A droite: les profils de transmission de rayons X des scans de la chambre de l'échantillon à des angles différents & phiv. Les décalages des profils de transmission de rayons X sont utilisés pour calculer la correction de position le long de la indirects occasionnés t direction X-ray. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5: Calibrage du détecteur MARCCD en utilisant le logiciel d'analyse de données. LaB 6 diagramme de diffraction de poudre est utilisé pour effectuer le calibrage. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 6: recherche de pic de diffraction à l' aide du logiciel d'analyse de données. Au total, 63 pics de diffraction ont été trouvés dans cette image d'exposition de large. s / ftp_upload / 54660 / 54660fig6large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 7: L' indexation des pics de diffraction et en calculant la matrice UB de l'échantillon en utilisant le logiciel de RSV. L'indexation est réalisée automatiquement par le logiciel. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 8: Prédiction des pics de diffraction avec le logiciel d'analyse des données. 112 pics de diffraction ont été trouvés avec la même image de diffraction sur la figure 6, en utilisant la fonction de prédiction de la crête.com / fichiers / ftp_upload / 54660 / 54660fig8large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
le paramètre de maille | Valeur |
une | 9,496 ± 0,006 Å |
b | 8,761 ± 0,004 Å |
c | 5.248 ± 0,001 Å |
une | 90º |
b | 105,06 ± 0.03º |
g | 90º |
Tableau 1: paramètres réseau de omphacite (Ca 0,51 Na 0,48) (Mg 0,44 Al 0,44 Fe 2+ 0,14 Fe 3+ 0,02) Si 2 O 6 à 0,35 GPa. Le cristal omphacite se révèle avoir une maille monoclinique dans le groupe spatial P2 / n.
Dans ce rapport, nous montrons la procédure détaillée pour la réalisation de simples expériences de diffraction de cristal avec DACs à la ligne de lumière GSECARS 13-BM-C. Type BX-90 DACs avec enclumes de diamant de type BA et les plaques de support sont recommandés pour monocristallines expériences de diffraction 2,9,15. L'avantage de la BX-90 de type DAC est son accès angulaire plus large par rapport aux DACs symétriques traditionnels, qui prévoit l' échantillonnage efficace de nombreux pics de diffraction 9,15. L'accès large angulaire devient critique pour les échantillons avec une symétrie inférieure et avec des cellules unitaires plus petites: les premiers nécessitent plusieurs pics de diffraction pour contraindre les paramètres de maille avec précision et celui - ci donne moins de pics de diffraction à l' intérieur de l'accès angulaire donnée 2. L'un accès plus anguleux atteint dans l'expérience, les paramètres positionnels atomiques plus précises on mesure 2,4. l'accès angulaire restreint peut entraîner un à deux dimensions réciproques ensemble de données vectorielles, maktion fiable interprétation mathématiquement impossible 2 de données.
Un important pas encore souvent négligé est de sélectionner milieu approprié de transmission de pression. Bien que les médias de pression tels que l' argon, l' huile de silicone ou d'une solution méthanol-éthanol-eau ont été utilisés dans les précédentes expériences de cristal de diffraction unique qui ne dépassait pas 10 GPa 21-23, ces médias de pression deviennent significativement nonhydrostatique entre 5-10 GPa 22, et de réduire considérablement la qualité du cristal lors de la compression 2,22. Notre expérience générale a été que Lui seul et Ne résultat dans des expériences de haute qualité jusqu'à 50 GPa (par exemple, les références 6,7). À l'APS, ces gaz peuvent être facilement chargés dans DACs avec l'utilisation de GSECARS / COMPRES appareil gaz chargement 14. Quand il ou N'est choisi comme fluide sous pression, la chambre d'échantillon se rétracte pendant le chargement de gaz (figure 2). Une fois que l'échantillon touche directement le joint d'étanchéité,il se casse facilement lors de la compression. Il est donc important de percer une grande chambre d'échantillon suffisant, dont le diamètre est au moins 2/3 du diamètre colette, pour éviter le contact entre l'échantillon et le joint d'étanchéité après le chargement de gaz.
La monochromatique configuration de diffraction monocristallin à base de synchrotron au PX ^ 2 est unique. Par rapport aux diffractomètres de laboratoire, la source de rayons X synchrotron fournit un flux beaucoup plus élevé (> 10 4) 4,27,28, ce qui améliore considérablement le rapport signal à bruit et diminue le temps de collecte de données 4,27,28. Synchrotron poudre à base de diffraction est aussi couramment utilisé pour déterminer la structure des matériaux à haute pression à travers l'approche Rietveld 4. Un seul cristal de diffraction a des avantages sur l'approche Rietveld, car il découple le montage des paramètres de maille et paramètres structurels 2,4. Diffraction en poudre avec Rietveld montage nécessite habituellement approprié à la fois lat paramètres de Tice et paramètres structurels en même temps, alors que le nombre d'observations indépendantes est généralement beaucoup plus faible que dans simple diffraction de cristal 4. Une autre méthode de détermination de la structure commune de diffraction Laue, qui utilise un rayonnement polychromatique avec un détecteur de zone 4. Par rapport à la collecte de données monochromatique à PX ^ 2, la réduction de la Laue méthode des données nécessite des conditions supplémentaires , y compris déconvolution harmonique et la normalisation de l' intensité, ce qui ajoute des difficultés supplémentaires dans l'analyse de données 4,24. Monochromatique seule diffraction de cristal est un moyen simple de résoudre les structures, mais il a ses propres limites. Un ensemble de données monochromes idéal de diffraction unique cristal nécessite un cristal de moins de défauts avec une taille de plusieurs dizaines de um, et de la qualité du cristal doit conserver à des pressions élevées. Ces exigences peuvent être difficiles à respecter pour certains minéraux non-extinguible, comme bridgmanite 25.
content "> Temps résolu seule diffraction de cristal est capable de capturer le transitoire états métastables et la cinétique de transformation au cours induites par la pression des transitions structurelles, et est l' une des orientations futures de la recherche pour PX ^ 2 26. Caractérisation quantitative des défauts et dynamique du réseau, basé sur l' analyse de diffusion des rayons X diffuse à haute pression est également en cours de développement au PX ^ 2 26. Une plate - forme optique compact pour laser chauffé à haute pression monocristal diffraction est en cours de construction, et permettra à la communauté sciences de la terre pour étudier le comportement des matériaux dans des conditions profondément terre 26.Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.
Ce travail a été effectué à GeoSoilEnviroCARS (secteur 13), programme de partenariat Extreme Cristallographie (PX ^ 2), Advanced Photon Source (APS) et l'Argonne National Laboratory pour. GeoSoilEnviroCARS est pris en charge par les Sciences National Science Foundation-Terre (EAR-1128799) et ministère de l'Énergie-géosciences (DE-FG02-94ER14466). Le PX ^ 2 programme est soutenu par COMPRES sous Accord de coopération NSF EAR 11-57758. L'utilisation de l'Advanced Photon Source a été soutenue par le Département américain de l'énergie, Bureau de la science, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, sous contrat No. DE-C02-6CH11357. Utilisation du système de chargement de gaz COMPRES-GSECARS a été soutenu par COMPRES sous Accord de coopération NSF EAR 11-57758 et par GSECARS par NSF subvention EAR-1128799 et le DOE accorde DE-FG02-94ER14466. Nous tenons également à remercier Downs Prof. RT à l'Université de l'Arizona pour fournir gracieusement les échantillons provenant de collections RRUFF.
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 |
Demande d’autorisation pour utiliser le texte ou les figures de cet article JoVE
Demande d’autorisationThis article has been published
Video Coming Soon