תא סדן יהלום מחומם חיצונית עבור סינתזה וקביעת גמישות קריסטל יחיד של Ice-VII בתנאי טמפרטורת לחץ גבוה

Summary

עבודה זו מתמקדת בפרוטוקול הסטנדרטי להכנת תא סדן היהלומים המחומם מבחוץ (EHDAC) ליצירת תנאים בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה (HPHT). EHDAC מועסק לחקור חומרים בכדור הארץ ופנים פלנטרי בתנאים קיצוניים, אשר יכול לשמש גם בפיזיקה מצב מוצק מחקרים כימיה.

Abstract

ניתן להשתמש בתא סדן היהלום המחומם חיצונית (EHDAC) כדי ליצור בו זמנית תנאים בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה שנמצאו בפנים כדור הארץ ובפלנטריה. כאן אנו מתארים את העיצוב וההוידור של הרכבות ואביזרים של EHDAC, כולל תנורי חימום נגדיים טבעת, שכבות בידוד תרמיות וחשמליות, מיקום תרמיקופל, כמו גם את הפרוטוקול הניסיוני להכנת EHDAC באמצעות חלקים אלה. EHDAC יכול לשמש באופן שגרתי כדי ליצור לחצים megabar ועד 900 K טמפרטורות באוויר הפתוח, וטמפרטורות גבוהות יותר פוטנציאלית עד ~ 1200 K עם אטמוספרה מגן (כלומר, Ar מעורבב עם 1% H₂). בהשוואה לשיטת חימום לייזר להגעה לטמפרטורות בדרך כלל >1100 K, ניתן ליישם בקלות חימום חיצוני ולספק טמפרטורה יציבה יותר ב- ≤900 K ופחות מעברי טמפרטורה לדגימה. אנו מציגים את היישום של EHDAC עבור סינתזה של קרח-VII קריסטל יחיד ולמדנו את המאפיינים האלסטיים גביש יחיד שלה באמצעות פקרות רנטגן מבוססת סינכרון ופיזור Brillouin בתנאים בטמפרטורה גבוהה בלחץ גבוה בו זמנית.

Introduction

תא סדן היהלומים (DAC) הוא אחד הכלים החשובים ביותר למחקר בלחץ גבוה. בשילוב עם שיטות אנליטיות מבוססות סינכרון וקונבנציונליות, הוא שימש באופן נרחב כדי ללמוד מאפיינים של חומרים פלנטריים עד לחצים מרובי מגה-בר ובטווחים רחבים של טמפרטורות. רוב חללי הפנים הפלנטריים נמצאים הן בתנאים בלחץ גבוה והן בתנאי טמפרטורה גבוהה (HPHT). לכן חיוני לחמם את הדגימות הדחוסות בDAC בלחצים גבוהים בסיטו כדי ללמוד את הפיזיקה והכימיה של פנים פלנטרי. טמפרטורות גבוהות נדרשות לא רק לחקירות של מערכות יחסים שלב והתכה ומאפיינים תרמודינמיים של חומרים פלנטריים, אלא גם לעזור להפחית את שיפוע הלחץ, לקדם מעברי שלב ותגובות כימיות, ולזרז דיפוזיה וrerystallization. שתי שיטות משמשות בדרך כלל כדי לחמם את הדגימות DACs: חימום לייזר ושיטות חימום התנגדות פנימי / חיצוני.

טכניקת DAC מחומם לייזר כבר מועסק עבור חומרים בלחץ גבוה מדע ופיזיקה מינרלית מחקר של פנים^{פלנטריים 1,2}. למרות מספר גדל והולך של מעבדות יש גישה לטכניקה, זה בדרך כלל דורש פיתוח משמעותי ומאמץ תחזוקה. טכניקת חימום לייזר שימשה להשגת טמפרטורות גבוהות ככל 7000 K³. עם זאת, חימום יציב לטווח ארוך, כמו גם מדידת טמפרטורה בניסויי חימום לייזר היו בעיה מתמשכת. הטמפרטורה במהלך חימום לייזר בדרך כלל תנודות, אבל ניתן למתן על ידי צימוד הזנה בחזרה בין פליטה תרמית וכוח לייזר. מאתגר יותר הוא שליטה וקביעת הטמפרטורה להרכבה של שלבים מרובים של ספיגת לייזר שונים. הטמפרטורה יש גם הדרגתי גדול במידה ניכרת וחוסר ודאות (מאות K), למרות מאמץ הפיתוח הטכני האחרון שימש כדי למתן^{את הנושא הזה 4,5,6}. מעברי צבע טמפרטורה באזור המדגם מחומם לפעמים עשויים להציג הטרוגניות כימית הנגרמת על ידי דיפוזיה, חלוקה מחדש או התכה חלקית. בנוסף, לא ניתן היה למדוד טמפרטורות של פחות מ- 1100 K בדרך כלל ללא גלאים מותאמים אישית בעלי רגישות גבוהה בטווח אורך הגל של האינפרא אדום.

ה-EHDAC משתמש בחוטים התנגדותיים או רדידות סביב האטם/מושב כדי לחמם את תא הדגימה כולו, המספק את היכולת לחמם את הדגימה לכ-900 אלף ללא אטמוספרה מגוננת (כגון גז Ar/H₂₎ ועד כ-1300 אלף עם אטמוספרה^{מגוננת 7.} החמצון והגרפיזציה של יהלומים בטמפרטורות גבוהות יותר מגבילים את הטמפרטורות הגבוהות ביותר הניתנות להשגה בשיטה זו. למרות טווח הטמפרטורה מוגבל בהשוואה לחימום לייזר, הוא מספק חימום יציב יותר למשך זמן ארוך ושיפוע טמפרטורה קטן^{יותר 8}, והוא מתאים היטב להיות בשילוב עם שיטות זיהוי ואבחון שונות, כולל מיקרוסקופ אופטי, מפזר רנטגן (XRD), ספקטרוסקופיה רמאן, ספקטרוסקופיה Brillouin וספקטרוסקופיה אינפרא אדום^9. לכן, EHDAC הפך כלי שימושי ללמוד מאפייני חומר שונים בתנאי HPHT, כגון יציבות שלב ומעברים^10,11, עקומות התכה¹², משוואה^{תרמית של מצב 13},^{ואלסטיות 14}.

ה-BX-90 מסוג DAC הוא DAC מסוג בוכנה-צילינדר שפותח לאחרונה עם צמצם גדול (90° לכל היותר) עבור מדידות ספקטרוסקופיה XRD^{ולייזר 9,}עם שטח ופתחים להרכבת דוד התנגדות מיניאטורי. החתך בצורת U בצד הצילינדר מספק גם מקום לשחרר את הלחץ בין הבוכנה לצד הצילינדר הנגרמת על ידי מעבר צבע טמפרטורה. לכן, זה היה לאחרונה בשימוש נרחב במדידות אבקה או קריסטל יחיד XRD ו Brillouin עם הגדרת חימום חיצוני. במחקר זה, אנו מתארים פרוטוקול לשחזור ומתוקננת להכנת EHDACs והפגינו XRD קריסטל יחיד, כמו גם מדידות ספקטרוסקופיה Brillouin של קרח-VII גביש יחיד מסונתז באמצעות EHDAC ב 11.2 GPa ו 300-500 K.

Protocol

1. הכנת מחמם טבעת

1. מפברק את בסיס דוד הטבעת
   1. פברק את בסיס דוד הטבעת על-ידי מכונת כרסום של בקרה מספרית (CNC) במחשב באמצעות פירופילייט המבוססת על דגם תלת-מית-מית- מתוכננת. ממדי התנור הם בקוטר חוץ (OD) בקוטר 22.30 מ"מ, בקוטר פנימי (ID) בקוטר פנימי של 8.00 מ"מ ובעובי של 2.25 מ"מ. תסיס את בסיס התנור בכבשן ב-1523 אלף למשך 20 שעות.
2. חיווט
   1. לחתוך Pt 10 wt% חוט Rh (קוטר: 0.01 אינץ') לתוך 3 חוטים באורך שווה (כ 44 ס"מ כל אחד).
   2. בזהירות רוח כל חוט Pt / Rh דרך החורים בבסיס התנור, להשאיר על 10 ס"מ חוט מחוץ לבסיס התנור לחיבור לספק החשמל. בעת חיווט, ודא כי החוט נמוך יותר מאשר המרזבים של הבסיס. אם הוא גבוה יותר מהביבים, השתמש במברג שטוח-ראש מתאים כדי ללחוץ עליו.
   3. רוח יותר חוטים על חוטי הארכה 10 ס"מ כדי להפחית את ההתנגדות החשמלית וכך הטמפרטורה של חוטי ההארכה במהלך החימום.
3. הוספת מנוקים
   1. השתמש בשני שרוולים קטנים לחשמל קרמי כדי להגן על החוטים המשתרעים מחוץ לבסיס דוד הטבעת. מערבבים דבק בטון (למשל, Resbond 919) עם מים ביחס של 100:13. לתקן את הצינורות האלה לבסיס דוד הטבעת באמצעות תערובת הבטון.
      הערה: המלט צריך 4 שעות כדי להירפא ב 393 K או 24 שעות בטמפרטורת החדר.
   2. השתמשו בצמות השכיחות כדי להגן על החוטים החיצוניים.
   3. חותכים שתי טבעות מיכה באמצעות מכונת_{חיתוך לייזר CO 2.} כדי לחשמל את החוט, חבר טבעת מיכה אחת לכל צד של התנור על-ידי טאק UHU.

2. הכנת EHDAC

1. יהלומים מיהלומים
   1. יישר את היהלומים עם מושבי גיבוי באמצעות ג'יגים להרכבה. השתמש באפוקסי שחור כדי להדביק את היהלום למושב האחורי. האפוקסי השחור צריך להיות נמוך יותר מחוך היהלום כדי להשאיר קצת מקום למלט בטמפרטורה גבוהה.
2. יישור
   1. הדבק את היקה או מקם את טבעות הפירופיליט במכונה מתחת למושבים כדי לבין את המושבים ואת DAC באופן תרמי. שים את המושבים עם היהלומים לתוך BX-90 DAC. יישר שני יהלומים מתחת למיקרוסקופ האופטי.
3. הכנת האטם לדוגמה
   1. מניחים את אטם הרניום, שהוא קטן יותר מהחור של דוד הטבעת, בין שני היהלומים והיכנס מראש לאם לכ-30-45 μm על-ידי הידוק בעדינות של ארבעת הברגים של DAC. מקדחה חור במרכז המיקום באמצעות מכונת פריקה חשמלית (EDM) או מכונת קידוח מיקרו לייזר.
4. תרמוקופל הרכבה
   1. לתקן שתי חתיכות קטנות של mica עם תערובת הבטון על המושב של הצד בוכנה של DAC כדי לחשמל לחשמל את התרמוקופלים מהמושב. חבר שני סוג K (Chromega-Alomega 0.005'') או R-type (87%פלטיום/13%רודיום-פלטיום, 0.005") תרמוקופלים לצד הבוכנה של ה-DAC, כדי להבטיח שקצות התרמוקופלים יגעו ביהלום וקרובים לציפת היהלום (כ-500 μm משם). לבסוף, השתמש בתערובת בטון בטמפרטורה גבוהה כדי לתקן את מיקום thermocouple ולכסות את אפוקסי שחור משני צידי DAC.
5. מיקום מחמם
   1. חותכים את סרט הקרמיקה 2300 °F בצורת בסיס התנור על-ידי_{מכונת קידוח לייזר} CO 2 והניחתה משני צידי DAC (בוכנה וצידי צילינדר). אם זה קל מאוד לנוע, להשתמש קצת Tac UHU כדי לתקן את זה.
   2. מניחים את התנור בצד הבוכנה של ה-BX-90 DAC. השתמשו בקלטת קרמיקה של כ-2,300°F כדי למלא את הפער בין התנור לקיר ה-DAC.
6. מיקום אטם
   1. נקה את החור לדוגמה של האטם באמצעות מחט או קיסם משחיז כדי להיפטר רסיסי מתכת הציג על ידי הקידוח. השתמש מנקה אולטראסוניות כדי לנקות את האטם במשך 5-10 דקות.
   2. שים שני כדורים קטנים של דביק (למשל, UHU Tac) סביב היהלום בצד הבוכנה של DAC כדי לתמוך האטם. יישר את חור התא לדוגמה של האטם כך להתאים למרכז הקטטה מתחת למיקרוסקופ האופטי.

3. סינתזה של קרח-קריסטל יחיד VII על ידי EHDAC

1. טוען דוגמה
   1. טען כדור אודם אחד או יותר וחתיכת זהב אחת לתוך תא הדגימה.
   2. טען טיפת מים מזוקקים בתא הדגימה, סגור את ה-DAC ודחוס אותו על-ידי הידוק ארבעת הברגים ב-DAC כדי לאטום במהירות את המים בתא הדגימה.
2. מדגם לחץ כדי להשיג אבקת קרח VII
   1. לקבוע את הלחץ של הדגימה על ידי מדידת הפלואורסצנציה של ספירות אודם באמצעות ספקטרומטר רמאן.
   2. לדחוס בזהירות את הדגימה על ידי סיבוב ארבעת הברגים ולפקח על הלחץ על ידי פלורסנט רובי עד שהוא מגיע לשדה היציבות של ice-VII (>2 GPa). צפה בתא הדגימה תחת מיקרוסקופ אופטי במהלך דחיסה. לפעמים הדו-קיום של נוזל מים וקרח גבישי השישי נראה לעין אם הלחץ קרוב לגבול השלב של מים וקרח השישי.
   3. המשך לדחוס את תא הדגימה עד שהוא מגיע ללחץ בשדה היציבות של קרח-VII. על מנת להמיס את הקרח השביעי מאוחר יותר, לחץ היעד הוא בדרך כלל בין 2 GPa ו 10 GPa ב 300 K.
3. דגימת חימום כדי להשיג קרח-VII קריסטל יחיד
   1. שים את ה-EHDAC מתחת למיקרוסקופ האופטי עם מצלמה המחוברת למחשב. תרמית לתוחל DAC מהשלב מיקרוסקופ, מבלי לחסום את נתיב האור המשודר של המיקרוסקופ.
   2. חבר את התרמיל למתר החום וחבר את התנור לספק כוח DC.
   3. נטר את המסת גבישי קרח-VII בעת החימום לטמפרטורה גבוהה יותר מטמפרטורת ההתכה של קרח-VII בלחץ גבוה שנקבעה על-ידי דיאגרמת השלב של H₂O.
   4. הרוו את תא הדגימה כדי לאפשר למים הנוזליים להתגבש, ולאחר מכן להגדיל את הטמפרטורה עד שחלק מקרישי הקרח הקטנים יותר יתמתכו. חזור על מחזורי החימום והקירור מספר פעמים עד שרק גרגרים גדולים יותר יישארו בתא הדגימה.
   5. למדוד את הלחץ של הדגימה לאחר הסינתזה.

4. פירוק רנטגן של Synchrotron ואוסף ספקטרוסקופיה של בריליין

1. מפזר רנטגן של Synchrotron
   1. בדוק אם מדגם הקרח-VII מסונתז הוא polycrystalline או גביש יחיד על ידי xRD¹⁵מבוסס סינכרון . אם זה גביש יחיד, דפוס ההתישה צריך להיות כתמי מפזר במקום טבעות אבקה.
   2. השג שלב לסרוק תמונות XRD קריסטל יחיד כדי לקבוע את פרמטרי הכיוון וסריג של ice-VII.
   3. לאסוף את XRD של סמן לחץ, כלומר זהב, בתא המדגם כדי לקבוע את הלחץ.
2. ספקטרוסקופיה ברילין
   1. הר את ה-EHDAC על בעל מיוחד שניתן לסובב בתוך הישור האנכי על-ידי שינוי הזוויות. חבר את התרמו-אופלים לבקר הטמפרטורה וחבר את התנור לספק הכוח.
   2. בצעו מדידות ספקטרוסקופיה של ברילוין כל זווית של 10-15° ב-300 K לטווח זווית כולל של 180° או 270°¹⁶. לאחר מכן מחממים את הדגימה לטמפרטורות גבוהות (לדוגמה, 500 אלף) וחזרו על מדידת הספקטרוסקופיה של בריליין.

תוצאות

בדו"ח זה, השתמשנו מיקרו-דוד התנגדותי מפוברק ו BX-90 DAC עבור הניסוי EHDAC (איור 1 ו איור 2). איור 1 מציג את עיבודי העיבוד והייצור של תנורי הטבעת. הממדים הסטנדרטיים של בסיס התנור הם בקוטר חוץ של 22.30 מ"מ, בקוטר פנימי של 8.00 מ"מ ובעובי של 2.25 מ"מ. ניתן לכוונן את...

Discussion

בעבודה זו תיארנו את הפרוטוקול של הכנת EHDAC למחקר בלחץ גבוה. הרכבות התא כוללות מיקרו-דוד ושכבות בידוד תרמיות וחשמליות. בעבר, קיימים מספר עיצובים של תנורי חימום נגדיים עבור סוגים שונים של DACs או^{תצורות ניסיוניות 7,17,18,19,}...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Au	N/A	N/A	for pressure calibration
Deionized water	Fisher Scientific	7732-18-5	for the starting material of ice-VII synthesis
Diamond anvil cell	SciStar, Beijing	N/A	for generating high pressure
K-type thermocouple	Omega	L-0044K	for measuring high temperature
Mica	Spruce Pine Mica Company	N/A	for electrical insulation
Pt 10wt%Rh	Alfa Aesar	10065	for heater
Pyrophyllite	McMaster-Carr	8479K12	for fabricating the heater base
Re	Sigma-Aldrich	267317	for the gasket of diamond anvil cell
Resbond 919 Ceramic Adhesive	Cotronics Corp	Resbond 919-1	for insulating heating wires and mounting diamonds on seats
Ruby	N/A	N/A	for pressure calibration
Ultra-Temp 2300F ceramic tape	McMaster Carr Supply	390-23M	for thermal insulation