Una cella incudine di diamante riscaldata esternamente per la sintesi e la determinazione dell'elasticità monocristalli del ghiaccio-VII in condizioni di temperatura ad alta pressione

Riepilogo

Questo lavoro si concentra sul protocollo standard per la preparazione della cella dell'incudine di diamante riscaldata esternamente (EHDAC) per generare condizioni di alta pressione e alta temperatura (HPHT). L'EHDAC è impiegato per studiare materiali nella Terra e negli interni planetari in condizioni estreme, che possono essere utilizzati anche negli studi di fisica e chimica dello stato solido.

Abstract

La cellula incudine di diamante riscaldata esternamente (EHDAC) può essere utilizzata per generare contemporaneamente condizioni di alta pressione e alta temperatura presenti negli interni della Terra e del pianeta. Qui descriviamo la progettazione e la fabbricazione degli assiemi e degli accessori EHDAC, tra cui riscaldatori resistivi ad anello, strati isolanti termici ed elettrici, posizionamento della termocopia, nonché il protocollo sperimentale per la preparazione dell'EHDAC utilizzando queste parti. L'EHDAC può essere utilizzato regolarmente per generare pressioni di megabar e temperature fino a 900 K all'aria aperta, e temperature potenzialmente più elevate fino a ~ 1200 K con un'atmosfera protettiva (cioè Ar mescolato con 1% H₂). Rispetto a un metodo di riscaldamento laser per raggiungere temperature tipicamente >1100 K, il riscaldamento esterno può essere facilmente implementato e fornire una temperatura più stabile a ≤900 K e meno gradienti di temperatura al campione. Abbiamo presentato l'applicazione dell'EHDAC per la sintesi del ghiaccio monocristallo-VII e studiato le sue proprietà elastiche monocristallo utilizzando la diffrazione a raggi X a base di sincrotrone e lo scattering Brillouin in condizioni di alta temperatura ad alta pressione simultanea.

Introduzione

La cella dell'incudine di diamante (DAC) è uno degli strumenti più importanti per la ricerca ad alta pressione. Accoppiato con metodi analitici convenzionali e a base di sincrotrone, è stato ampiamente utilizzato per studiare proprietà di materiali planetari fino a pressioni multi-megabar e a ampie gamme di temperature. La maggior parte degli interni planetari sono in condizioni sia ad alta pressione che ad alta temperatura (HPHT). È quindi essenziale riscaldare i campioni compressi in un DAC ad alte pressioni in situ per studiare la fisica e la chimica degli interni planetari. Le alte temperature sono necessarie non solo per le indagini sulle relazioni di fase e fusione e sulle proprietà termodinamiche dei materiali planetari, ma aiutano anche a mitigare il gradiente di pressione, promuovere transizioni di fase e reazioni chimiche e accelerare la diffusione e la ricristallizzazione. Due metodi sono tipicamente utilizzati per riscaldare i campioni nei DAC: il riscaldamento laser e i metodi di riscaldamento resistivo interno / esterno.

La tecnica DAC riscaldata al laser è stata utilizzata per la scienza dei materiali ad alta pressione e la ricerca sulla fisica dei minerali degli interni^{planetari 1,2}. Sebbene un numero crescente di laboratori abbia accesso alla tecnica, di solito richiede uno sforzo significativo di sviluppo e manutenzione. La tecnica di riscaldamento laser è stata utilizzata per raggiungere temperature fino a 7000 K^3. Tuttavia, il riscaldamento stabile di lunga durata e la misurazione della temperatura negli esperimenti di riscaldamento laser sono stati un problema persistente. La temperatura durante il riscaldamento laser di solito fluttua, ma può essere mitigata dall'accoppiamento feed-back tra emissione termica e potenza laser. Più impegnativo è controllare e determinare la temperatura per il montaggio di più fasi di diversa assorbanza laser. La temperatura ha anche un gradiente e incertezze notevolmente grandi (centinaia di K), anche se recenti sforzi di sviluppo tecnico sono stati utilizzati per mitigare^{questo problema 4,5,6}. I gradienti di temperatura nell'area del campione riscaldato a volte possono introdurre ulteriormente eterogeneità chimiche causate dalla diffusione, dalla ripartizionamento o dalla fusione parziale. Inoltre, temperature inferiori a 1100 K in genere non potevano essere misurate con precisione senza rivelatori personalizzati con alta sensibilità nell'intervallo di lunghezze d'onda infrarosse.

L'EHDAC utilizza fili o fogli resistivi intorno alla guarnizione /sedile per riscaldare l'intera camera campione, che fornisce la possibilità di riscaldare il campione a ~ 900 K senza atmosfera protettiva (come il gas Ar / H₂₎ e a ~ 1300 K con un'atmosfera^{protettiva 7}. L'ossidazione e la grafizzazione dei diamanti a temperature più elevate limitano le temperature più elevate ottenibili utilizzando questo metodo. Sebbene l'intervallo di temperatura sia limitato rispetto al riscaldamento laser, fornisce un riscaldamento più stabile per una lunga durata e un gradiente di temperatura^{inferiore 8}ed è adatto per essere accoppiato con vari metodi di rilevamento e diagnostica, tra cui microscopio ottico, diffrazione a raggi X (XRD), spettroscopia Raman, spettroscopia Brillouin e spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier⁹. Pertanto, l'EHDAC è diventato uno strumento utile per studiare varie proprietà del materiale in condizioni HPHT, come la stabilità di^{fase e le transizioni 10,11,}curve di^{fusione 12,}equazione termica dello^{stato 13}ed elasticità¹⁴.

Il DAC di tipo BX-90 è un DAC di tipo cilindro a pistone di nuova sviluppo con ampia apertura (90° al massimo) per le misure XRD e spettroscopia laser^9,con lo spazio e le aperture per montare un riscaldatore resistivo in miniatura. Il taglio a forma di U sul lato del cilindro offre anche spazio per rilasciare la sollecitazione tra il pistone e il lato del cilindro causata dal gradiente di temperatura. Pertanto, è stato recentemente ampiamente utilizzato nelle misurazioni xrd e brillouin in polvere o monocristallo con la configurazione di riscaldamento esterno. In questo studio, descriviamo un protocollo riproducibile e standardizzato per la preparazione degli EFC e abbiamo dimostrato xrd monocristallo e misurazioni della spettroscopia Brillouin di ghiaccio sintetizzato monocristallo-VII utilizzando l'EHDAC a 11,2 GPa e 300-500 K.

Protocollo

1. Preparazione del riscaldatore ad anello

1. Fabbricazione della base del riscaldatore ad anello
   1. Fabbricare la base del riscaldatore ad anello con una fresatrice a controllo numerico computerizzato (CNC) utilizzando pirofillite basata sul modello 3D progettato. Le dimensioni del riscaldatore sono di 22,30 mm di diametro esterno (OD), 8,00 mm di diametro interno (ID) e 2,25 mm di spessore. Sinterizzazione della base del riscaldatore nel forno a 1523 K per >20 ore.
2. Cablaggio
   1. Tagliare il filo Pt 10 wt% Rh (diametro: 0,01 pollici) in 3 fili di uguale lunghezza (circa 44 cm ciascuno).
   2. Avvolgere con cura ogni filo Pt/Rh attraverso i fori nella base del riscaldatore, lasciare circa 10 cm di filo all'esterno della base del riscaldatore per il collegamento all'alimentatore. Durante il cablaggio, assicurarsi che il filo sia inferiore alle grondaie della base. Se è superiore alla grondaia, utilizzare un cacciavite a testa piatta adeguato per premerlo verso il basso.
   3. Avvolgere più fili sui fili di estensione di 10 cm per ridurre la resistenza elettrica e quindi la temperatura dei fili di estensione durante il riscaldamento.
3. Aggiunta di isolanti
   1. Utilizzare due piccole maniche isolanti elettriche in ceramica per proteggere i fili che si estendono all'esterno della base del riscaldatore ad anello. Mescolare l'adesivo per cemento (ad esempio, Resbond 919) con acqua con un rapporto di 100:13. Fissare quei tubi alla base del riscaldatore ad anello usando la miscela di cemento.
      NOTA: Il cemento ha bisogno di 4 ore per essere curato a 393 K o 24 ore a temperatura ambiente.
   2. Utilizzare la treccia ad alta temperatura per proteggere i fili esterni.
   3. Tagliare due anelli di mica utilizzando una macchina per il taglio laser a CO_2. Per isolare elettricamente il filo, attaccare un anello di mica su ciascun lato del riscaldatore con tac UHU.

2. Preparazione EHDAC

1. Incollaggio di diamanti
   1. Allineare i diamanti con i sedili di supporto utilizzando maschere di montaggio. Utilizzare epossidico nero per incollare il diamante sul sedile di appoggio. L'epossidico nero dovrebbe essere inferiore alla cintura del diamante per lasciare un po 'di spazio per il cemento ad alta temperatura.
2. Allineamento
   1. Incollare la mica o posizionare gli anelli di pirofillite lavorati sotto i sedili per isolare termicamente i sedili e il DAC. Metti i sedili con i diamanti in un DAC BX-90. Allineare due diamanti al microscopio ottico.
3. Preparazione della guarnizione del campione
   1. Posizionare la guarnizione del renio, che è più piccola del foro del riscaldatore ad anello, tra i due diamanti e pre-indentare la guarnizione a circa 30-45 μm stringendo delicatamente le quattro viti di DAC. Praticare un foro al centro dell'indentazione con macchina a scarica elettrica (EDM) o microforatrice laser.
4. Termoaccoppio di montaggio
   1. Fissare due piccoli pezzi di mica con la miscela di cemento sul sedile del lato del pistone di DAC per isolare elettricamente le termocopia dal sedile. Attaccare due termoaccoppie di tipo K (Chromega-Alomega 0,005'') o R (87%Platium/13%Rhodium-Platium, 0,005") sul lato pistone del DAC, assicurando che le punte delle termocopiacchi tocchino il diamante e vicino alla culet del diamante (a circa 500 μm di distanza). Infine, utilizzare la miscela di cemento ad alta temperatura per fissare la posizione della termocopia e coprire l'epossidico nero su entrambi i lati del DAC.
5. Posizionamento del riscaldatore
   1. Tagliare il nastro ceramico da 2300 ° F a forma di base del riscaldatore con una_foratrice laser CO 2 e posizionarlo su entrambi i lati del DAC (pistone e lati del cilindro). Se è molto facile spostarsi, usa un po 'di tac UHU per risolverlo.
   2. Posizionare il riscaldatore nel lato pistone del DAC BX-90. Utilizzare circa nastro ceramico da 2300 °F per colmare lo spazio tra il riscaldatore e la parete del DAC.
6. Posizionamento guarnizione
   1. Pulire il foro della camera campione della guarnizione utilizzando un ago o uno stuzzicadenti affilato per eliminare i frammenti metallici introdotti dalla perforazione. Utilizzare un pulitore ad ultrasuoni per pulire la guarnizione per 5-10 minuti.
   2. Mettere due piccole palline di adesivo (ad esempio, UHU Tac) attorno al diamante sul lato del pistone del DAC per sostenere la guarnizione. Allineare il foro della camera campione della guarnizione in modo che corrisponda al centro della culet al microscopio ottico.

3. Sintetizzare ghiaccio monocristamento-VII da EHDAC

1. Esempio di caricamento
   1. Caricare una o più sfere di rubino e un pezzo d'oro nella camera campione.
   2. Caricare una goccia di acqua distillata nella camera del campione, chiudere il DAC e comprimerlo stringendo le quattro viti sul DAC per sigillare rapidamente l'acqua nella camera del campione.
2. Campione pressurizzante per ottenere ghiaccio in polvere-VII
   1. Determinare la pressione del campione misurando la fluorescenza delle sfere di rubino utilizzando uno spettrometro Raman.
   2. Comprimere con cura il campione ruotando le quattro viti e monitorare la pressione per florescence rubino fino a raggiungere il campo di stabilità del ghiaccio-VII (>2 GPa). Guarda la camera campione al microscopio ottico durante la compressione. A volte la coesistenza di fluido d'acqua e ghiaccio cristallizzato VI è visibile se la pressione è vicina al confine di fase dell'acqua e del ghiaccio VI.
   3. Continuare a comprimere la camera campione fino a raggiungere la pressione nel campo di stabilità del ghiaccio-VII. Per sciogliere il ghiaccio-VII più tardi, la pressione bersaglio è di solito compresa tra 2 GPa e 10 GPa a 300 K.
3. Campione riscaldante per ottenere ghiaccio monocristamento-VII
   1. Mettere l'EHDAC al microscopio ottico con una fotocamera collegata al computer. Isolare termicamente il DAC dallo stadio del microscopio, senza bloccare il percorso della luce trasmessa del microscopio.
   2. Collegare la termocopia al termometro e collegare il riscaldatore a un alimentatore CC.
   3. Monitorare lo scioglimento dei cristalli di ghiaccio-VII al riscaldamento ad una temperatura superiore alla temperatura di fusione del ghiaccio-VII ad alta pressione determinata dal diagramma di fase di H₂O.
   4. Dissetare la camera campione per consentire all'acqua liquida di cristallizzarsi, quindi aumentare la temperatura fino a quando alcuni dei cristalli di ghiaccio più piccoli non vengono fusi. Ripetere i cicli di riscaldamento e raffreddamento alcune volte fino a quando nella camera del campione rimangono solo uno o pochi grani più grandi.
   5. Misurare la pressione del campione dopo la sintesi.

4. Diffrazione a raggi X del sincrotrone e raccolta di spettroscopia Brillouin

1. Diffrazione dei raggi X del sincrotrone
   1. Verificare se il campione ice-VII sintetizzato è policristallino o un singolo cristallo mediante XRD 15 a base di^sincrotrone. Se si tratta di un singolo cristallo, il modello di diffrazione dovrebbe essere macchie di diffrazione invece di anelli di polvere.
   2. Ottenere immagini XRD monocristaccio a scansione a singolo cristallo per determinare i parametri di orientamento e reticolo del ghiaccio-VII.
   3. Raccogliere l'XRD del marcatore di pressione, cioè l'oro, nella camera campione per determinare la pressione.
2. Spettroscopia Brillouin
   1. Montare l'EHDAC su un supporto specializzato che può essere ruotato all'interno del piano verticale modificando gli angoli χ. Collegare le termocopia al regolatore di temperatura e collegare il riscaldatore all'alimentatore.
   2. Eseguire misurazioni della spettroscopia Brillouin ogni angolo di 10-15° χ a 300 K per un intervallo totale di χ angolo di 180° o 270°¹⁶. Quindi riscaldare il campione ad alte temperature (ad esempio, 500 K) e ripetere la misurazione della spettroscopia Brillouin.

Risultati

In questa relazione abbiamo utilizzato il microrito riscaldatore resistivo fabbricato e il DAC BX-90 per l'esperimento EHDAC (Figura 1 e Figura 2). La figura 1 mostra i processi di lavorazione e fabbricazione dei riscaldatori ad anello. Le dimensioni standard della base del riscaldatore sono di 22,30 mm di diametro esterno, 8,00 mm di diametro interno e 2,25 mm di spessore. Le dimensioni del riscaldatore ad anello possono essere reg...

Discussione

In questo lavoro, abbiamo descritto il protocollo di preparazione dell'EHDAC per la ricerca ad alta pressione. I gruppi cellulari, tra cui un microri riscaldatore e strati isolanti termici ed elettrici. In precedenza, esistono più progetti di riscaldatori resistivi per diversi tipi di DAC o configurazioni sperimentali^{7,17,18,19,20}. La maggior parte dei riscal...

Materiali

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