고압 온도 조건에서 얼음 VII의 합성 및 단결정 탄성 측정을 위한 외부 가열 다이아몬드 모루 셀

요약

이 작품은 고압 및 고온 (HPHT) 조건을 생성하기위한 외부 가열 다이아몬드 모루 셀 (EHDAC)을 준비하기위한 표준 프로토콜에 초점을 맞추고 있습니다. EHDAC는 극한 조건에서 지구와 행성 내부의 물질을 조사하기 위해 사용되며, 이는 또한 고체 상태 물리학 및 화학 연구에 사용될 수 있습니다.

초록

외부 가열 다이아몬드 모루 셀 (EHDAC)은 지구와 행성 의 내부에서 발견되는 동시에 고압 및 고온 조건을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 여기서는 링 저항 히터, 열 및 전기 절연 층, 열전대 배치, 이러한 부품을 사용하여 EHDAC를 준비하기위한 실험 프로토콜을 포함한 EHDAC 어셈블리 및 액세서리의 설계 및 제조에 대해 설명합니다. EHDAC는 정기적으로 메가바 압력과 야외에서 최대 900K 온도를 생성하고 보호 대기(예: Ar가 1%_H2로혼합)를 통해 최대 ~1200K까지 더 높은 온도를 생성하는 데 일상적으로 사용될 수 있습니다. 일반적으로 온도에 도달하는 레이저 가열 방법에 비해 >1100 K, 외부 가열은 쉽게 구현하고 ≤900 K에서 보다 안정적인 온도를 제공하고 샘플에 적은 온도 그라데이션을 제공 할 수 있습니다. 우리는 단일 결정 얼음 VII의 합성을위한 EHDAC의 적용을 선보였고 동시에 고압 고온 조건에서 싱크로트론 기반 X 선 회절및 브릴루인 산란을 사용하여 단결정 탄성 특성을 연구했습니다.

서문

다이아몬드 모루 세포 (DAC)는 고압 연구를위한 가장 중요한 도구 중 하나입니다. 싱크로트론 기반 및 종래의 분석 방법과 결합하여, 다중 메가바 압력과 광범위한 온도에서 행성 재료의 특성을 연구하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 대부분의 행성 인테리어는 고압 및 고온(HPHT) 조건 하에서 진행됩니다. 따라서 행성 인테리어의 물리학과 화학을 연구하기 위해 현장에서 고압으로 DAC의 압축 된 샘플을 가열하는 것이 필수적입니다. 고온은 행성 물질의 위상 및 용융 관계 및 열역학적 특성에 대한 조사에 필요한 뿐만 아니라 압력 그라데이션을 완화하고 위상 전환 및 화학 반응을 촉진하며 확산 및 재결정화를 촉진하는 데 도움이 됩니다. 레이저 가열 및 내부/외부 저항 가열 방법 : 두 가지 방법은 일반적으로 DAC에서 샘플을 가열하는 데 사용됩니다.

레이저 가열 DAC 기술은 행성 인테리어^1,2의고압 재료 과학 및 광물 물리학 연구에 사용되었습니다. 점점 더 많은 실험실이 이 기술에 접근할 수 있지만 일반적으로 상당한 개발 및 유지 보수 노력이 필요합니다. 레이저 가열 기술은 7000 K^3의높은 온도를 달성하기 위해 사용되었습니다. 그러나 레이저 가열 실험에서장간 안정적인 가열과 온도 측정은 지속적인 문제였습니다. 레이저 가열 중 온도는 일반적으로 변동하지만 열 방출과 레이저 전력 사이의 피드 백 커플링에 의해 완화 될 수있다. 더 어려운 제어 하 고 다른 레이저 흡광도의 여러 단계의 조립에 대 한 온도 결정. 온도는 또한 상당히 큰 그라데이션과 불확실성 (수백 K)을 가지고 있지만, 최근의 기술 개발 노력은이 문제를 완화하기 위해 사용되었지만^4,5,6. 가열된 시료 영역의 온도 그라데이션은 때때로 확산, 재분할 또는 부분 용융으로 인한 화학 이질성을 더 소개할 수 있다. 또한, 1100K 미만의 온도는 일반적으로 적외선 파장 범위에서 높은 감도를 가진 맞춤형 검출기 없이는 정확하게 측정할 수 없습니다.

EHDAC는 개스킷/시트 주위의 저항 전선 또는 호일을 사용하여 전체 샘플 챔버를 가열하여 보호 대기(예: Ar/H₂ 가스)없이 샘플을 ~900 K로 가열하고 보호^대기7을 사용하여 ~1300 K로 가열할 수 있는 능력을 제공한다. 더 높은 온도에서 다이아몬드의 산화 및 흑연은이 방법을 사용하여 가장 높은 달성 온도를 제한합니다. 레이저 가열에 비해 온도 범위가 제한되어 있지만, 장시간 보다 안정적인 가열과 더 작은 온도 그라데이션^8을제공하며 광학 현미경, X 선 회절 (XRD), 라만 분광법, Brillouin 분광법 및 포에르 변환 적외선 분광학^9을포함한 다양한 검출 및 진단 방법과 결합하기에 적합합니다. 따라서, EHDAC는 위상 안정성 및^{전이(10,11,}용융 곡선^12,주 13의 열 방정식, 및탄성(14)과 같은 HPHT 조건에서 다양한 재료 특성을 연구하는 유용한 도구가 되었다.

BX-90 타입 DAC는 XRD 및 레이저 분광법 측정^9에대해 대형 조리개(최대 90°)가 있는 새로 개발된 피스톤 실린더 타입 DAC로 소형 저항 히터를 장착할 공간과 개구부를 제공합니다. 실린더 측의 U자형 컷은 또한 온도 그라데이션으로 인한 피스톤과 실린더 측 사이의 응력해제 공간을 제공합니다. 따라서, 최근에는 외부 가열 설정을 통해 분말 또는 단결정 XRD 및 브릴루인 측정에 널리 사용되고 있다. 이 연구에서는 EHDAC를 준비하기 위한 재현 가능하고 표준화된 프로토콜을 설명하고 11.2 GPa 및 300-500 K에서 EHDAC를 사용하여 합성된 단결정 얼음 VII의 브릴루인 분광법 측정뿐만 아니라 단일 결정 XRD를 시연했습니다.

프로토콜

1. 링 히터 준비

1. 링 히터 베이스 제작
   1. 설계된 3D 모델을 기반으로 파이로필릿을 사용하여 컴퓨터 수치 제어(CNC) 밀링 머신으로 링 히터 베이스를 제작합니다. 히터의 치수는 외경(OD)의 22.30mm, 내지름 8.00mm(ID) 및 두께 2.25mm입니다. 1523 K에서 1523 K로 에 히터 베이스를 20 시간 동안 소사합니다.
2. 배선
   1. Pt 10 wt% Rh 와이어(직경: 0.01인치)를 3개의 동일한 길이 와이어(각 약 44cm)로 잘라냅니다.
   2. 각 Pt/Rh 와이어를 히터 베이스의 구멍을 통해 조심스럽게 바람시고, 전원 공급 장치에 연결하기 위해 히터 베이스 외부에 약 10cm 와이어를 둡니다. 배선 시 와이어가 베이스의 배수로보다 낮은지 확인합니다. 배수로보다 높은 경우 적절한 플랫 헤드 드라이버를 사용하여 아래로 누릅니다.
   3. 10cm 연장 전선에서 더 많은 전선을 감아 전기 저항을 줄이고 가열 하는 동안 연장 전선의 온도를 감소 시 연장 와이어의 온도.
3. 절연체 추가
   1. 두 개의 작은 세라믹 전기 절연 슬리브를 사용하여 링 히터 베이스 외부에서 연장되는 와이어를 보호하십시오. 시멘트 접착제(예: Resbond 919)를 100:13의 비율로 물과 혼합합니다. 시멘트 혼합물을 사용하여 해당 튜브를 링 히터 베이스에 고정합니다.
      참고: 시멘트는 실온에서 393K 또는 24시간 경화하는 데 4시간이 필요합니다.
   2. 외부 전선을 보호하기 위해 고온 브레이드 슬레빙을 사용합니다.
   3. CO₂ 레이저 커팅 기계를 사용하여 두 개의 운하 고리를 잘라냅니다. 와이어를 전기적으로 절연하려면 UHU tac에 의해 히터의 각 측면에 하나의 운하 링을 부착하십시오.

2. EHDAC 준비

1. 글루팅 다이아몬드
   1. 장착 지그를 사용하여 다이아몬드를 백킹 시트와 정렬합니다. 블랙 에폭시를 사용하여 다이아몬드를 백킹 시트에 붙입니다. 검은 색 에폭시는 고온 시멘트에 대한 공간을 떠나 다이아몬드의 거들보다 낮아야한다.
2. 맞춤
   1. 접착제 운모 또는 시트와 DAC열 절연 좌석 아래에 가공 된 파이로 필릿 링을 배치합니다. 다이아몬드가 장착된 시트를 BX-90 DAC에 넣습니다. 광학 현미경 아래에 두 개의 다이아몬드를 정렬합니다.
3. 샘플 개스킷 준비
   1. 링 히터의 구멍보다 작은 레늄 개스킷을 두 개의 다이아몬드와 전들여 개스킷사이에 배치하여 DAC의 4개의 나사를 부드럽게 조여 약 30-45 μm에 넣습니다. 전기 방전 기계 (EDM) 또는 레이저 마이크로 드릴링 기계에 의해 들여쓰기의 중심에 구멍을 드릴.
4. 마운팅 열전대
   1. DAC의 피스톤 측면 의좌석에 시멘트 혼합물로 두 개의 작은 곡피스를 고정하여 시트에서 열전대를 전기적으로 절연합니다. K형 2종(크롬가-알오메가 0.005') 또는 R형(87%플라티움/13%로듐-플라티움, 0.005")을 DAC의 피스톤 측에 부착하여 열전대의 팁이 다이아몬드를 터치하고 다이아몬드의 큐렛에 가깝게 연결합니다(약 500μm). 마지막으로, 고온 시멘트 혼합물을 사용하여 열전대 위치를 수정하고 DAC의 양쪽에 검은 색 에폭시를 덮습니다.
5. 히터 배치
   1. CO₂ 레이저 드릴링 머신에 의해 히터 베이스의 모양으로 2300 °F 세라믹 테이프를 잘라 DAC (피스톤 및 실린더 측면)의 양쪽에 배치합니다. 그것은 주위에 이동하는 것이 매우 쉬운 경우, 그것을 해결하기 위해 몇 가지 UHU TAC을 사용합니다.
   2. BX-90 DAC의 피스톤 측면에 히터를 놓습니다. 약 2300 °F 세라믹 테이프를 사용하여 DAC의 히터와 벽 사이의 간격을 채웁니다.
6. 개스킷 배치
   1. 바늘이나 날카로운 이쑤시개를 사용하여 개스킷의 샘플 챔버 구멍을 청소하여 드릴링에 의해 도입된 금속 조각을 제거합니다. 초음파 클리너를 사용하여 개스킷을 5-10 분 동안 청소하십시오.
   2. 가스켓을 지원하기 위해 DAC의 피스톤 쪽에 다이아몬드 주위에 접착제 퍼티 (예 : UHU Tac)의 두 개의 작은 공을 넣습니다. 개스킷의 샘플 챔버 구멍을 광학 현미경 하에서 큐렛의 중심에 일치시십시오.

3. EHDAC에 의해 단일 결정 얼음 VII 합성

1. 로딩 샘플
   1. 하나 이상의 루비 구체와 한 조각의 금을 샘플 챔버에 적재합니다.
   2. 샘플 챔버에 증류수 한 방울을 적재하고 DAC를 닫고 DAC의 4개의 나사를 조여 샘플 챔버의 물을 신속하게 밀봉하여 압축합니다.
2. 분말 얼음 VII를 얻기 위해 시료를 가압
   1. 라만 분광계를 사용하여 루비 구체의 형광을 측정하여 시료의 압력을 결정합니다.
   2. 4개의 나사를 돌려 서 샘플을 조심스럽게 압축하고 얼음 VII(>2 GPa)의 안정성 필드에 도달할 때까지 루비 플로레센스로 압력을 모니터링합니다. 압축 하는 동안 광학 현미경에서 샘플 챔버를 보고. 때로는 압력이 물과 얼음 VI의 위상 경계에 가까우면 수액과 결정화된 얼음 VI의 공존이 보입니다.
   3. 얼음-VII의 안정성 필드의 압력에 도달할 때까지 샘플 챔버를 계속 압축합니다. 나중에 얼음 VII를 녹이기 위해 목표 압력은 일반적으로 300 K에서 2 GPa와 10 GPa 사이입니다.
3. 단일 결정 얼음 VII를 얻기 위한 가열 샘플
   1. 컴퓨터에 연결된 카메라가 있는 광학 현미경 아래에 EHDAC를 배치합니다. 현미경의 전달된 광 경로를 차단하지 않고 현미경 단계에서 DAC를 열적으로 절연합니다.
   2. 온도계에 열전대를 연결하고 히터를 DC 전원 공급 장치에 연결합니다.
   3. H2O의 위상 다이어그램에 의해 결정된 고압 얼음-VII의 용융 온도보다 높은 온도로가열시 얼음-VII 결정의 용융을 모니터링한다.
   4. 액체 물이 결정화 될 수 있도록 샘플 챔버를 담금질하고, 작은 얼음 결정의 일부가 용융 될 때까지 온도를 증가. 하나 또는 몇 개의 더 큰 곡물이 샘플 챔버에 남아있을 때까지 가열 및 냉각 주기를 몇 번 반복합니다.
   5. 합성 후 시료의 압력을 측정합니다.

4. 싱크로트론 X선 회절 및 브릴루인 분광법 수집

1. 싱크로트론 X선 회절
   1. 합성된 얼음-VII 샘플이 싱크로트론 계 단일 결정 XRD^15에의해 다결정 또는 단일 결정인지 확인한다. 단일 결정인 경우 회절 패턴은 분말 링 대신 회절 반점이어야 합니다.
   2. 단계 스캔 단결정 XRD 이미지를 얻어 얼음 VII의 방향 및 격자 매개 변수를 결정합니다.
   3. 압력 마커의 XRD를 수집, 즉 금, 압력을 결정하기 위해 샘플 챔버에서.
2. 브릴루인 분광법
   1. EHDAC를 수직 평면 내에서 회전할 수 있는 특수 홀더에 장착하여 각도를 변경합니다. 온도 컨트롤러에 열전대를 연결하고 히터를 전원 공급 장치에 연결합니다.
   2. Brillouin 분광기 측정을 수행 10-15° 각도마다 300 K에서 180° 또는 270°^16의총 θ 각도 범위. 그런 다음 샘플을 고온(예: 500 K)으로 가열하고 브릴루인 분광법 측정을 반복합니다.

결과

본 보고서에서, 우리는 EHDAC 실험에 대한 제조 된 저항 마이크로 히터 및 BX-90 DAC를 사용했다(도 1 및 도 2). 도 1은 링 히터의 가공 및 제조 공정을 나타낸다. 히터 베이스의 표준 치수는 외경 22.30mm, 내경 8.00mm, 두께 2.25mm입니다. 링 히터의 치수를 조절하여 다양한 유형의 시트와 다이아몬드를 수용할 수 있습니다.

토론

이 연구에서는 고압 연구를 위해 EHDAC를 준비하는 프로토콜을 설명했습니다. 마이크로 히터 및 열 및 전기 절연 층을 포함하는 셀 어셈블리. 이전에는 다양한 유형의 DAC 또는 실험 구성^{7,17,18,19,20에}대한 저항 히터의 여러 설계가 있다. 히터의 대부분은 개별 조사관에 의해 가?...

자료

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