Внешне нагретая алмазная наковальня для синтеза и однокристаллическое определение эластичности льда-VII в условиях высокого давления и температуры

Резюме

Эта работа сосредоточена на стандартном протоколе подготовки внешне нагретой алмазной наковальни (EHDAC) для создания условий высокого давления и высокой температуры (HPHT). EHDAC используется для исследования материалов в Земле и планетарных интерьерах в экстремальных условиях, которые также могут быть использованы в физике твердого тела и химии исследований.

Аннотация

Внешне нагретая алмазная наковальня (EHDAC) может использоваться для создания одновременно высокого давления и высокотемо температурных условий, обнаруженных в земных и планетарных интерьерах. Здесь мы описываем проектирование и изготовление сборок и аксессуаров EHDAC, включая кольцевые резистивные обогреватели, тепло- и электрические изоляционные слои, термокоупление, а также экспериментальный протокол подготовки EHDAC с использованием этих деталей. EHDAC может регулярно использоваться для генерации мегабарного давления и температуры до 900 K на открытом воздухе, и потенциально более высоких температур до 1200 K с защитной атмосферой (т.е. Ar смешивается с 1% H₂). По сравнению с методом лазерного нагрева для достижения температуры, как правило, 1100 K, внешнее отопление может быть легко реализовано и обеспечить более стабильную температуру на ≤900 K и меньше температурных градиентов к образцу. Мы продемонстрировали применение EHDAC для синтеза одного хрустального льда-VII и изучили его однокристалловые эластичные свойства с использованием синхротронной рентгеновской дифракции и рассеяния бриллуина при одновременно высоких температурах.

Введение

Ячейка алмазной наковальни (DAC) является одним из наиболее важных инструментов для исследований высокого давления. В сочетании с синхротронными и традиционными аналитическими методами, он широко используется для изучения свойств планетарных материалов в зависимости от давления мультимамебара и при широком диапазоне температур. Большинство планетарных интерьеров находятся как в условиях высокого давления, так и высокого температуры (HPHT). Таким образом, важно нагревать сжатые образцы в DAC при высоком давлении на месте для изучения физики и химии планетарных интерьеров. Высокие температуры не только необходимы для исследования фазовых и плавильных отношений и термодинамических свойств планетарных материалов, но и помогают смягчить градиент давления, способствуют фазовым переходам и химическим реакциям, ускоряют диффузию и рекристаллизацию. Для нагрева образцов в ДК обычно используются два метода: лазерное нагревание и внутренние/внешние методы резисторного нагрева.

Техника DAC с лазерным подогревом используется для исследования материалов высокого давления и исследования минеральной физики планетарных интерьеров^1,2. Хотя все большее число лабораторий имеют доступ к этой технике, она обычно требует значительных усилий по разработке и техническому обслуживанию. Лазерная техника нагрева была использована для достижения температуры выше, чем 7000 K³. Тем не менее, длительное стабильное нагревание, а также измерение температуры в лазерных нагревательных экспериментов были постоянной проблемой. Температура во время лазерного нагрева обычно колеблется, но может быть смягчена путем обратного соединения между тепловым излучением и лазерной энергии. Более сложной задачей является контроль и определение температуры для сборки нескольких фаз различного лазерного поглощения. Температура также имеет значительно большой градиент и неопределенности (сотни K), хотя последние усилия технического развития были использованы для смягчения этой^{проблемы 4,5,6}. Температурные градиенты в области нагретого образца иногда могут еще больше привести к химической неоднородности, вызванной диффузией, повторной секционированием или частичным таянием. Кроме того, температура менее 1100 K, как правило, не может быть измерена точно без индивидуальных детекторов с высокой чувствительностью в инфракрасном диапазоне длин волн.

EHDAC использует резистивные провода или фольги вокруг прокладки/места для обогрева всей камеры образца, что обеспечивает возможность нагрева образца до 900 К без защитной атмосферы (например, газа Ar/H₂₎ и до 1300 K с защитной^{атмосферой 7}. Окисление и графитизация алмазов при более высоких температурах ограничивают самые высокие достижимые температуры с помощью этого метода. Хотя диапазон температур ограничен по сравнению с лазерным нагрева, он обеспечивает более стабильное нагревание в течение длительного времени и меньший^{градиент температуры 8}, и хорошо подходит для в сочетании с различными методами обнаружения и диагностики, в том числе оптический микроскоп, рентгеновская дифракция (XRD), Раман спектроскопии, спектроскопия Brillouin и Фурье-трансформировать инфракрасную^{спектроскопию 9}. Таким образом, EHDAC стал полезным инструментом для изучения различных свойств материала в условиях HPHT, таких как фазовая стабильность^{и переходы 10,11,}кривые^{плавления 12,}тепловое уравнение^{состояния 13,}и^{эластичность 14}.

BX-90 типа DAC является недавно разработанный поршневой цилиндр типа DAC с большой диафрагмой (90 "на максимуме) для XRD и лазерной спектроскопии^{измерений 9}, с пространством и отверстиями для установки миниатюрный резистивный обогреватель. U-образный разрез на стороне цилиндра также обеспечивает возможность для освобождения стресса между поршнем и стороны цилиндра, вызванного градиентом температуры. Таким образом, в последнее время он широко используется в порошковых или однокристалловых XRD и Brillouin измерений с внешней установки отопления. В этом исследовании мы описываем воспроизводимый и стандартизированный протокол для подготовки EHDACs и продемонстрировали однокристаллическое XRD, а также спектроскопию Brillouin измерений синтезированного однокристаллального льда-VII с использованием EHDAC на 11,2 GPa и 300-500 K.

протокол

1. Подготовка кольцевого обогревателя

1. Изготовление базы кольцевого обогревателя
   1. Изготовить базу кольцевого обогревателя компьютерным численным управлением (CNC) фрезерователем с использованием пирофиллита на основе разработанной 3D-модели. Габариты обогревателя 22,30 мм внешнего диаметра (ОД), 8,00 мм во внутреннем диаметре (ID) и 2,25 мм в толщину. Sinter нагреватель базы в печи на 1523 K в течение 20 часов.
2. Проводки
   1. Cut Pt 10 wt% Rh проволоки (диаметр: 0,01 дюйма) в 3 равной длины проводов (около 44 см каждый).
   2. Тщательно ветер каждый Pt / Rh провода через отверстия в базе нагревателя, оставить около 10 см провода за пределами нагревателя базы для подключения к источнику питания. При проводке убедитесь, что проволока ниже желобов основания. Если он выше желоба, используйте правильную отвертку с плоской головой, чтобы прижать ее.
   3. Ветер больше проводов на 10 см удлинительных проводов, чтобы уменьшить электрическое сопротивление и, следовательно, температура удлинительных проводов во время нагрева.
3. Добавление изоляторов
   1. Используйте два небольших керамических электрических изоляционных рукава для защиты проводов, простирающихся за пределами основания кольцевого обогревателя. Смешайте цементный клей (например, Resbond 919) с водой в соотношении 100:13. Исправить эти трубы на кольцевой нагреватель базы с помощью цементной смеси.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Цементу нужно 4 часа, чтобы вылечиться при температуре 393 K или 24 часа при комнатной температуре.
   2. Используйте высокотемпостиживающий коса sleeving для защиты внешних проводов.
   3. Вырезать два кольца слюды с помощью CO₂ лазерной резки машины. Чтобы электрически изолировать провод, прикрепите одно кольцо слюды к каждой стороне нагревателя UHU tac.

2. Подготовка EHDAC

1. Склеивания алмазов
   1. Выровняйте бриллианты с подсевами с помощью монтажных джигов. Используйте черную эпоксидную смолу, чтобы приклеить алмаз к заднему сидению. Черная эпоксидная смола должна быть ниже пояса алмаза, чтобы оставить место для высокотемпо температуре цемента.
2. Трассы
   1. Клей слюды или место обработать пирофиллит кольца под сиденьями, чтобы изолировать сиденья и DAC термически. Положите сиденья с бриллиантами в BX-90 DAC. Выровнять два алмаза под оптическим микроскопом.
3. Подготовка образца прокладки
   1. Поместите прокладку из рениума, которая меньше отверстия кольцевого обогревателя, между двумя бриллиантами и предварительно затмит прокладку примерно до 30-45 мкм, аккуратно затягивая четыре винта DAC. Просверлите отверстие в центре отступа с помощью электрической разгрузочной машины (EDM) или лазерной микробуровой машины.
4. Монтаж термокупла
   1. Закрените два небольших кусочка слюды цементной смесью на сиденье поршневой стороны DAC, чтобы электрически изолировать термокуплы от сиденья. Прикрепите два K-типа (Chromega-Alomega 0.005'') или R-типа (87%Platium/13%Rhodium-Platium, 0.005') термокуплы к поршневой стороне DAC, гарантируя, что кончики термокупель касаются алмаза и близко к кулету алмаза (около 500 мкм). Наконец, используйте высокотемператную цементную смесь, чтобы зафиксировать положение термоотеса и покрыть черную эпоксидную смолу по обе стороны DAC.
5. Размещение нагревателя
   1. Вырежьте керамическую ленту по 2300 градусов по Фаренгейту в форме основания нагревателя лазерной буровой машиной CO₂ и поместите ее по обе стороны dac (поршневые и цилиндрические стороны). Если это очень легко передвигаться, использовать некоторые UHU так, чтобы исправить это.
   2. Поместите обогреватель в поршневую сторону BX-90 DAC. Используйте около 2300 F керамической лентой, чтобы заполнить зазор между нагревателем и стеной DAC.
6. Размещение прокладки
   1. Очистите образец камерного отверстия прокладки с помощью иглы или заточенной зубочистки, чтобы избавиться от металлических фрагментов, введенных при бурении. Используйте ультразвуковой очиститель для очистки прокладки в течение 5-10 мин.
   2. Положите два маленьких шарика клейкой путты (например, UHU Tac) вокруг алмаза на поршневой стороне DAC для поддержки прокладки. Выровнять отверстие камеры образца прокладки для того чтобы соотвечерить центр culet под оптически микроскопом.

3. Синтез однокристаллального льда-VII EHDAC

1. Загрузка образца
   1. Загрузите одну или несколько рубиновых сфер и один кусок золота в выборку камеры.
   2. Загрузите каплю дистиллированной воды в выборку камеры, закройте DAC и сжать его, затягивая четыре винта на DAC, чтобы быстро запечатать воду в образец камеры.
2. Под давлением образца для получения порошка льда-VII
   1. Определить давление образца путем измерения флуоресценции рубиновых сфер с помощью раман-спектрометра.
   2. Тщательно сжать образец, повернув четыре винта и контролировать давление рубиновой флуоресцентности, пока он не достигнет стабильности поля льда-VII (Nogt;2 GPa). Следите за камерой образца под оптическим микроскопом во время сжатия. Иногда сосуществование водной жидкости и кристаллизованного льда VI видно, если давление близко к фазовой границе воды и льда VI.
   3. Продолжайте сжимать выборку до тех пор, пока она не достигнет давления в поле стабильности льда-VII. Для того, чтобы растопить лед-VII позже, целевое давление, как правило, между 2 GPa и 10 GPa на 300 K.
3. Отопительный образец для получения одного хрустального льда-VII
   1. Поместите EHDAC под оптический микроскоп с камерой, подключенной к компьютеру. Термически изолировать DAC от стадии микроскопа, не блокируя передаваемый световой путь микроскопа.
   2. Подключите термокупл к термометру и подключите обогреватель к ДК питания.
   3. Мониторинг таяния кристаллов льда-VII при нагревании до температуры, которая выше температуры таяния льда высокого давления VII, определяемой фазовой диаграммой H₂O.
   4. Утолить образец камеры, чтобы позволить жидкой воде кристаллизоваться, а затем увеличить температуру, пока некоторые из небольших кристаллов льда расплавлены. Повторите циклы нагрева и охлаждения несколько раз, пока только один или несколько больших зерен остается в камере образца.
   5. Измерьте давление образца после синтеза.

4. Синхротронная рентгеновская дифракция и коллекция спектроскопии Бриллуина

1. Синхротронная рентгеновская дифракция
   1. Проверьте, является ли синтезированный образец льда VII поликристаллическим или одним кристаллом с помощью синхротронного однокристаллического XRD^15. Если это один кристалл, дифракционный узор должен быть дифракционных пятен вместо порошковых колец.
   2. Получить шаг сканирования однокристаллических XRD изображений для определения ориентации и решетки параметров льда-VII.
   3. Соберите XRD маркера давления, т.е. золота, в камеру образца, чтобы определить давление.
2. Спектроскопия Бриллуина
   1. Гора EHDAC на специализированном держателе, который может быть повернут в вертикальной плоскости путем изменения χ углах. Подключите термокуплы к регулятору температуры и подключите обогреватель к источнику питания.
   2. Выполните измерения спектроскопии Brillouin каждые 10-15 χ угол под углом 300 K для общего диапазона угла χ 180 "или 270"¹⁶. Затем нагрейте образец до высоких температур (например, 500 K) и повторите измерение спектроскопии Бриллуина.

Результаты

В этом отчете мы использовали изготовленный резистивный микро-нагреватель и BX-90 DAC для эксперимента EHDAC(рисунок 1 и рисунок 2). На рисунке 1 показаны процессы обработки и изготовления кольцевых обогревателей. Стандартные размеры основания ...

Обсуждение

В этой работе мы описали протокол подготовки EHDAC для исследований высокого давления. Сборки клеток, включая микро-нагреватель и тепловые и электрические изоляционные слои. Ранее существовало несколько конструкций резисторных обогревателей для различных типов ДК или^{экспери?...}

Материалы

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