Yüksek Basınç-Sıcaklık Koşullarında Buz-VII Sentezi ve Tek Kristal Elastikiyet Tayini için Harici Isıtılmış Elmas Örs Hücresi

Özet

Bu çalışma, yüksek basınç ve yüksek sıcaklık (HPHT) koşulları oluşturmak için harici ısıtmalı elmas örs hücresi (EHDAC) hazırlamak için standart protokol üzerinde duruluyor. EHDAC, katı hal fiziği ve kimya çalışmalarında da kullanılabilen, aşırı koşullar altında Dünya ve gezegen iç mekanlarındaki materyalleri araştırmak için kullanılır.

Özet

Harici ısıtılmış elmas örs hücresi (EHDAC) aynı anda yüksek basınç ve yüksek sıcaklık koşulları Dünya'nın ve gezegen iç lerinde bulunan oluşturmak için kullanılabilir. Burada, halka dirençli ısıtıcılar, ısı ve elektrik yalıtım katmanları, termokupl yerleşimi ve bu parçaları kullanarak EHDAC'ın hazırlanmasına yönelik deneysel protokolü de içeren EHDAC montajları ve aksesuarlarının tasarımı ve imalatını açıklıyoruz. EHDAC rutin megabar basınçlar ve açık havada 900 K sıcaklıklara kadar üretmek için kullanılabilir, ve potansiyel olarak daha yüksek sıcaklıklar ~ 1200 K koruyucu bir atmosfer ile (yani, Ar% 1 H₂ile karışık). Genellikle >1100 K sıcaklıklara ulaşmak için kullanılan lazer ısıtma yöntemiile karşılaştırıldığında, harici ısıtma kolayca uygulanabilir ve numuneye ≤900 K ve daha az sıcaklık gradyanları ile daha az sıcaklık sağlayabilir. Biz tek kristal buz-VII sentezi için EHDAC uygulama sergiledi ve aynı anda yüksek basınçlı yüksek sıcaklık koşullarında senkrotron tabanlı X-ışını kırınımı ve Brillouin saçılma kullanarak tek kristal elastik özellikleri inceledi.

Giriş

Elmas örs hücresi (DAC) yüksek basınç araştırmaları için en önemli araçlardan biridir. Senkrotron bazlı ve konvansiyonel analitik yöntemlerle birleştiğinde, gezegen malzemelerinin çok megabar basınçlara ve geniş sıcaklık aralıklarına kadar özelliklerini incelemek için yaygın olarak kullanılmıştır. Çoğu gezegen iç hem yüksek basınç ve yüksek sıcaklık (HPHT) koşulları altındadır. Bu nedenle, sıkıştırılmış numunelerin bir DAC'de yüksek basınçta ısıtArak gezegensel iç mekanların fiziği ve kimyasını incelemesi esastır. Yüksek sıcaklıklar sadece faz ve erime ilişkileri ve gezegen malzemelerinin termodinamik özelliklerinin araştırılması için gerekli değildir, aynı zamanda basınç gradyanının hafifletilmesine, faz geçişlerinin ve kimyasal reaksiyonların desteklenmesine ve difüzyon ve yeniden kristalizasyonun hızlandırılmasına yardımcı olur. DaC'lerde numuneleri ısıtmak için tipik olarak iki yöntem kullanılmaktadır: lazer ısıtma ve dahili/harici dirençli ısıtma yöntemleri.

Lazerısıtmalı DAC tekniği yüksek basınçlı malzeme bilimi ve gezegen iç mineral fiziği araştırma için kullanılmıştır^1,2. Laboratuvarların sayısının artması tekniğe erişebilse de, genellikle önemli geliştirme ve bakım çalışmaları gerektirir. Lazer ısıtma tekniği 7000 K³gibi yüksek sıcaklıklarelde etmek için kullanılmıştır. Ancak, lazer ısıtma deneylerinde uzun süreli stabil ısıtma ve sıcaklık ölçümü kalıcı bir sorun olmuştur. Lazer ısıtma sırasında sıcaklık genellikle dalgalanır ancak termal emisyon ve lazer gücü arasındaki besleme geri bağlantı ile azaltılabilir. Daha zorlu kontrol ve farklı lazer emici birden fazla faz montaj için sıcaklık belirlenmesidir. Sıcaklık da önemli ölçüde büyük bir degrade ve belirsizlikler (K yüzlerce), son teknik geliştirme çabası bu sorunu azaltmak için kullanılan olmasına rağmen^4,5,6. Isıtılmış numune alanındaki sıcaklık degradeleri bazen difüzyon, yeniden bölümleme veya kısmi erimenin neden olduğu kimyasal heterojenliklere daha da neden olabilir. Buna ek olarak, 1100 K'den daha düşük sıcaklıklar genellikle kızılötesi dalga boyu aralığında yüksek hassasiyete sahip özelleştirilmiş dedektörler olmadan tam olarak ölçülemedi.

EHDAC, numunenin tamamını ısıtmak için conta/koltuğun etrafındaki direnç li telleri veya folyoları kullanır, bu da numunenin tamamını koruyucu bir atmosfer olmadan ~900 K'ye (Ar/H₂ gaz gibi) ve koruyucu atmosfere sahip ~1300 K'ye ısıtma olanağı sağlar⁷. Yüksek sıcaklıklarda elmasların oksidasyonu ve grafitizasyonu bu yöntemle en yüksek ulaşılabilir sıcaklıkları sınırlar. Sıcaklık aralığı lazer ısıtma ile karşılaştırıldığında sınırlı olmasına rağmen, uzun bir süre ve daha küçük bir sıcaklık gradyan⁸için daha istikrarlı ısıtma sağlar , ve optik mikroskop, X-ışını kırınımı (XRD), Raman spektroskopisi, Brillouin spektroskopiskop ve Fourier-transform kızılötesi spektroskopi 9 dahil olmak üzere çeşitli algılama ve tanı yöntemleri ile birleştiğinde için uygundur⁹. Bu nedenle, EHDAC faz stabilitesi ve geçişler¹⁰,¹¹, erime eğrileri¹², devlet¹³termal denklemi ve elastikiyet¹⁴gibi HPHT koşullarında çeşitli malzeme özellikleri, çalışmak için yararlı bir araç haline gelmiştir.

BX-90 tipi DAC, xrd ve lazer spektroskopi^ölçümleriiçin büyük diyafram (maksimum 90°) ile yeni geliştirilen piston silindirtipi DAC 9 , minyatür dirençli ısıtıcı monte etmek için boşluk ve açıklıklar ile. Silindir tarafındaki U şeklindeki kesim, sıcaklık degradesinin neden olduğu piston ve silindir tarafı arasındaki gerilimi serbest bırakmak için de yer sağlar. Bu nedenle, son zamanlarda yaygın toz veya tek kristal XRD ve Brillouin ölçümleri harici ısıtma kurulumu ile kullanılmıştır. Bu çalışmada, 11.2 GPa ve 300-500 K'de EHDAC kullanılarak sentezlenmiş tek kristal buz-VII'nin tek kristalli XRD ve Brillouin spektroskopi ölçümlerini gösterdik.

Protokol

1. Halka ısıtıcı hazırlama

1. Halka ısıtıcı tabanının imalatı
   1. Tasarlanan 3D modele dayalı pirofilit kullanarak bir bilgisayar sayısal kontrol (CNC) frezeleme makinesi ile halka ısıtıcı tabanı imalat. Isıtıcının boyutları 22.30 mm dış çap (OD), 8.00 mm iç çap (ID) ve 2.25 mm kalınlığındadır. Sinter fırında ısıtıcı tabanı 1523 K >20 saat.
2. Kablolama
   1. Kesme Pt 10 wt% Rh tel (çapı: 0.01 inç) içine 3 eşit uzunlukta teller (yaklaşık 44 cm her).
   2. Dikkatle ısıtıcı tabanında delikleri ile her Pt / Rh tel rüzgar, güç kaynağına bağlantı için ısıtıcı tabanının dışında yaklaşık 10 cm tel bırakın. Kablolama yaparken, kablonun tabanın oluktan daha düşük olduğundan emin olun. Oluk daha yüksek ise, aşağı basın için uygun bir düz başlı tornavida kullanın.
   3. Isıtma sırasında elektrik direncini ve böylece uzatma tellerinin sıcaklığını azaltmak için 10 cm uzatma tellerine daha fazla kablo din.
3. Yalıtkan ekleme
   1. Halka ısıtıcı tabanının dışına uzanan telleri korumak için iki küçük seramik elektrik yalıtım kolları kullanın. Çimento yapıştırıcıyı (örn. Resbond 919) 100:13 oranında su ile karıştırın. Çimento karışımı kullanarak halka ısıtıcı tabanına bu tüpleri düzeltin.
      NOT: Çimento 393 K veya oda sıcaklığında 24 saat tedavi edilmesi için 4 saat gerekir.
   2. Dış telleri korumak için yüksek temp örgü sleeving kullanın.
   3. CO₂ lazer kesim makinesi kullanarak iki mika halkası kesin. Teli elektriksel olarak izole etmek için, UHU tac tarafından ısıtıcının her iki tarafına bir mika halkası takın.

2. EHDAC hazırlığı

1. Yapıştırma elmasları
   1. Montaj jigs kullanarak arka koltuklar ile elmas hizalamak. Arka koltuğa elmas yapıştırmak için siyah epoksi kullanın. Siyah epoksi yüksek sıcaklık çimento için biraz yer bırakmak için elmas korse daha düşük olmalıdır.
2. Hizalama
   1. Tutkal mika veya koltuk ve DAC termal izole etmek için koltuk altında işlenmiş pyrophyllite halkaları yerleştirin. Elmaslı koltukları BX-90 DAC'ye koyun. İki pırlantayı optik mikroskop altında hizala.
3. Numune contasının hazırlanması
   1. Halka ısıtıcının deliğinden daha küçük olan rhenium contasını iki elmas ın arasına yerleştirin ve contayı dac'ın dört vidasını hafifçe sıkarak yaklaşık 30-45 μm'ye kadar girintin. Elektrik deşarj makinesi (EDM) veya lazer mikro delme makinesi ile girinti merkezinde bir delik aç.
4. Montaj termokupl
   1. Termostatları elektriksel olarak koltuktan izole etmek için DAC'nin piston tarafındaki çimento karışımıyla iki küçük mika parçasını sabitlayın. İki K-tipi (Chromega-Alomega 0.005'') veya R-tipi (%87 Platium/%13 Rodyum-Platyum, 0.005") termokuplları DAC'Nin piston tarafına takın, böylece termokupluçlarıelmasa dokunsun ve elmasın kükazına yakın (yaklaşık 500 μm uzaklıkta). Son olarak, termokupl konumunu düzeltmek ve DAC her iki tarafında siyah epoksi kapsayacak şekilde yüksek sıcaklık çimento karışımı kullanın.
5. Isıtıcı yerleştirme
   1. 2300 °F seramik bandı CO₂ lazer delme makinesi ile ısıtıcı tabanı şeklinde kesin ve DAC'nin her iki tarafına (piston ve silindir kenarları) yerleştirin. Hareket etmek çok kolaysa, düzeltmek için bazı UHU tac kullanın.
   2. Isıtıcıyı BX-90 DAC'nin piston tarafına yerleştirin. Isıtıcı ile DAC duvarı arasındaki boşluğu doldurmak için yaklaşık 2300 °F seramik bant kullanın.
6. Conta yerleşimi
   1. Delme ile ortaya çıkarılan metal parçalarından kurtulmak için contanın numune haznesini bir iğne veya keskinleştirilmiş kürdan kullanarak temizleyin. 5-10 dakika conta temizlemek için ultrasonik temizleyici kullanın.
   2. Contayı desteklemek için DAC'nin piston tarafındaki pırlantanın etrafına iki küçük yapışkan macun topu (örneğin, UHU Tac) koyun. Contanın örnek haznesini optik mikroskop altında kiletin ortasına uyacak şekilde hizala.

3. EHDAC tarafından tek kristal buz-VII sentezleme

1. Yükleme numunesi
   1. Örnek haznesine bir veya daha fazla yakut küre ve bir parça altın yükleyin.
   2. Numune haznesine bir damla distile su yükleyin, DAC'yi kapatın ve dac üzerindeki dört vidayı sıkılaştırarak sıkıştırarak numune odasındaki suyu hızla kapatın.
2. Toz buz-VII elde etmek için basınçlı numune
   1. Raman spektrometresi kullanarak yakut kürelerin floresansını ölçerek numunenin basıncını belirleyin.
   2. Dört vidayı çevirerek numuneyi dikkatlice sıkıştırın ve buz-VII (>2 GPa) stabilite alanına ulaşana kadar yakut floresan basıncını takip edin. Sıkıştırma sırasında optik mikroskop altındaki numune haznesini izleyin. Basınç su ve buz VI faz sınırına yakın ise Bazen su sıvısı ve kristalize buz VI bir arada görülebilir.
   3. Buz-VII stabilite alanında basınca ulaşana kadar numune haznesini sıkıştırmaya devam edin. Daha sonra buz-VII eritmek için, hedef basınç genellikle 300 K 2 GPa ve 10 GPa arasındadır.
3. Tek kristal buz-VII elde etmek için ısıtma örneği
   1. EHDAC'ı bilgisayara bağlı bir kamerayla optik mikroskobun altına koyun. DaC'yi mikroskobun iletilen ışık yolunu engellemeden mikroskop aşamasından termal olarak izole edin.
   2. Termokupl'u termometreye bağlayın ve ısıtıcıyı DC güç kaynağına bağlayın.
   3. H₂O faz diyagramı tarafından belirlenen yüksek basınçlı buz-VII erime sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklıkta ısıtıldıktan sonra buz-VII kristallerinin erimesini izleyin.
   4. Sıvı suyun kristalleşmesine izin vermek için numune odasını söndürün ve daha küçük buz kristallerinin bazıları erimiş olana kadar sıcaklığı artırın. Isıtma ve soğutma döngülerini numune odasında sadece bir veya birkaç büyük tane kalana kadar birkaç kez tekrarlayın.
   5. Sentezden sonra numunenin basıncını ölçün.

4. Senkrotron X-ışını kırınımı ve Brillouin spektroskopisi

1. Senkrotron X-ışını kırınımı
   1. Sentezlenen buz-VII örneğinin polikristalin mi yoksa senkrotron bazlı tek kristal XRD¹⁵tarafından tek bir kristal olup olmadığını kontrol edin. Tek bir kristal ise, kırınım deseni toz halkaları yerine kırınım lekeleri olmalıdır.
   2. Buz-VII'nin yönünü ve kafes parametrelerini belirlemek için adım tonu tek kristal XRD görüntüleri alın.
   3. Basıncı belirlemek için basınç belirteci, yani altın, örnek odasında XRD toplamak.
2. Brillouin spektroskopisi
   1. EHDAC'ı, dikey düzlemiçinde, açılarını değiştirerek döndürülebilen özel bir tutucuüzerine monte edin. Termokuplları sıcaklık kontrol ünitesine bağlayın ve ısıtıcıyı güç kaynağına bağlayın.
   2. Brillouin spektroskopi spektroskopisi ölçümlerini 300 K'da her 10-15° açı ile 180° veya 270°^16'lıkbir açı aralığı için gerçekleştirin. Daha sonra numuneyi yüksek sıcaklıklara ısıtın (örn. 500 K) ve Brillouin spektroskopi ölçümlerini tekrarlayın.

Sonuçlar

Bu raporda, EHDAC deneyi için fabrikasyon dirençli mikro ısıtıcı ve BX-90 DAC kullanılmıştır(Şekil 1 ve Şekil 2). Şekil 1, halka ısıtıcılarının işleme ve üretim süreçlerini gösterir. Isıtıcı tabanının standart boyutları dış çapta 22,30 mm, iç çapı 8,00 mm ve kalınlığı 2,25 mm'dir. Halka ısıtıcı boyutları koltuk ve elmas çeşitli karşılamak için ayarlanabilir.

Tartışmalar

Bu çalışmada EHDAC'ın yüksek basınç araştırmalarında hazırlanması protokolünü açıklamıştır. Bir mikro-ısıtıcı ve termal ve elektrik yalıtım katmanları da dahil olmak üzere hücre meclisleri. Daha önce, DACs veya deneysel yapılandırmaları^{7,17,18,19,20}farklı türleri için dirençli ısıtıcılar birden fazla tasarımları vardı...

Malzemeler

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