[논문 리뷰] Fe$_{0.79}$Si$_{0.07}$B$_{0.14}$ metallic glass gaskets for high-pressure research beyond 1 Mbar

Weiwei Dong, Konstantin Glazyrin외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

High-pressure geophysics and materials인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄ 금속 유리 가스켓이 전통적 및 토로이드형 다이아몬드 압력 세포(DAC)에서 1 Mbar를 초월하는 안정적인 고압 X선 회절(XRD) 환경을 가능하게 한다는 것을 입증한다. 비정질 가스켓 재료는 결정성 금속(예: Re 또는 W)과 비교해 배경 산란을 크게 감소시켜, 레이저 가열 및 경량 기체(Ne, H₂)를 압력 매개체로 사용하는 극한 조건에서도 신호 대 잡음비(S/N)를 향상시킨다.

ABSTRACT

A gasket is an important constituent of a diamond anvil cell (DAC) assembly, responsible for the sample chamber stability at extreme conditions for x-ray diffraction studies. In this work, we studied the performance of gaskets made of metallic glass $Fe_{0.79}Si_{0.07}B_{0.14}$ in a number of high-pressure x-ray diffraction (XRD) experiments in DACs equipped with conventional and toroidal-shape diamond anvils. The experiments were conducted in either uniaxial or radial geometry with x-ray beams of micron to sub-micron size. We report that the$Fe_{0.79}Si_{0.07}B_{0.14}$ metallic glass gaskets offered stable sample environment under compression exceeding one megabar in all XRD experiments described here, even in those involving inter- or small-molecule gases (e.g. Ne, H$_2$) used as pressure transmitting media or in those with laser heating in a DAC. These emphasize the material's importance for a great number of delicate experiments conducted under extreme conditions. Our results indicate that the application of $Fe_{0.79}Si_{0.07}B_{0.14}$ metallic glass gaskets in XRD experiments of both uniaxial and radial geometries substantially improves the signal-to-noise ratio in comparison to that with conventional gaskets made of Re, W, steel or other crystalline metals.

연구 동기 및 목표

• 고압 X선 회절(XRD) 실험에서 결정성 가스켓 재료로부터 발생하는 지속적인 높은 배경 산란 문제를 해결하고자 한다.
• 1 Mbar를 초월하는 극한 압력 조건에서 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄ 금속 유리의 기계적 성능 및 XRD 성능을 조사한다.
• 고온 샘플과 경량 기체 압력 매개체(Ne, H₂ 등)와 접촉할 때 재료의 안정성을 평가한다.
• 특히 초고압 실험에서 단축 및 반경 방향 XRD 기하구조 모두에서 신호 대 잡음비(S/N)를 향상시키는 것을 목표로 한다.

제안 방법

• 전통적 및 토로이드형 다이아몬드 압력 세포(t-DAC)를 사용하여 고압 XRD 실험을 수행하였다.
• 샘플 챔버를 조사하기 위해 단축 및 반경 방향 기하구조에서 마이크론 내지 나노미터 크기의 X선 빔을 사용하였다.
• Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄ 금속 유리 가스켓을 제작하고 몇 Mbar에 이르는 압력 조건에서 시험하였다.
• 산란 배경, 신호 명료도, 샘플 챔버 안정성 분석을 통해 성능을 평가하였다.
• 레이저 가열(~2000 K)에 대한 반응성과 기체 압력 매개체(PTM, Ne, H₂)와의 상호작용을 평가하였다.
• 기존의 Re, W, 스틸 가스켓과의 비교 분석을 통해 S/N 비율을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄ 금속 유리 가스켓은 DAC에서 1 Mbar를 초월하는 압력 조건에서도 구조적 안정성과 샘플 챔버 안정성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄의 비정질 구조는 Re나 W와 같은 결정성 가스켓 재료에 비해 X선 회절에서 배경 산란을 얼마나 감소시키는가?
• RQ3 극한 압력 조건에서 Ne 및 H₂와 같은 경량 기체 압력 매개체에 노출되었을 때 가스켓은 어떻게 작동하는가?
• RQ4 샘플 챔버를 레이저로 가열할 경우 금속 유리 가스켓에 다량의 재결정화가 발생하는가? 만약 그렇다면 XRD 신호 품질에 영향을 미치는가?
• RQ5 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄ 가스켓의 사용이 단축 및 반경 방향 XRD 기하구조 모두에서 신호 대 잡음비를 향상시키는가?

주요 결과

• Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄ 금속 유리 가스켓은 전통적 및 토로이드형 DAC에서 1 Mbar를 초월하는 안정적인 고압 XRD 실험을 가능하게 하였다.
• 가스켓은 몇 Mbar에 가까운 압력 조건에서도 샘플 챔버의 구조적 안정성을 유지하고 안정된 환경을 제공하였다.
• 가스켓의 비정질 구조는 미미한 衍射 배경을 유발하여 Re나 W와 같은 결정성 금속에 비해 신호 대 잡음비를 크게 향상시켰다.
• Ne 및 H₂와 같은 경량 기체를 압력 매개체로 사용할 때도 가스켓이 파손되거나 누출 없이 효과적으로 봉인하였다.
• 레이저 가열(~2000 K) 조건에서 가스켓 재료의 부분적인 재결정화가 발생했지만, 저원자번호(저-Z) 원소의 영향으로 인해 유발되는 산란 기여는 여전히 미미하였다.
• 약 280–313 GPa에서 수집한 전체 2차원 회절 패턴은 hcp-Fe와 MgO에서 강하고 명확한 신호를 보였으며, 가스켓 재료의 간섭은 최소한이었다.