[論文レビュー] Fe$_{0.79}$Si$_{0.07}$B$_{0.14}$ metallic glass gaskets for high-pressure research beyond 1 Mbar

Weiwei Dong, Konstantin Glazyrin+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

High-pressure geophysics and materials被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属ガラスガスケットが、従来型およびトロイダル型ダイヤモンドアンビルセル（DAC）の両方において1 Mbarを超える安定した高圧X線回折（XRD）環境を実現できることを示している。非晶質ガスケット材料は、レーザー加熱や軽い気体（Ne、H₂）を圧力伝達媒体として用いる極限条件下でも、結晶金属（Re や W）に比べてバックグラウンド散乱を顕著に低減し、信号対雑音比（S/N）を向上させる。

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.

研究の動機と目的

• 高圧XRD実験における結晶性ガスケット材料からの高バックグラウンド散乱という、長年の課題に取り組むことを目的とする。
• 1 Mbarを超える極限圧力下におけるFe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属ガラスの機械的およびXRD特性を調査することを目的とする。
• 高温試料および軽い気体圧力伝達媒体（例：Ne、H₂）と接触した場合の材料の安定性を評価することを目的とする。
• 特に超高圧実験において、一軸および径方向XRD幾何学における信号対雑音比（S/N）の向上を図ることを目的とする。

提案手法

• 従来型およびトロイダル形状のダイヤモンドアンビルセル（t-DAC）を用いて高圧XRD実験を実施した。
• 試料室をプローブするため、マイクロメートル〜サブマイクロメートルサイズのX線ビームを、一軸および径方向の幾何学で用いた。
• Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属ガラスガスケットを製作し、数Mbarに達する圧力下でテストした。
• 回折パターンの解析を通じて、バックグラウンド散乱、信号の明瞭さ、試料室の安定性を評価した。
• レーザー加熱（約2000 K）に対する反応性および気体圧力伝達媒体（Ne、H₂）との相互作用を評価した。
• 従来のRe、W、およびステンレス鋼ガスケットと比較して、S/N比を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属ガラスガスケットは、DACにおいて1 Mbarを超える圧力下でも構造的整合性と試料室の安定性を維持できるか？
• RQ2 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄の非晶質構造は、Re や W などの結晶性ガスケット材料に比べて、XRDにおけるバックグラウンド散乱をどの程度低減するか？
• RQ3 極限圧力下で、Ne や H₂ などの軽い気体圧力伝達媒体にさらされた場合、ガスケットはどのように動作するか？
• RQ4 試料室のレーザー加熱により、金属ガラスガスケットに顕著な再結晶化が生じるか？また、その場合、XRD信号品質に影響を与えるか？
• RQ5 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄ガスケットの使用により、一軸および径方向XRD幾何学の両方で信号対雑音比（S/N）が向上するか？

主な発見

• Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属ガラスガスケットは、従来型およびトロイダル型DACの両方において、1 Mbarを超える安定した高圧XRD実験を可能にした。
• ガスケットは、数Mbarに近い圧力下でも試料室の整合性を維持し、安定した環境を提供した。
• ガスケットの非晶質構造のおかげで、回折バックグラウンドがほとんどなく、Re や W などの結晶金属に比べて信号対雑音比（S/N）が顕著に向上した。
• Ne や H₂ などの軽い気体を圧力伝達媒体として効果的に封じ込め、破損や漏れなしに機能した。
• レーザー加熱（約2000 K）の影響でガスケット材料に部分的な再結晶化が生じたが、低原子番号（低Z）元素であるため、その散乱寄与は依然として無視できるほど小さかった。
• 約280–313 GPaで収集された2次元回折パターンには、hcp-Fe や MgO からの強い明瞭な信号が得られ、ガスケット材料による干渉は最小限に抑えられていた。