[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究证明，Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属玻璃垫片可在常规和环形金刚石对顶砧（DAC）中实现超过1 Mbar的稳定高压X射线衍射（XRD）环境。非晶态垫片材料显著降低了背景散射，即使在激光加热和使用轻质气体（Ne、H₂）作为压力传递介质的极端条件下，其信噪比（S/N）也优于Re或W等晶体金属。

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.

研究动机与目标

• 本研究旨在解决高压XRD实验中晶体垫片材料持续存在的高背景散射问题。
• 研究Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属玻璃在超过1 Mbar极端压力下的机械性能与XRD性能。
• 评估该材料在与高温样品接触以及与轻质气态压力传递介质（如Ne、H₂）接触时的稳定性。
• 旨在提升单轴和径向XRD几何构型中的信噪比（S/N），特别是在超高压实验中。

提出的方法

• 采用常规和环形金刚石对顶砧（t-DAC）进行高压XRD实验。
• 在单轴和径向几何构型中，使用微米至亚微米级X射线束探测样品腔。
• 制备并测试了Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属玻璃垫片，压力范围达数Mbar。
• 通过分析衍射图样的背景散射、信号清晰度和样品腔稳定性来评估性能。
• 评估材料在激光加热（最高约2000 K）以及与气态PTM（Ne、H₂）相互作用下的响应。
• 与传统的Re、W和钢制垫片进行信噪比（S/N）的对比分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属玻璃垫片在DAC中能否在超过1 Mbar的压力下保持结构完整性和样品腔稳定性？
• RQ2 与Re或W等晶体垫片材料相比，Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄的非晶结构在XRD中在多大程度上减少了背景散射？
• RQ3 在极端压力下，该垫片在暴露于Ne和H₂等轻质气态压力传递介质时性能如何？
• RQ4 样品腔的激光加热是否会引起金属玻璃垫片发生显著再结晶？若发生，是否会影响XRD信号质量？
• RQ5 使用Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄垫片能否在单轴和径向XRD几何构型中提升信噪比？

主要发现

• Fe₀.₇₉Si₀.₀₇B₀.₁₄金属玻璃垫片在常规和环形DAC中均实现了超过1 Mbar的稳定高压XRD实验。
• 垫片在接近数Mbar的压力下仍保持了样品腔的完整性，并提供了稳定的环境。
• 垫片的非晶结构导致衍射背景可忽略不计，与Re和W等晶体金属相比，信噪比显著提高。
• 垫片在不发生失效或泄漏的情况下有效封装了Ne和H₂等轻质气体作为压力传递介质。
• 在激光加热（约2000 K）下，垫片材料发生部分再结晶，但由于其原子序数低（低-Z元素），产生的散射贡献仍可忽略。
• 在约280–313 GPa下采集的全2D衍射图样显示，hcp-Fe和MgO的信号强而清晰，垫片材料的干扰极小。