TY  - THES
A1  - Schifferle, Lukas
T1  - Optical properties of (Mg,Fe)O at high pressure
T1  - Optische Eigenschaften von (Mg,Fe)O unter Hochdruck
N2  - Large parts of the Earth’s interior are inaccessible to direct observation, yet global geodynamic processes are governed by the physical material properties under extreme pressure and temperature conditions. It is therefore essential to investigate the deep Earth’s physical properties through in-situ laboratory experiments. With this goal in mind, the optical properties of mantle minerals at high pressure offer a unique way to determine a variety of physical properties, in a straight-forward, reproducible, and time-effective manner, thus providing valuable insights into the physical processes of the deep Earth. This thesis focusses on the system Mg-Fe-O, specifically on the optical properties of periclase (MgO) and its iron-bearing variant ferropericlase ((Mg,Fe)O), forming a major planetary building block. The primary objective is to establish links between physical material properties and optical properties. In particular the spin transition in ferropericlase, the second-most abundant phase of the lower mantle, is known to change the physical material properties. Although the spin transition region likely extends down to the core-mantle boundary, the ef-fects of the mixed-spin state, where both high- and low-spin state are present, remains poorly constrained.
In the studies presented herein, we show how optical properties are linked to physical properties such as electrical conductivity, radiative thermal conductivity and viscosity. We also show how the optical properties reveal changes in the chemical bonding. Furthermore, we unveil how the chemical bonding, the optical and other physical properties are affected by the iron spin transition. We find opposing trends in the pres-sure dependence of the refractive index of MgO and (Mg,Fe)O. From 1 atm to ~140 GPa, the refractive index of MgO decreases by ~2.4% from 1.737 to 1.696 (±0.017). In contrast, the refractive index of (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) and (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) ferropericlase increases with pressure, likely because Fe Fe interactions between adjacent iron sites hinder a strong decrease of polarizability, as it is observed with increasing density in the case of pure MgO. An analysis of the index dispersion in MgO (decreasing by ~23% from 1 atm to ~103 GPa) reflects a widening of the band gap from ~7.4 eV at 1 atm to ~8.5 (±0.6) eV at ~103 GPa. The index dispersion (between 550 and 870 nm) of Fp13 reveals a decrease by a factor of ~3 over the spin transition range (~44–100 GPa). We show that the electrical band gap of ferropericlase significantly widens up to ~4.7 eV in the mixed spin region, equivalent to an increase by a factor of ~1.7. We propose that this is due to a lower electron mobility between adjacent Fe2+ sites of opposite spin, explaining the previously observed low electrical conductivity in the mixed spin region. From the study of absorbance spectra in Fp13, we show an increasing covalency of the Fe-O bond with pressure for high-spin ferropericlase, whereas in the low-spin state a trend to a more ionic nature of the Fe-O bond is observed, indicating a bond weakening effect of the spin transition. We found that the spin transition is ultimately caused by both an increase of the ligand field-splitting energy and a decreasing spin-pairing energy of high-spin Fe2+.
N2  - Geodynamische Prozesse werden von den physikalischen Materialeigenschaften unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen des Erdinneren gesteuert, gerade diese Areale sind aber faktisch nicht für direkte Beobachtungen zugänglich. Umso wichtiger ist es, die physikalischen Eigenschaften unter Bedingungen des Erdinneren zu untersuchen. Mit diesem Ziel vor Augen erlaubt das Studium der optischen Eigenschaften von Mineralen des Erdmantels, eine große Bandbreite an physikalischen Materialeigenschaften, in einer einfachen, reproduzierbaren und effizienten Art und Weise zu bestimmen. Dadurch bieten sich wichtige Einblicke in die physikalischen Prozessen des Erdinneren. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das System Mg-Fe-O, im Speziellen auf Periklas (MgO) und seine Eisen-haltige Variante Ferroperiklas ((Mg,Fe)O), ein wichtiger Baustein planetarer Körper. Das Hauptziel der Arbeit besteht darin Verbindungen zwischen optischen Eigenschaften und physikalischen Materialeigenschaften zu finden. Gerade der Spin-Übergang in Ferroperiklas, der zweithäufigsten Phase des unteren Erdmantels, ist dabei von Bedeutung, da damit Veränderungen in den physikalischen Materialeigenschaften einhergehen. Obwohl sich der Spinübergangsbereich vermutlich bis zur Kern-Mantel-Grenze erstreckt, sind die Auswirkungen des gemischten Spin-Zustandes, bei dem sowohl Hoch- als auch Tief-Spin präsent sind, nur unzureichend untersucht.
Die hier vorgestellten Studien zeigen, wie optische Eigenschaften mit anderen wichtigen physikalischen Eigenschaften wie elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Viskosität oder auch mit der chemischen Bindung verbunden sind. Daraus lässt sich auch ableiten wie der Spin-Übergang in Ferroperiklas diese Eigenschaften beeinflusst. Von Raumbedingungen bis zu ~140 GPa sinkt der Brechungsindex von MgO um ~2.4 % von 1.737 auf 1.696 (±0.017). Im Gegensatz dazu steigt der Brechungsindex von (Mg0.87Fe0.13)O (Fp13) und (Mg0.76Fe0.24)O (Fp24) Ferroperiklas mit dem Druck an. Dies ist auf Fe-Fe Wechselwirkungen zwischen benachbarten Eisenpositionen zurückzuführen, die eine starke Verringerung der Polarisierbarkeit, wie im Falle von reinem MgO mit zunehmender Dichte, behindern. Eine Analyse der Dispersion des Brechungsindexes von MgO (Abnahme um ~23 % von 1 Atm zu ~103 GPa) offenbart eine Verbreiterung der Bandlücke von ~7.4 eV bei 1 Atm zu ~8.5 (±0.6) eV bei ~103 GPa. Die Messung der Dispersion (zwischen 550 und 870 nm) in Fp13 zeigt eine starke Abnahme über den Bereich des Spin-Überganges (~44–100 GPa) bis zu einem Faktor von ~3. Die Bandlücke nimmt in der Region des gemischten Spin-Zustandes signifikant auf bis zu ~4.7 eV zu (entspricht einer Zunahme um den Faktor ~1.7). Dies deutet auf eine Verringerung der Elektronen-Mobilität zwischen benachbarten Fe2+-Positionen mit unterschiedlichem Spin-Zustand hin, was die bereits in früheren Arbeiten beobachtete Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit im Bereich des gemischten Spin-Zustandes erklärt. Absorptionsspektren an Fp13 zeigen eine Druck-bedingte Zunahme der Kovalenz der Fe-O Bindung für Ferroperiklas im Hoch-Spin Zustand, wohingegen Tief-Spin Ferroperiklas einen Trend zu einer mehr ionischen Fe-O Bindung auf-weist, was auf einen Bindungs-schwächenden Effekt des Spin-Wechsels hinweist. Der Übergang von Hoch- zu Tiefspin ist letztlich auf eine Zunahme der Ligandenfeldaufspaltungsenergie sowie eine abnehmende Spinpaarungsenergie von Hoch-Spin Fe2+ zurückzuführen.
KW  - optical properties
KW  - optische Eigenschaften
KW  - high pressure
KW  - Hochdruck
KW  - earth mantle
KW  - Erdmantel
KW  - diamond anvil cell
KW  - Diamantstempelzelle
KW  - ferropericlase
KW  - Ferroperiklas
KW  - spectroscopy
KW  - Spektroskopie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622166
ER  - 
TY  - THES
A1  - Franco González, Olga
T1  - Structural and spectroscopical study of crystals of 1,3,4-oxadiazole derivatives at high pressure
N2  - Die Suche nach neuen Materialien von technischem Interesse hat in den letzten Jahren neue Antriebe zu der Untersuchung organischer Verbindungen gegeben. Organische Substanzen haben viele Vorteile wie z.B. die Möglichkeit, ihre Eigenschaften durch verschiedene chemische und physikalische Techniken im Herstellung-Prozess für ein bestimmtes Ziel zu modifizieren. Oxadiazolverbindungen sind interessant aufgrund ihrer Nutzung als Material für Licht emittierende Dioden und Scintillatoren.   Die physikalischen Eigenschaften eines Festkörpers hängen von seiner Struktur ab. Unterschiedliche Strukturen entwickeln unterschiedliche intra- und intermolekülare Wechselwirkungen. Eine ausgezeichnete Weise, um sowohl die intra- als auch die intermolekularen Wechselwirkungen eines bestimmtes Stoffes zu beeinflussen, ohne seine chemischen Charakteristiken zu ändern, ist die Verwendung von hohem Druck.   Wir haben den Einfluss von hohem Druck und hoher Temperatur auf die super-molekulare Struktur einiger Oxadiazolverbindungen im kristallinem Zustand untersucht. Aus diesen Untersuchungsergebnissen wurde eine Zustandsgleichung für diese Kristalle bestimmt. Überdies wurden die spektroskopischen Eigenschaften dieser Materialien unter hohem Druck charakterisiert.
N2  - In recent years the search for new materials of technological interest has given new impulses to the study of organic compounds. Organic substances possess a great number of advantages such as the possibility to adjust their properties for a given purpose by different chemical and physical techniques in the preparation process. Oxadiazole derivatives are interesting due to their use as material for light emitting diodes (LED) as well as scintillators.   The physical properties of a solid depend on its structure. Different structures induce different intra- and intermolecular interactions. An advantageous method to modify the intra- as well as the intermolecular interactions of a given substance is the application of high pressure. Furthermore, using this method the chemical features of the compound are not influenced.  We have investigated the influence of high pressure and high temperature on the super-molecular structure of several oxadiazole derivatives in crystalline state. From the results of this investigation an equation of state for these crystals was determined. Furthermore, the spectroscopical features of these materials under high pressure were characterized.
KW  - Oxadiazolderivate ; Kristallstruktur ; Hochdruck ; UV-VIS-Spektroskopie ; Raman-Spektroskopie
KW  - Hochdruck
KW  - organische Kristalle
KW  - Kristallstruktur
KW  - Zustandsgleichung
KW  - UV-Vis Spektroskopie
KW  - Raman Streuung
KW  - high pressure
KW  - organic crystal
KW  - crystal structure
KW  - equation of state
KW  - UV-Vis spectroscopy
KW  - Raman scattering
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000572
ER  -