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  - Krstulovic, Marija
T1  - Local structure of network formers and network modifiers in silicate melts at high pressure and temperature conditions
T1  - Lokale Struktur der Netzwerkbildner und der Netzwerkwandler in silikatischen Schmelzen bei hohen Druck- und Temperaturbedingungen
N2  - Silikatische Schmelzen sind wichtiger Bestandteil des Erdinneren und als solche leisten sie in magmatischen Prozessen einen wesentlichen Beitrag in der Dynamik der festen Erde und der chemischen Entwicklung des gesamten Erdköpers. Makroskopische physikalische und chemische Eigenschaften wie Dichte, Kompressibilität, Viskosität, Polymerisationsgrad etc. sind durch die atomare Struktur der Schmelzen bestimmt. In Abhängigkeit vom Druck, aber auch von der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung zeigen silikatische Schmelzen unterschiedliche strukturelle Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind am besten durch die lokale Koordinationsumgebung, d.h. Symmetrie und Anzahl der Nachbarn (Koordinationszahl) eines Atoms, sowie dem Abstand zwischen Zentralatom und Nachbarn (atomarer Abstand) beschrieben. Mit steigendem Druck und Temperatur, das heißt mit der zunehmenden
Tiefe in der Erde, nimmt die Dichte der Schmelzen zu, welches zur Veränderung von Koordinationszahl und Abständen führen kann. Bei gleichbleibender Koordinationszahl nimmt der Abstand in der Regel zu. Kommt es zu Erhöhung der Koordinationszahl kann der Abstand zunehmen. Diese allgemeinen Trends können allerdings stark variieren, welches insbesondere auf die chemische Zusammensetzung zurückzuführen ist.
Dadurch, dass natürliche Schmelzen der tiefen Erde für direkte Untersuchungen nicht zugänglich sind, um ihre Eigenschaften unter den relevanten Bedingungen zu verstehen, wurden umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen bisher durchgeführt. Dies wurde häufig am Beispiel von amorphen Proben der Endglieder SiO2, und GeO2 studiert, wobei letzteres als strukturelles und chemisches Analogmodell zu SiO2 dient. Meistens wurden die Experimente bei hohem Druck und bei Raumtemperatur durchgeführt. Natürliche Schmelzen sind chemisch deutlich komplexer als die einfachen Endglieder SiO2 und GeO2, so dass die Beobachtungen an diesen möglicherweise zu falschen Verdichtungsmodellen führen können. Weiterhin können die Untersuchungen an Gläsern bei Raumtemperatur potentiell starke Abweichungen zu Eigenschaften von Schmelzen bei natürlichen thermodynamischen Bedingungen aufweisen.
Das Ziel dieser Dissertation war es zu erläutern, welchen Einfluss die Zusammensetzung und die Temperatur auf die strukturelle Eigenschaften der Schmelzen unter hohen Drücken haben. Um das zu verstehen, haben wir komplexe alumino-germanatische und alumino-silikatische Gläser studiert. Genauer gesagt, wir haben synthetische Gläser studiert, die eine Zusammensetzung wie das Mineral Albit und wie eine Mischung von Albit-Diopsid im eutektischen Punkt haben. Das Albitglas ähnelt strukturell einer vereinfachten granitischen Schmelze, während das Albit-Diopsid-Glas eine vereinfachte basaltische Schmelze simuliert. Um die lokale Koordinationsumgebung der Elemente zu studieren, haben wir die Röntgenabsorptionsspektroskopie in Kombination mit einer Diamantstempelzelle benutzt. Dadurch, dass die Diamanten eine hohe Absorption für Röntgenstrahlung mit Energien unterhalb von 10 keV aufweisen, ist die unmittelbare Untersuchung der geologisch sehr relevanten Elemente wie Si, Al, Ca, Mg etc. mit dieser Spektroskopie in Kombination mit einer Diamantstempelzelle nicht möglich. Deswegen wurden die Gläser mit Ge und Sr dotiert. Diese Elemente dienen teilweise oder vollständig als Ersatzelemente für wichtige Hauptelemente. In diesem Sinne, dient Ge als Ersatzelement für
Si und andere Netzwerkbildner, während Sr Netzwerkwandler wie Z.B. Ca, Na, Mg etc., sowie andere Kationen mit großem Ionenradius ersetzt.
Im ersten Schritt haben wir die Ge K-Kante im Ge-Albit-Glass, NaAlGe3O8, bei Raumtemperatur bis 131 GPa untersucht. Dieses Glas hat eine höhere chemische Komplexität als SiO2 und GeO2, aber es ist immer noch vollständig polymerisiert. Die Unterschiede im Verdichtungsmechanismus zwischen diesem Glas und den einfachen Oxiden können so eindeutig auf höhere chemische Komplexität zurückgeführt werden. Die partiell mit Ge und Sr dotierten Albit und Albit-Diopsid-Zusammensetzungen wurden bei Raumtemperatur für Ge bis 164 GPa und für Sr bis 42 GPa untersucht. Während das Albitglass wie NaAlGe3O8 nominelll vollständig polymerisiert ist, ist das Albit-Diopsid Glas teilweise depolymerisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in allen drei Gläsern strukturelle An̈derungen in den ersten 25 bis maximal 30
GPa stattfinden, wobei beide Ge und Sr die maximale Koordinationszahl 6 bzw. ∼9 erreichen. Bei höheren Drücken findet in den Gläsern nur eine isostrukturelle Schrumpfung der Koordinationspolyeder statt. Der wichtigste Befund der Hochdruckstudien an den alumino-silikatischen
und alumino-germanatischen Gläsern ist, dass in diesen komplexen Gläsern die Polyeder eine viel höhere Kompressibilität aufweisen als bei den Endgliedern zu beobachten. Das zeigt sich insbesondere durch die starke Verkürzung der Ge-O Abstände in dem amorphen NaAlGe3O8
und Albit-Diopsid-Glas bei Drücken über 30 GPa.
Zusätzlich zu den Effekten der Zusammensetzung auf den Verdichtungsprozess, haben wir den Einfluss der Temperatur auf die strukturelle Änderungen untersucht. Dazu haben wir das Albit-Diopsid-Glas untersucht, da es den Schmelzen im unteren Mantel chemisch am
ähnlichsten ist. Wir haben die Ge K-Kante der Probe mit einer resistiv-geheizten und einer Laser-geheizter Diamantstempelzelle untersucht, für einen Druckbereich bis zu 48 GPa, sowie einen Temperaturbereich bis 5000 K. Hohe Temperaturen, bei denen die Probe flüssig ist und die für den Erdmantel relevant sind, haben einen bedeutenden Einfluss auf die strukturelle Transformation. Diese wird um ca. 30% zu deutlich niedrigeren Drücken verschoben, im Vergleich zu den Gläsern bei Raumtemperatur und unterhalb von 1000 K.
Die Ergebnisse dieser Dissertation stellen einen wichtigen Beitrag fur das Verständnis der Eigenschaften von Schmelzen unter Bedingungen des unteren Mantels dar. Im Kontext der Diskussion über die Existenz und den Ursprung von silikatischen Schmelzen mit ultrahoher Dichte, welche an der Grenze zwischen Mantel und Erdkern aufgrund seismologischer Daten vermutet werden, zeigen diese Untersuchugen, dass die im Vergleich zur Umgebung höhere Dichte nicht durch strukturelle Besonderheiten, sondern durch eine besondere chemische Zusammensetzung erklärt werden müssen. Außerdem legen die Ergebnisse nahe, dass für Schmelzen im unteren Erdmantel nur sehr geringe Löslichkeiten von Edelgasen zu erwarten sind, so dass die strukturellen Eigenschaften deutlich den Gesamthaushalt und Transport der Edelgase im Erdmantel beeinflussen.
N2  - Silicate melts are major components of the Earth’s interior and as such they make an essential contribution in igneous processes, in the dynamics of the solid Earth and the chemical development of the entire Earth. Macroscopic physical and chemical properties such as density, compressibility, viscosity, degree of polymerization etc. are determined by the atomic structure of the melt. Depending on the pressure, but also on the temperature and the chemical composition, silicate melts show different structural properties. These properties are best described by the local coordination environment, i.e. symmetry and number of neighbors (coordination number) of an atom, as well as the distance between the central atom and its neighbors (inter-atomic distance). With increasing pressure and temperature, i.e. with increasing depth in the Earth, the density of the melt increases, which can lead to changes in coordination number and distances. If the coordination number remains the same, the distance usually decreases. If the coordination number increases, the distance can increase. These general trends can, however, vary greatly, which can be attributed in particular to the chemical composition.
Due to the fact that natural melts of the deep earth are not accessible to direct investigations, in order to understand their properties under the relevant conditions, extensive experimental and theoretical investigations have been carried out so far. This has often been studied using the example of amorphous samples of the end-members SiO2 and GeO2 , with the latter serving as a structural and chemical analog model to SiO2. Commonly, the experiments were carried out at high pressure and at room temperature. Natural melts are chemically much more complex than the simple end-member SiO2 and GeO2, so that observations made on them may lead to incorrect compression models. Furthermore, the investigations on glasses at room temperature can show potentially strong deviations from the properties of melts under natural thermodynamic conditions.
The aim of this thesis was to explain the influence of the composition and the temperature on the structural properties of the melts at high pressures. To understand this, we studied complex alumino-germanate and alumino-silicate glasses. More precisely, we studied synthetic glasses that have a composition like the mineral albite and like a mixture of albite-diopside at the eutectic point. The albite glass is structurally similar to a simplified granitic melt, while the albite-diopside glass simulates a simplified basaltic melt. To study the local coordination environment of the elements, we used X-ray absorption spectroscopy in combination with a diamond anvil cell. Because the diamonds have a high absorbance for X-rays with energies below 10 keV, the direct investigation of the geologically relevant elements such as Si, Al, Ca, Mg etc. with this spectroscopic probe technique in combination with a diamond anvil cell is not possible. Therefore the glasses were doped with Ge and Sr. These elements serve partially or fully as substitutes for important major elements. In this sense, Ge serves as an a substitute for Si and other network formers, while Sr replaces network modifiers such as Ca, Na, Mg etc.,
as well as other cations with a large ionic radius.
In the first step we studied the Ge K-edge in Ge-Albit-glass, NaAlGe3O8, at room temperature up to 131 GPa. This glass has a higher chemical complexity than SiO2 and GeO2, but it is still fully polymerized. The differences in the compression mechanism between this glass and the simple oxides can clearly be attributed to higher chemical complexity. The albite and albite-diopside compositions partially doped with Ge and Sr were probed at room temperature for Ge up to 164 GPa and for Sr up to 42 GPa. While the albite glass is nominally fully polymerized like NaAlGe3O8, the albite-diopside glass is partially depolymerized. The results show that structural changes take place in all three glasses in the first 25 to a maximum of 30 GPa, with both Ge and Sr reaching the maximum coordination number 6 and ∼9, respectively. At higher pressures, only isostructural shrinkage of the coordination polyhedra takes place in the glasses. The most important finding of the high pressure studies on the alumino-silicate and alumino-germanate glasses is that in these complex glasses the polyhedra show a much higher compressibility than what can be observed in the end-members. This is shown in particular by the strong shortening of the Ge-O distances in the amorphous NaAlGe3O8 and albite-diopside glass at pressures above 30 GPa. 
In addition to the effects of the composition on the compaction process, we investigated the influence of temperature on the structural changes. To do this, we probed the albite-diopside glass, as it is chemically most similar to the melts in the lower mantle. We studied the Ge K edge of the sample with a resistively heated and a laser-heated diamond anvil cell, for a pressure range of up to 48 GPa and a temperature range of up to 5000 K. High temperatures at which the sample is liquid and that are relevant for the Earth mantle, have a significant impact on the structural transformation, with a shift of approx. 30% to significantly lower pressures, compared to the glasses at room temperature and below 1000 K.
The results of this thesis represent an important contribution to the understanding of the properties of melts at conditions of the lower mantle. In the context of the discussion about the existence and origin of ultra-dense silicate melts at the core-mantle boundary, these investigations show that the higher density compared to the surrounding material cannot be explained by only structural features, but by a distinct chemical composition. The results also suggest that only very low solubilities of noble gases are to be expected for melts in the lower mantle, so that the structural properties clearly influence the overall budget and transport of noble gases in the Earth’s mantle.
KW  - glasses
KW  - silicate melts
KW  - XAS
KW  - local structure
KW  - spectroscopy
KW  - high-pressure
KW  - EXAFS
KW  - XANES
KW  - compression
KW  - EXAFS
KW  - XANES
KW  - XAS
KW  - Verdichtung
KW  - Gläser
KW  - Hochdruck
KW  - lokale Struktur
KW  - silikatische Schmelzen
KW  - Spektroskopie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516415
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  -