title: New heating techniques and their application to in-situ high-pressure crystallography
Creators: name: Pippinger, Thomas
Publisher: name: :none
Year: 2014

description: Ziel dieser Arbeit war es neuartige Heiztechniken für Experimente an Einkristallen mit Diamant-stempelzellen im Einsatz an Synchrotronstrahlquellen bzw. für in-situ Meßeinsätze unter Laborbedingungen zu implementieren. In diesem Zusammenhang wurde das strukturelle Verhalten unter außergewöhnlichen Umgebungsbedingungen der Druckstandardmaterialien Wolfram, Eisen und Gold, sowie von Hämatit, Calcit und Norsethit mit Hilfe von Einkristallröntgenbeugung und Raman Spektroskopie untersucht. Hierbei wurden zwei verschiedene Ansätze verfolgt, bei denen ein neues mobiles Laser-Heizsystem bzw. eine interne elektrisch beheizbare Druckkammerdichtung eingesetzt wurden. Sämtliche Experimente wurden mit Hilfe einer neuen Hochdruckzelle mit implementieren Kühl-Heizsystem durchgeführt, welche stabile und kontrollierbare Probenumgebungsbedingungen auch über mehrstündige Messzeiträume ermöglichte. Aus den Röntgenergebnissen der Laser-Heizexperimente mit Wolfram wurde dessen thermische Zustandsgleichung bestimmt, wobei aufgrund der strukturellen und chemischen Stabilität unter Extrembedingungen dieses als Standardmaterial in der Hochdruckforschung vorgesehen ist. Eisen, Gold und Hämatit (Fe2O3) wurden mit Hilfe der Laser-Heiztechnik unter hohen Drücken geschmolzen, wobei das Einsetzen der Schmelzbildung durch das Laser-Heizsystem optisch beobachtet werden konnte und die Schmelzkurven unter Druck bestimmt wurden. Bei Hochdruck-Hochtemperatur-Experimenten mit Calcit (CaCO3) und Norsethit (BaMg(CO3)2) wurde die interne Widerstandsheizung zusammen mit Einkristall-Röntgenbeugung und Raman-Spektroskopie eingesetzt. Aus den Ergebnissen wurde neue Erkenntnis über das strukturelle Verhalten von Calcit-III, die Transformation zwischen den polymorphen Hochdruckformen, sowie über das Stabilitätsfeld von Calcit-IIIb in Relation zu den anderen Hochdruckphasen von CaCO3 gewonnen. Anhand von Einkristalldaten wurde die Struktur von Norsethit unter Standardbedingungen (α-Norsethit) revidiert und zwei weitere polymorphe Formen (β- und γ-Norsethit) struktur-kristallographisch identifiziert bzw. mittels in-situ Messungen relevante Phasengrenzen im P,T Bereich experimentell bestimmt.
description: In this work new heating techniques for diamond-anvils cells (DAC) have been implemented for single-crystal experiments applied to synchrotron sources and being used for in-situ investigations at in-house laboratory conditions. Within the scope of these experiments the structural behaviour of the pressure standards tungsten, iron and gold, but also of hematite, calcite and norsethite at non-ambient pressure and temperature conditions has been investigated by means of single-crystal X-ray diffraction and vibrational spectroscopy. Two different approaches for P,T variations have been adopted for DAC experiments either by using a novel portable laser-heating system or by applying resistive heating implemented to a composite gasket. All experimental studies were carried out using an implemented cooling-heating system, which provides stable and controlled conditions at the sample even over hours of measurements. Laser-heating experiments conducted on tungsten were used to determine the thermal equation of state. Due to the structural stability even at megabar pressures and at temperatures exceeding 3000 K, tungsten is supposed to be used as X-ray diffraction standard material in high-pressure science. The mobile laser-heating system was applied to determine and expand the knowledge on melting curves of iron, gold, and hematite (Fe2O3) under pressure and to visualize the event of melting in DACs. High-pressure-high-temperature experiments on calcite (CaCO3) and norsethite (BaMg(CO3)2) were performed by applying internal resistive heating technique for single-crystal diffraction and Raman-spectroscopic studies. Experimental results obtained through these in-situ studies yield insights on the structural behaviour of the calcite-III phase, on the transformations between high-pressure polymorphs, and on the stability field calcite IIIb in relationship to the other high-pressure polymorphs of CO3. Based on single-crystal data of norsethite the crystal structure at ambient pressure (α-norsethite) was revised, two additional polymorphs (β- and γ-norsethite) were crystallographically identified and relevant phase-boundary lines in P,T space experimentally determined.