Promotionsvortrag von Christian Albers
- Verteidigung
The electronic structure of iron-bearing compounds in the deep Earth
Eisen ist das am häufigsten vorkommende Übergangsmetall in der tiefen Erde. Aufgrund seiner komplexen elektronischen Struktur kann es in zwei verschiedenen Oxidationszuständen (Fe2+ und Fe3+) auftreten und außerdem seinen Spinzustand ändern. Daher spielt es eine wichtige Rolle für die physikalischen und chemischen Eigenschaften der tiefen Erdschichten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei geologisch relevante Probensysteme auf ihre elektronische Struktur bei Druck- und Temperaturbedingungen untersucht, die für den unteren Erdmantel relevanten sind. Dazu wurden die (nichtresonante) Kβ1,3- und Valenz-zu-Kern-Röntgenemissionsspektroskopie sowie die resonante 1s2p-Röntgenemissionsspektroskopie eingesetzt. Zunächst führte die Untersuchung von lasergeheitztem FeCO3 bei etwa 80 GPa zur Synthese von Fe4C3O12 und Fe4C4O13. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich das Eisen in diesen beiden Phasen in einem Hoch-Spin-Zustand befindet. Außerdem konnte das Auftreten von Raman-Banden mit niedriger Wellenzahl in einem Wellenzahlbereich zwischen 100 cm−1 und 350 cm−1 Fe4C4O13 zugeordnet werden. Zweitens belegt die Studie an kalt komprimiertem Fe2O3 einen zweistufigen Spinübergang von α- über ζ- zu Θ-Fe2O3. Darüber hinaus unterstützen resonante 1s2p-Röntgenemissionsspektroskopiemessungen eine mögliche Delokalisierung der elektronischen Zustände in den Hochdruckphasen. Drittens zeigt der Einfluss des Drucks auf die elektronische Struktur von FeO einen signifikanten Einfluss auf die Linienform der Kβ1,3-Emission, obwohl kein Spinübergang stattfindet. Die Änderungen der Linienform können mit einer Verzerrung der Kristallstruktur in Zusammenhang gesetzt werden. Dies wird in Zukunft einen wesentlichen Einfluss auf die Interpretation von Kβ1,3-Spektren haben. Zusätzlich dazu wurde der Aufbau für spektroskopische Messungen erheblich verbessert, indem die Datenerfassungszeiten für die Kβ1,3-Röntgenemissionsspektroskopie innerhalb von Sekunden, für hochwertige Valenz-Kern-Emissionsspektroskopie innerhalb von Minuten und für resonante Röntgenemissionsspektroskopie-Messungen in weniger als einer Stunde verkürzt wurden, was einzigartige spektroskopische Möglichkeiten unter extremen Bedingungen bietet.