Magnetic properties of selected 3d- and 4f-systems on alpha-Al 2 O 3 substrates

In this work the growth and the magnetic properties of the transition metals molybdenum, niobium, and iron and of the highly-magnetostrictive C15 Laves phases of the RFe2 compounds (R: Rare earth metals: here Tb, Dy, and Tb{0.3}Dy{0.7} deposited on alpha-Al2O3 (sapphire) substrates are analyzed. Next to (11-20) (a-plane) oriented sapphire substrates mainly (10-10) (m-plane) oriented substrates were used. These show a pronounced facetting after high temperature annealing in air. Atomic force microscopy (AFM) measurements reveal a dependence of the height, width, and angle of the facets with the annealing temperature. The observed deviations of the facet angles with respect to the theoretical values of the sapphire (10-1-2) and (10-11) surfaces are explained by cross section high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) measurements. These show the plain formation of the (10-11) surface while the second, energy reduced (10-1-2) facet has a curved shape given by atomic steps of (10-1-2) layers and is formed completely solely at the facet ridges and valleys. Thin films of Mo and Nb, respectively, deposited by means of molecular beam epitaxy (MBE) reveal a non-twinned, (211)-oriented epitaxial growth as well on non-faceted as on faceted sapphire m-plane, as was shown by X-Ray and TEM evaluations. In the case of faceted sapphire the two bcc crystals overgrow the facets homogeneously. Here, the bcc (111) surface is nearly parallel to the sapphire (10-11) facet and the Mo/Nb (100) surface is nearly parallel to the sapphire (10-1-2) surface. (211)-oriented Nb templates on sapphire m-plane can be used for the non-twinned, (211)-oriented growth of RFe2 films by means of MBE. Again, the quality of the RFe2 films grown on faceted sapphire is almost equal to films on the non-faceted substrate. For comparison thin RFe2 films of the established (110) and (111) orientation were prepared. Magnetic and magnetoelastic measurements performed in a self designed setup reveal a high quality of the samples. No difference between samples with undulated and flat morphology can be observed. In addition to the preparation of covering, undulating thin films on faceted sapphire m-plane nanoscopic structures of Nb and Fe were prepared by shallow incidence MBE. The formation of the nanostructures can be explained by a shadowing of the atomic beam due to the facets in addition to de-wetting effects of the metals on the heated sapphire surface. Accordingly, the nanostructures form at the facet ridges and overgrow them. The morphology of the structures can be varied by deposition conditions as was shown for Fe. The shape of the structures vary from pearl-necklet strung spherical nanodots with a diameter of a few 10 nm to oval nanodots of a few 100 nm length to continuous nanowires. Magnetization measurements reveal uniaxial magnetic anisotropy with the easy axis of magnetization parallel to the facet ridges. The shape of the hysteresis is depending on the morphology of the structures. The magnetization reversal processes of the spherical and oval nanodots were simulated by micromagnetic modelling and can be explained by the formation of magnetic vortices.

Ophiolites of the eastern Vardar Zone, N. Greece

In the present thesis, the geochemistry, petrology and geochronology of ophiolite complexes from central northern Greece were studied in detail in order to gain insights on the petrogenetic pathways and geodynamic processes that lead to their formation and evolution. The major- and trace-element content of minerals and whole rocks from all four ophiolite complexes was determined using high-precision analytical equipment. These results were then coupled with Nd and Sr isotopic measurements. In order to precisely place the evolution of these ophiolites in time, U-Pb geochronology on zircons was conducted using a SHRIMP-II. The data obtained suggest that the ophiolites studied invariably show typical characteristics of subduction-zone magmatism (e.g. negative Nb anomalies, Th enrichment). In N-MORB-normalised multielement profiles the high field-strength elements display patterns that vary from depleted to N-MORB-like. Chondrite-normalised rare-earth element (REE) profiles show flat heavy-REE patterns suggesting a shallow regime of source melting for all the ophiolites, well within the stability field of spinel lherzolite. The majority of the samples have light-REE depleted patterns. 87Sr/86Sr isotopic ratios range from 0.703184 to 0.715853 and are in cases influenced by alteration. The εNd values are positive (the majority of the mafic samples is typically 7.1-3.1) but lower than N-MORB and depleted mantle. With the exception of the Thessaloniki ophiolite that has uniform island-arc tholeiitic chemical characteristics, the rest of the ophiolites show dual chemistry consisting of rocks with minor subduction-zone characteristics that resemble chemically back-arc basin basalts (BABB) and rocks with more pronounced subduction-zone characteristics. Tectonomagmatic discrimination schemes classify the samples as island-arc tholeiites and back-arc basin basalts or N-MORB. Melting modelling carried out to evaluate source properties and degree of melting verifies the dual nature of the ophiolites. The samples that resemble back-arc basin basalts require very small degrees of melting (<10%) of fertile sources, whereas the rest of the samples require higher degrees (25-15%) of melting. As deduced from the present geochemical and petrological investigation, the ophiolites from Guevguely, Oraeokastro, Thessaloniki, and Chalkidiki represent relics of supra-subduction zone crust that formed in succeeding stages of island-arc rifting and back-arc spreading as well as in a fore arc setting. The geochronological results have provided precise determination of the timing of formation of these complexes. The age of the Guevguely ophiolite has been determined as 167±1.2 Ma, that of Thessaloniki as 169±1.4 Ma, that of Kassandra as 167±2.2 Ma and that of Sithonia as 160±1.2 Ma.

Spektromikroskopische Analyse von Nukleationsdomänen in epitaktischen Diamantschichten auf Ir,SrTiO 3 und von präsolaren SiC-Meteoritenkörnern

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Systeme untersucht, deren verbindende Gemeinsamkeit in den verwendeten ortsauflösenden, spektroskopischen Messmethoden der Oberflächenanalytik, wie z.B. abbildendes XPS, Röntgennahkanten-Photoemissionsmikroskopie (XANES-PEEM) und Augerspektroskopie (AES) liegt. Im ersten Teil der Arbeit wurden Diamant-Nukleationsdomänen auf Ir/SrTiO3 untersucht und mit vorherrschenden Modellen aus der Literatur verglichen. Die Nukleationsdomänen, wie sie im Mikrowellen-induzierten CVD Prozess unter Verwendung der BEN Prozedur (bias-enhanced nucleation) entstehen, bilden die „Startschicht“ für ein heteroepitaktisches Wachstum einer hoch orientierten Diamantschicht. Sie entwickeln sich aber unter Bedingungen, unter denen 3D-Diamant abgetragen und weggeätzt wird. Mittels XANES-PEEM Messungen konnte erstmals die lokale Bindungsumgebung des Kohlenstoffs in den Nukleationsdomänen ortsaufgelöst aufgezeigt werden und aus AES Messungen ließ sich die Schichtdicke der Nukleationsdomänen abschätzen. Es zeigte sich, dass die Nukleationsdomänen Bereiche mit etwa 1 nm Dicke darstellen, in denen der Übergang von eine sp2-koordinierte amorphen Kohlenstoff- zu einer Diamantschicht mit hohem sp3 Anteil abläuft. Zur Erklärung des Nukleationsprozesses wurde auf das „Clustermodell“ von Lifshitz et al. zurückgegriffen, welches um einen wesentlichen Aspekt erweitert wurde. Die Stabilität der Nukleationsdomänen gegen die Ätzwirkung des Nukleationsprozesses auf Volumendiamant wird durch eine starke Wechselwirkung zwischen dem Diamant und dem Iridiumsubstrat erklärt, wobei die Dicke von etwa 1 nm als Maß für die Ausdehnung dieses Wechselwirkungsbereichs angesehen wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung präsolarer SiC-Körner und darin eingeschlossener Spurenelemente. Neben den Hauptelementen Si und C wurden auch Spinelle wie Chromit (FeCr2O4), Korund (Al2O3) und auch verschiedene Spurenelemente (z. B. Al, Ba und Y) nachgewiesen. Ferner wurden XPS-Linien bei Energien nachgewiesen, welche sich den Seltenen Erden Erbium, Thulium und Dysprosium zuordnen lassen. Aufgrund von Abweichungen zur Literatur bzgl. der ausgeprägten Intensität der XPS-Linien, wurde als alternative Erklärungsmöglichkeit für verschiedene Signale der Nachweis von stark schwefelhaltigen Körnern (z.B. so genannte „Fremdlinge“) mit Aufladungen von mehreren Volt diskutiert. Es zeigt sich, dass abbildendes XPS und XANES-PEEM Methoden zur leistungsfähigen chemischen Charakterisierung von SiC-Körnern und anderer solarer und präsolarer Materie im Größenbereich bis herab zu 100 – 200 nm Durchmesser (z.B. als Grundlage für eine spätere massenspektrometrische Isotopenanalyse)darstellen.

Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden und Bronzen für die Nanostrukturierung

Ausgehend von der Entdeckung der reversiblen Strukturierung mittels Rastersondenmethoden im Phasensystem Na2O/V2O5/P2O5 wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Ansatzpunkte verfolgt. Einerseits sollten mittels der Schmelzflußelektrolyse einige bereits existierende niederdimensionale Molybdänbronzen mit bekannten elektronischen Übergängen in ausreichend großen Kristallen gezüchtet werden, um sie auf ihre Strukturierungseigenschaften hin zu untersuchen. Gleichzeitig sollte durch Variation versucht werden, neue, bisher unbekannte Bronzen oder reduzierte Oxide zu synthetisieren und charakterisieren. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Synthese und Charakterisierung von Oxidchalkogeniden, bestehend aus einem Seltenerdmetall und einem 3d-Metall von Titan bis hin zu den mittleren Übergangsmetallen. Diese Verbindungen können durch die Kombination der jeweiligen Eigenschaften der oxidischen und chalkogeniden Teilstrukturen völlig neue elektronische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Mögliche auftretende Phasenübergänge sind wiederum für Strukturierungsversuche interessant. Die zu den Oxidchalkogeniden durchgeführten Untersuchungen ergaben im Phasensystem Ln/Ti/S/O (Ln = Lanthanoide) insgesamt sechs Verbindungen. Zwei von ihnen, La8Ti9S24O4 und Nd20Ti11S44O6, besitzen als gemeinsames Strukturelement tetranukleare [Ti4(u4-S)2(u2-O)4]-Cluster, bestehend aus vier miteinander über gemeinsame Flächen kondensierte TiS4O2-Oktaeder. Die Titanpositionen innerhalb der Cluster sind mit Ti+3-Ionen besetzt. Beide Verbindungen weisen in einem Temperaturbereich zwischen 150 K und 250 K eine deutlich ausgeprägte Hysterese der magnetischen Suszeptibilität auf, die sich im Falle von La8Ti9S24O4 auf einen Jahn-Teller-Übergang zurückführen läßt. Daneben konnte erstmals eine Serie oxidisch/sulfidisch gemischter Ruddlesden-Popper-Verbindungen mit Ln2Ti2S2O5 (Ln = Pr, Nd, Sm) synthetisiert und charakterisiert werden. Titan liegt als vierwertiges Ion in aus TiSO5-Oktaedern gebildeten Perowskit-Doppelschichten vor. Die neunfach koordinierten Positionen sind mit den Seltenerdmetallionen gefüllt, die zwölffach koordinierten Lagen sind unbesetzt. Bei dem sechsten erhaltene Titanoxidsulfid, La4TiS6.5O1.5, handelt es sich um einen Halbleiter mit einer Bandlücke von etwa 2 eV. Weiterhin gelang es, die Serie Ln2M3S2O8 (Ln = La, Ce, Pr, Nd, Sm; M = Nb, Ta) zu synthetisieren und in ihren physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren. Es handelt sich ausnahmslos um Halbleiter mit Bandlücken zwischen E=0.125 eV für La2Nb3S2O8 und E=0.222 eV für Pr2Ta3S2O8. Die Struktur der Oxidsulfide Ce2Ta3S2O8, Pr2Ta3S2O8, Nd2Nb3S2O8 sowie Sm2Ta3S2O8 weist im Gegensatz zu den anderen Verbindungen eine Fehlordnung eines der beiden kristallographisch unabhängigen Nb- bzw. Ta-Atome auf. Daraus resultiert eine Symmetrieerniedrigung von Pnma zu Pbam. Der Einsatz von Europium führte zu einer neuen Modifikation des bronzoiden Oxids EuTa2O6, in der das Europium als Eu+2 vorliegt, wie 151Eu-Mößbauer-Untersuchungen bestätigten. Vor der Durchführung der Kristallzüchtungen mittels der Schmelzflußelektrolysen mußten die benutzen Öfen und Elektrolysezellen geplant und angefertigt werden. Es konnten dann verschiedene blaue, rote und violette Moybdänbronzen (sowie La2Mo2O7) in Kristallen bis zu 25 mm Länge dargestellt werden. Ferner gelang die erste exakte Einkristalluntersuchung der roten Bronze Rb0.33MoO3. Sie verfügt über die höchste d-Elektronen-Lokalisierungsrate aller bekannten roten Bronzen. Die erhaltenen Bronzen wurden teilweise von der Arbeitsgruppe Fuchs, Physikalisches Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, auf ihre Nanostrukturierbarkeit hin untersucht. Dabei ergaben sich zwei verschiedene Strukturierungsmechanismen. Sind es im Fall der blauen Alkalimetall-Molybdänbronzen ausschließlich Lochstrukturen, die entstehen, handelt es sich bei La2Mo2O7 um Hügelstrukturen. Mittels der Schmelzflußelektrolyse konnte auch das gemischtvalente Alkalimetall-Eisenmolybdat NaFe2(MoO4)3 synthetisiert werden. Daneben gelang die Synthese dreier weiterer Alkalimetall-Eisenmolybdate: Cs2Fe2(MoO4)3, NaFe4(MoO4)5 und CsFe5(MoO4)7. Bis auf Cs2Fe2(MoO4)3, welches in der bekannten Langbeinit-Struktur kristallisiert, handelt es sich bei den übrigen Alkalimetall-Eisenmolybdaten um völlig neuartige Käfigverbindungen, bzw. bei CsFe5(MoO4)7 um eine Tunnelverbindung. Die Kristallstrukturen beinhalten kondensierte FeO6-Oktaeder. Im Fall von NaFe2(MoO4)3 lassen sich [Fe2O10]-Einheiten, für NaFe4(MoO4)5 [Fe2O10]- sowie [Fe3O14]-Einheiten, und für CsFe5(MoO4)7 [Fe4O18]-Baueinheiten beobachten. Die Positionen der Fe+2- und Fe+3-Atome in NaFe4(MoO4)5 wurden mit Hilfe einer 57Fe-Mößbauer-Untersuchung bestimmt.

Grundlegende Untersuchungen zum Verhalten ausgewählter Seltenerdelemente bei Explosionen und zur Anwendbarkeit spezieller Methoden zu deren Analyse

Bisher ist bei forensischen Untersuchungen von Explosionen die Rückverfolgung der verwendeten Sprengstoffe begrenzt, da das Material in aller Regel bei der Explosion zerstört wird. Die Rückverfolgung von Sprengstoffen soll mit Hilfe von Identifikations-Markierungssubstanzen erleichtert werden. Diese stellen einen einzigartigen Code dar, der auch nach einer Sprengung wiedergefunden und identifiziert werden kann. Die dem Code zugeordneten, eindeutigen Informationen können somit ausgelesen werden und liefern der Polizei bei der Aufklärung weitere Ansätze.rnZiel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verhalten von ausgewählten Seltenerdelementen (SEE) bei Explosion zu untersuchen. Ein auf Lanthanoidphosphaten basierender Identifikations-Markierungsstoff bietet die Möglichkeit, verschiedene Lanthanoide innerhalb eines einzelnen Partikels zu kombinieren, wodurch eine Vielzahl von Codes generiert werden kann. Somit kann eine Veränderung der Ausgangszusammensetzung des Codes auch nach einer Explosion durch die Analyse eines einzelnen Partikels sehr gut nachvollzogen und somit die Eignung des Markierungsstoffes untersucht werden. Eine weitere Zielsetzung ist die Überprüfung der Anwendbarkeit der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) und Partikelanalyse mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) für die Analyse der versprengten Identifikations-Markierungssubstanzen. rnDie Ergebnisbetrachtungen der ICP-MS-Analyse und REM-Partikelanalyse deuten zusammenfassend auf eine Fraktionierung der untersuchten Lanthanoide oder deren Umsetzungsprodukte nach Explosion in Abhängigkeit ihrer thermischen Belastbarkeit. Die Befunde zeigen eine Anreicherung der Lanthanoide mit höherer Temperaturbeständigkeit in größeren Partikeln, was eine Anreicherung von Lanthanoiden mit niedrigerer Temperaturbeständigkeit in kleineren Partikeln impliziert. Dies lässt sich in Ansätzen durch einen Fraktionierungsprozess in Abhängigkeit der Temperaturstabilität der Lanthanoide oder deren Umsetzungsprodukten erklären. Die der Fraktionierung zugrunde liegenden Mechanismen und deren gegenseitige Beeinflussung bei einer Explosion konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend geklärt werden.rnDie generelle Anwendbarkeit und unter Umständen notwendige, komplementäre Verwendung der zwei Methoden ICP-MS und REM-Partikelanalyse wird in dieser Arbeit gezeigt. Die ICP-MS stellt mit großer untersuchter Probenfläche und hoher Genauigkeit eine gute Methode zur Charakterisierung der Konzentrationsverhältnisse der untersuchten Lanthanoide dar. Die REM-Partikelanalyse hingegen ermöglicht im Falle von Kontamination der Proben mit anderen Lanthanoid-haltigen Partikeln eine eindeutige Differenzierung der Elementvergesellschaftung pro Partikel. Sie kann somit im Gegensatz zur ICP-MS Aufschluss über die Art und Zusammensetzung der Kontamination geben. rnInnerhalb der vorgenommenen Untersuchungen stellte die bei der ICP-MS angewandte Probennahmetechnik eine ideale Art der Probennahme dar. Bei anderen Oberflächen könnte diese jedoch in Folge der in verschiedenen Partikelgrößen resultierenden Fraktionierung zu systematisch verfälschten Ergebnissen führen. Um die generelle Anwendbarkeit der ICP-MS im Hinblick auf die Analyse versprengter Lanthanoide zu gewährleisten, sollte eine Durchführung weiterer Sprengungen auf unterschiedlichen Probenoberflächen erfolgen und gegebenenfalls weitere Probennahme-, Aufschluss- und Anreicherungsverfahren evaluiert werden.rn

Paleoclimate reconstruction using LA-ICP-MS analyses of ostracods and stalagmite

Als paläoklimatische Archive können unter anderem Stalagmiten und Klappen von Ostrakoden herangezogen werden. Bisher gab es noch keine veröffentlichten Ergebnisse räumlich hochaufgelöster Spurenelementverteilungen in einzelnen Ostrakodenklappen. Das gleiche gilt für die Bestimmung radiogener Blei-Isotope in Stalagmiten. Um klimatische Prozesse vergangener Zeiten zu untersuchen, wurde eine neue LA-ICP-MS (Laserablations – Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) Technik für hochaufgelöste in-situ Messungen von Spurenelementen und Bleiisotopen entwickelt. rnrnZunächst wurden geeignete Materialien für die Kalibrierung der Technik untersucht; als Proben dienten die Silikatreferenzgläser BAM-S005-A und BAM-S005B der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM). Die Homogenität dieser Referenzgläser wurde mit LA-ICP-MS und den anderen mikroanalytischen Methoden EPMA (Elektronenmikrosonde) und SIMS (Ionensonde) überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Haupt- und die meisten Spurenelemente in beiden Gläsern selbst im Mikrometerbereich homogen verteilt sind. Ausnahmen sind einige Spurenelemente, wie Cs, Cl, Cr, Mo und Ni, die heterogen in den Gläsern verteilt sind. Die Hauptelementzusammensetzung von BAM-S005-A und BAM-S005-B wurde mit Hilfe der EPMA bestimmt, wobei die Ergebnisse die Referenzwerte des BAM-Zertifikats bestätigten. Mit Ausnahme von Sr, Ba, Ce und Pb, stimmten die LA-ICP-MS-Spurenelementwerte mit den zertifizierten Werten innerhalb der angegebenen Fehlergrenzen überein. Gründe für die Diskrepanz der vier oben erwähnten Elemente sind noch unklar, aber sind möglicherweise durch fehlerhafte Referenzwerte zu erklären. Zusätzlich wurden 22 Spurenelemente gemessen, deren Gehalte von BAM nicht zertifiziert wurden. Aufgrund dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass beide BAM-Gläser für mikroanalytische Anwendungen geeignet sind.rnrnUm neuartige paläoklimatische Proxies im Calcit von Ostrakoden aus tibetanischen Seesedimenten zu untersuchen, wurde die Spurenelementvariabilität in einzelnen Ostrakodenklappen durch eine neue LA-ICP-MS-Technik bestimmt. Klappen von Ostrakoden der drei Arten (Leucocytherella sinensis Huang, 1982, ?Leucocythere dorsotuberosa Huang, 1982 und ?L. dorsotuberosa f. postilirata sensu Pang, 1985) wurden aus zwei Sedimentkernen des Nam Co Sees auf dem Hochplateau von Tibet gewonnen. Zwei LA-ICP-MS-Varianten, Spot- bzw. Linienanalyse, wurden verwendet, um die Elementkonzentrationen der Spurenelemente Mg, Sr, Ba, U und die der Seltenen Erdelemente (SEE) in den Klappen einzelner Ostrakoden zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Linienanalyse präzisere Daten als die Spotanalyse liefert und sie wurde daher vorgezogen. Signifikante Unterschiede in der Spurenelementzusammensetzung zwischen den verschiedenen Arten der Ostrakoden wurden nicht gefunden. Variationen der Elementverhältnisse Mg/Ca und Sr/Ca in den Klappen stimmen mit veröffentlichten Seenspiegelschwankungen während des Holozäns überein, was zeigt, dass Mg- und Sr-Messungen in den Ostrakoden zur Untersuchung paläohydrochemischer Prozesse in diesem Gebiet herangezogen werden kann. Die gute Korrelation, die in dieser Arbeit zwischen Ba/Ca und Sr/Ca gefunden wurde, ist ein Hinweis darauf, dass der Einbau von Ba und Sr in die Klappen durch den gleichen Mechanismus erfolgte. Eine mögliche Beziehung zwischen dem U/Ca-Verhältnis in den Ostrakoden und den Redoxbedingungen auf dem Boden des Sees in der Vergangenheit wird diskutiert. Relativ geringe und konstante La/Ca-Verhältnisse wurden festgestellt, deren Ursache möglicherweise entweder auf der SEE-Charakteristik des Seewassers, auf biologischen Prozessen in den Ostrakoden oder auf Kontamination von Fe-Mn und/oder organischen Substanzen beruhen. Weitere Untersuchungen an Proben aus diesem Gebiet, speziell Klappen von lebenden Ostrakoden, sind notwendig, um den Gehalt von Ba, U und den SEE in Ostrakoden als paläoklimatische Proxies von Umweltbedingungen zu verwenden.

Change in dust variability in the Atlantic sector of Antarctica at the end of the last deglaciation

We present a Rare Earth Elements (REE) record determined on the EPICA ice core drilled at Dronning Maud Land (EDML) in the Atlantic sector of the East Antarctic Plateau. The record covers the transition from the last glacial stage (LGS) to the early Holocene (26 600–7500 yr BP) at decadal to centennial resolution. Additionally, samples from potential source areas (PSAs) for Antarctic dust were analyzed for their REE characteristics. The dust provenance is discussed by comparing the REE fingerprints in the ice core and the PSA samples. We find a shift in variability in REE composition at ~15 000 yr BP in the ice core samples. Before 15 000 yr BP, the dust composition is very uniform and its provenance was most certainly dominated by a South American source. After 15 000 yr BP, multiple sources such as Australia and New Zealand become relatively more important, although South America remains the major dust source. A similar change in the dust characteristics was observed in the EPICA Dome C ice core at around ~15 000 yr BP, accompanied by a shift in the REE composition, thus suggesting a change of atmospheric circulation in the Southern Hemisphere.

Provenance discrimination of Lower Cretaceous synrift sandstones (eastern Iberian Chain Spain) Constraints from detrital modes heavy minerals and geochemistry

Petrography, geochemical whole-rock composition, and chemical analyses of tourmaline were performed in order to determine the source areas of Lower Cretaceous Mora, El Castellar, and uppermost Camarillas Formation sandstones from the Iberian Chain, Spain. Sandstones were deposited in intraplate subbasins, which are bound by plutonic and volcanic rocks of Permian, Triassic, and Jurassic age, Paleozoic metamorphic rocks, and Triassic sedimentary rocks. Modal analyses together with petrographic and cathodoluminescence observations allowed us to define three quartz-feldspathic petrofacies and recognize diagenetic processes that modified the original framework composition. Results from average restored petrofacies are: Mora petrofacies = P/F >1 and Q(r)70 F(r)22 R(r)9; El Castellar petrofacies = P/F >1 and Q(r)57 F(r)25 R(r)18; and Camarillas petrofacies = P/F ∼ zero and Q(r)64 F(r)28 R(r)7 (P—plagioclase; F—feldspar; Q—quartz; R—rock fragments; r—restored composition). Trace-element and rare earth element abundances of whole-rock analyses discriminate well between the three petrofacies based on: (1) the Rb concentration, which is indicative of the K content and reflects the amount of K-feldspar modal abundance, and (2) the relative modal abundance of heavy minerals (tourmaline, zircon, titanite, and apatite), which is reproduced by the elements hosted in the observed heavy mineral assemblage (i.e., B and Li for tourmaline; Zr, Hf, and Ta for zircon; Ti, Ta, Nb, and their rare earth elements for titanite; and P, Y, and their rare earth elements for apatite). Tourmaline chemical composition for the three petrofacies ranges from Fe-tourmaline of granitic to Mg-tourmaline of metamorphic origin. The three defined petrofacies suggest a mixed provenance from plutonic and metamorphic source rocks. However, a progressively major influence of granitic source rocks was detected from the lowermost Mora petrofacies toward the uppermost Camarillas petrofacies. This provenance trend is consistent with the uplift and erosion of the Iberian Massif, which coincided with the development of the latest Berriasian synrift regional unconformity and affected all of the Iberian intraplate basins. The uplifting stage of Iberian Massif pluton caused a significant dilution of Paleozoic metamorphic source areas, which were dominant during the sedimentation of the lowermost Mora and El Castellar petrofacies. The association of petrographic data with whole-rock geochemical compositions and tourmaline chemical analysis has proved to be useful for determining source area characteristics, their predominance, and the evolution of source rock types during the deposition of quartz-feldspathic sandstones in intraplate basins. This approach ensures that provenance interpretation is consistent with the geological context.

RF-sputter fabrication of magnetic garnet thin films and simulation modeling for 1-D magnetic photonic crystal waveguide devices

One dimensional magnetic photonic crystals (1D-MPC) are promising structures for integrated optical isolator applications. Rare earth substituted garnet thin films with proper Faraday rotation are required to fabricate planar 1D-MPCs. In this thesis, flat-top response 1D-MPC was proposed and spectral responses and Faraday rotation were modeled. Bismuth substituted iron garnet films were fabricated by RF magnetron sputtering and structures, compositions, birefringence and magnetooptical properties were studied. Double layer structures for single mode propagation were also fabricated by sputtering for the first time. Multilayer stacks with multiple defects (phase shift) composed of Ce-YIG and GGG quarter-wave plates were simulated by the transfer matrix method. The transmission and Faraday rotation characteristics were theoretically studied. It is found that flat-top response, with 100% transmission and near 45o rotation is achievable by adjusting the inter-defect spacing, for film structures as thin as 30 to 35 μm. This is better than 3-fold reduction in length compared to the best Ce-YIG films for comparable rotations, thus allows a considerable reduction in size in manufactured optical isolators. Transmission bands as wide as 7nm were predicted, which is considerable improvement over 2 defects structure. Effect of repetition number and ratio factor on transmission and Faraday rotation ripple factors for the case of 3 and 4 defects structure has been discussed. Diffraction across the structure corresponds to a longer optical path length. Thus the use of guided optics is required to minimize the insertion losses in integrated devices. This part is discussed in chapter 2 in this thesis. Bismuth substituted iron garnet thin films were prepared by RF magnetron sputtering. We investigated or measured the deposition parameters optimization, crystallinity, surface morphologies, composition, magnetic and magnetooptical properties. A very high crystalline quality garnet film with smooth surface has been heteroepitaxially grown on (111) GGG substrate for films less than 1μm. Dual layer structures with two distinct XRD peaks (within a single sputtered film) start to develop when films exceed this thickness. The development of dual layer structure was explained by compositional gradient across film thickness, rather than strain gradient proposed by other authors. Lower DC self bias or higher substrate temperature is found to help to delay the appearance of the 2nd layer. The deposited films show in-plane magnetization, which is advantageous for waveguide devices application. Propagation losses of fabricated waveguides can be decreased by annealing in an oxygen atmosphere from 25dB/cm to 10dB/cm. The Faraday rotation at λ=1.55μm were also measured for the waveguides. FR is small (10° for a 3mm long waveguide), due to the presence of linear birefringence. This part is covered in chapter 4. We also investigated the elimination of linear birefringence by thickness tuning method for our sputtered films. We examined the compressively and tensilely strained films and analyze the photoelastic response of the sputter deposited garnet films. It has been found that the net birefringence can be eliminated under planar compressive strain conditions by sputtering. Bi-layer GGG on garnet thin film yields a reduced birefringence. Temperature control during the sputter deposition of GGG cover layer is critical and strongly influences the magnetization and birefringence level in the waveguide. High temperature deposition lowers the magnetization and increases the linear birefringence in the garnet films. Double layer single mode structures fabricated by sputtering were also studied. The double layer, which shows an in-plane magnetization, has an increased RMS roughness upon upper layer deposition. The single mode characteristic was confirmed by prism coupler measurement. This part is discussed in chapter 5.

MAGNETO-PHOTONIC CRYSTALS FOR OPTICAL SENSING APPLICATIONS

Among the optical structures investigated for optical sensing purpose, a significant amount of research has been conducted on photonic crystal based sensors. A particular advantage of photonic crystal based sensors is that they show superior sensitivity for ultra-small volume sensing. In this study we investigate polarization changes in response to the changes in the cover index of magneto-optic active photonic band gap structures. One-dimensional photonic-band gap structures fabricated on iron garnet materials yield large polarization rotations at the band gap edges. The enhanced polarization effects serve as an excellent tool for chemical sensing showing high degree of sensitivity for photonic crystal cover refractive index changes. The one dimensional waveguide photonic crystals are fabricated on single-layer bismuth-substituted rare earth iron garnet films ((Bi, Y, Lu)3(Fe, Ga)5O12 ) grown by liquid phase epitaxy on gadolinium gallium garnet substrates. Band gaps have been observed where Bragg scattering conditions links forward-going fundamental waveguide modes to backscattered high-order waveguide modes. Large near-band-edge polarization rotations which increase progressively with backscattered-mode order have been experimentally demonstrated for multiple samples with different composition, film thickness and fabrication parameters. Experimental findings are supported by theoretical analysis of Bloch modes polarization states showing that large near stop-band edge rotations are induced by the magneto-photonic crystal. Theoretical and experimental analysis conducted on polarization rotation sensitivity to waveguide photonic crystal cover refractive index changes shows a monotonic enhancement of the rotation with cover index. The sensor is further developed for selective chemical sensing by employing Polypyrrole as the photonic crystal cover layer. Polypyrrole is one of the extensively studied conducting polymers for selective analyte detection. Successful detection of aqueous ammonia and methanol has been achieved with Polypyrrole deposited magneto-photonic crystals.

Opportunities in Materials Processing: Metal Casting

Revitalizing manufacturing in the US is a hot topic, and the $1B National Network for Manufacturing Innovation (NNMI) has three new centers focused on metal casting. For structural applications, magnesium casting, structural die-cast alloys, austempered ductile and compacted graphite cast iron, and high strength steel promise dramatic weight reduction and improved performance. Recent experiments and modeling at UAB focus on the development of such new materials and processing routes. A study of the rare earth content in an aerospace magnesium alloy is presented.

50th anniversary of the Judd–Ofelt theory: An experimentalist's view of the formalism and its application

The theory on the intensities of 4f-4f transitions introduced by B.R. Judd and G.S. Ofelt in 1962 has become a center piece in rare-earth optical spectroscopy over the past five decades. Many fundamental studies have since explored the physical origins of the Judd–Ofelt theory and have proposed numerous extensions to the original model. A great number of studies have applied the Judd–Ofelt theory to a wide range of rare-earth doped materials, many of them with important applications in solid-state lasers, optical amplifiers, phosphors for displays and solid state lighting, upconversion and quantum-cutting materials, and fluorescent markers. This paper takes the view of the experimentalist who is interested in appreciating the basic concepts, implications, assumptions, and limitations of the Judd–Ofelt theory in order to properly apply it to practical problems. We first present the formalism for calculating the wavefunctions of 4f electronic states in a concise form and then show their application to the calculation and fitting of 4f-4f transition intensities. The potential, limitations and pitfalls of the theory are discussed, and a detailed case study of LaCl3:Er3+ is presented.

Dating brittle tectonic movements with cleft monazite: Fluid-rock interaction and formation of REE minerals

[1] Two millimeter-sized hydrothermal monazites from an open fissure (cleft) that developed late during a dextral transpressional deformation event in the Aar Massif, Switzerland, have been investigated using electron microprobe and ion probe. The monazites are characterized by high Th/U ratios typical of other hydrothermal monazites. Deformation events in the area have been subdivided into three phases: (D1) main thrusting including formation of a new schistosity, (D2) dextral transpression, and (D3) local crenulation including development of a new schistosity. The two younger deformational structures are related to a subvertically oriented intermediate stress axis, which is characteristic for strike slip deformation. The inferred stress environment is consistent with observed kinematics and the opening of such clefts. Therefore, the investigated monazite-bearing cleft formed at the end of D2 and/or D3, and during dextral movements along NNW dipping planes. Interaction of cleft-filling hydrothermal fluid with wall rock results in rare earth element (REE) mineral formation and alteration of the wall rock. The main newly formed REE minerals are Y-Si, Y-Nb-Ti minerals, and monazite. Despite these mineralogical changes, the bulk chemistry of the system remains constant and thus these mineralogical changes require redistribution of elements via a fluid over short distances (centimeter). Low-grade alteration enables local redistribution of REE, related to the stability of the accessory phases. This allows high precision isotope dating of cleft monazite. 232Th/208Pb ages are not affected by excess Pb and yield growth domain ages between 8.03 ± 0.22 and 6.25 ± 0.60 Ma. Monazite crystallization in brittle structures is coeval or younger than 8 Ma zircon fission track data and hence occurred below 280°C.

Iron fluxes to Talos Dome, Antarctica, over the past 200 kyr

Atmospheric fluxes of iron (Fe) over the past 200 kyr are reported for the coastal Antarctic Talos Dome ice core, based on acid leachable Fe concentrations. Fluxes of Fe to Talos Dome were consistently greater than those at Dome C, with the greatest difference observed during interglacial climates. We observe different Fe flux trends at Dome C and Talos Dome during the deglaciation and early Holocene, attributed to a combination of deglacial activation of dust sources local to Talos Dome and the reorganisation of atmospheric transport pathways with the retreat of the Ross Sea ice shelf. This supports similar findings based on dust particle sizes and fluxes and Rare Earth Element fluxes. We show that Ca and Fe should not be used as quantitative proxies for mineral dust, as they all demonstrate different deglacial trends at Talos Dome and Dome C. Considering that a 20 ppmv decrease in atmospheric CO2 at the coldest part of the last glacial maximum occurs contemporaneously with the period of greatest Fe and dust flux to Antarctica, we confirm that the maximum contribution of aeolian dust deposition to Southern Ocean sequestration of atmospheric CO2 is approximately 20 ppmv.�

Stable-Isotope and Trace Element Time Series from Fedchenko Glacier (Pamirs) Snow/Firn Cores

In summer 2005, two pilot snow/firn cores were obtained at 5365 and 5206 m a.s.l. on Fedchenko glacier, Pamirs, Tajikistan, the world's longest and deepest alpine glacier. The well-defined seasonal layering appearing in stable-isotope and trace element distribution identified the physical links controlling the climate and aerosol concentration signals. Air temperature and humidity/precipitation were the primary determinants of stable-isotope ratios. Most precipitation over the Pamirs originated in the Atlantic. In summer, water vapor was re-evaporated from semi-arid regions in central Eurasia. The semi-arid regions contribute to non-soluble aerosol loading in snow accumulated on Fedchenko glacier. In the Pamir core, concentrations of rare earth elements, major and other elements were less than those in the Tien Shan but greater than those in Antarctica, Greenland, the Alps and the Altai. The content of heavy metals in the Fedchenko cores is 2-14 times lower than in the Altai glaciers. Loess from Afghan-Tajik deposits is the predominant lithogenic material transported to the Pamirs. Trace elements generally showed that aerosol concentration tended to increase on the windward slopes during dust storms but tended to decrease with altitude under clear conditions. The trace element profile documented one of the most severe droughts in the 20th century.