Statistische Betrachtungen und mößbauerspektroskopische Untersuchungen von Ordnungszuständen in Biotiten

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen Untersuchungen zu strukturellen Ordnungs- und Unordnungsphänomenen an natürlichen, substitutionellen Mischkristallen. Aufgrund der enormen Vielfalt an potentiellen Austauschpartnern wurden hierfür Vertreter der Biotit-Mischkristallreihe "Phlogopit-Annit" ausgewählt. Ihr modulartiger Aufbau ermöglichte die gezielte Beschreibung von Verteilungsmustern anionischer und kationischer Merkmalsträger innerhalb der Oktaederschicht der Biotit-Mischkristalle. Basierend auf der postulierten Bindungsaffinität zwischen Mg2+ und F- einerseits und Fe2+ und OH- andererseits, wurde die strukturelle Separation einer Fluor-Phlogopit-Komponente als primäre Ausprägungsform des Mg/F-Ordnungsprinzips abgeleitet. Im Rahmen dieser Modellvorstellung koexistieren im makroskopisch homogenen Biotit-Mischkristall Domänen zweier chemisch divergenter Phasen nebeneinander: Eine rein Mg2+/F- - führende Phlogopit-Phase und eine Wirtskristallphase, die mit fortschreitender Separation bzw. Entmischung der erstgenannten Phase sukzessive reicher an einer hydroxylführenden eisenreichen Annit-Komponente wird. Zwecks numerischer Beschreibung diverser Stadien der Entmischungsreaktion wurden die Begriffe der "Relativen" und "Absoluten Domänengröße" eingeführt. Sie stellen ein quantitatives Maß zur Beurteilung der diskutierten Ordnungsphänomene dar. Basierend auf einem sich stetig ändernden Chemismus der Wirtskristallphase kann jeder Übergangszustand zwischen statistischer Verteilung und vollständiger Ordnung durch das korrespondierende Verteilungsmuster der interessierenden Merkmalsträger ( = Nahordnungskonfiguration und Besetzungswahrscheinlichkeit) charakterisiert und beschrieben werden. Durch mößbauerspektroskopische Untersuchungen konnten die anhand der entwickelten Modelle vorhergesagten Ausprägungsformen von Ordnungs-/Unordnungsphänomenen qualitativ und quantitativ verifiziert werden. Es liessen sich hierbei zwei Gruppen von Biotit-Mischkristallen unterscheiden. Eine erste Gruppe, deren Mößbauer-Spektren durch den OH/F-Chemismus als dominierendes Differenzierungsmerkmal geprägt wird, und eine zweite Gruppe, deren Mößbauer-Spektren durch Gruppierungen von höherwertigen Kationen und Vakanzen ( = Defektchemie) geprägt wird. Auf der Basis von Korrelationsdiagrammen, die einen numerischen und graphischen Bezug zwischen absoluter und relativer Domänengröße einerseits und experimentell zugänglichem Mößbauer-Parameter A (= relativer Flächenanteil, korrespondierend mit der Besetzungswahrscheinlichkeit einer bestimmten Nahordnungs-konstellation) andererseits herstellen, konnten für die erste Gruppe die Volumina der beiden miteinander koexistierenden Komponenten "Hydroxyl-Annit reicher Wirtskristall" und "Fluor-Phlogopit" exakt quantifiziert werden. Das Spektrum der untersuchten Proben umfasste hierbei Kristallspezies, die einerseits durch geringe bis mittlere Mg2+/F- - bzw. Fe2+/OH- -Ordnungsgrade gekennzeichnet sind, andererseits eine nahezu vollständige Ordnung der interessierenden Merkmalsträger Mg2+, Fe2+, OH- und F- widerspiegeln. Desweiteren konnte der Nachweis geführt werden, dass für ausgewählte Proben eine quantitative Bestimmung der Defektvolumina möglich ist.

Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Determination of diffusion parameters and activation energy of diffusion in V3Si phase with A15 crystal structure

Diffusion such is the integrated diffusion coefficient of the phase, the tracer diffusion coefficient of species at different temperatures and the activation energy for diffusion, are determined in V3Si phase with A15 crystal structure. The tracer diffusion coefficient of Si Was found to be negligible compared to the tracer diffusion coefficient of V. The calculated diffusion parameters will help to validate the theoretical analysis of defect structure of the phase, which plays an important role in the superconductivity.

Interdiffusion and activation energy in Ti3Au phase with A15 crystal structure

The knowledge of diffusion parameters, such as integrated diffusion coefficient and the activation energy for diffusion is important to understand the growth rate of the product phase and the atomic mechanism of diffusion. These parameters are determined in Ti3Au phase with A15 crystal structure. The calculated diffusion parameters will help in validating the theoretical analysis on defect structure of the phase.

Localized reversible nanoscale phase separation in Pr0.63Ca0.37MnO3 single crystal using a scanning tunneling microscope tip

We report the destabilization of the charge ordered insulating (COI) state in a localized region of Pr0.63Ca0.37MnO3 single crystal by current injection using a scanning tunneling microscope tip. This leads to controlled phase separation and formation of localized metallic nanoislands in the COI matrix which have been detected by local tunneling conductance mapping. The metallic regions thus created persist even after reducing the injected current to lower values. The original conductance state can be restored by injecting a current of similar magnitude but of opposite polarity. We thus achieve reversible nanoscale phase separation that gives rise to the possibility to "write, read, and erase" nanosized conducting regions in an insulating matrix with high spatial resolution. (c) 2007 American Institute of Physics.

Phase transitions in triammonium hydrogen disulphate: Crystal structure of an intermediate stable phase at-90 degrees C

Triammonium hydrogen disulphate, (NH4)(3)H(SO4)(2), belongs to the family of crystal structures M3H(XO4)(2) (with M = NH4, K, Rb, Cs, and X = S, Se) which display super protonic phases at elevated temperatures, while at room temperature these are relatively poor proton conductors. The crystal structure of triammonium hydrogen disulphate has been determined by X-ray diffraction at -90 degrees C and the variation in the characteristics of the hydrogen bond is discussed in comparison with that of the structures at -110 degrees C and room temperature. It is concluded that the mechanics involving the proton migration in such systems is realised in terms of the variations in the hydrogen bond features with temperature.

Size and temperature dependent stability and phase transformation in single-crystal zirconium nanowire

A novel size dependent FCC (face-centered-cubic) -> HCP (hexagonally-closed-pack) phase transformation and stability of an initial FCC zirconium nanowire are studied. FCC zirconium nanowires with cross-sectional dimensions < 20 are found unstable in nature, and they undergo a FCC -> HCP phase transformation, which is driven by tensile surface stress induced high internal compressive stresses. FCC nanowire with cross-sectional dimensions > 20 , in which surface stresses are not enough to drive the phase transformation, show meta-stability. In such a case, an external kinetic energy in the form of thermal heating is required to overcome the energy barrier and achieve FCC -> HCP phase transformation. The FCC-HCP transition pathway is also studied using Nudged Elastic Band (NEB) method, to further confirm the size dependent stability/metastability of Zr nanowires. We also show size dependent critical temperature, which is required for complete phase transformation of a metastable-FCC nanowire.

The Role of Weak Interactions in the Phase Transition and Distinct Mechanical Behavior of Two Structurally Similar Caffeine Co-crystal Polymorphs Studied by Nanoindentation

Although weak interactions, such as C-H center dot center dot center dot O and pi-stacking, are generally considered to be insignificant, it is their reorganization that holds the key for many a solid-state phenomenon, such as phase transitions, plastic deformation, elastic flexibility, and mechanochromic luminescence in solid-state fluorophores. Despite this, the role of weak interactions in these dynamic phenomena is poorly understood. In this study, we investigate two co-crystal polymorphs of caffeine:4-chloro-3-nitrobenzoic acid, which have close structural similarity (2D layered structures), but surprisingly show distinct mechanical behavior. Form I is brittle, but shows shear-induced phase instability and, upon grinding, converts to Form II, which is soft and plastically shearable. This observation is in contrast to those reported in earlier studies on aspirin, wherein the metastable drug forms are softer and convert to stable and harder forms upon stressing To establish a molecular level understanding, have investigated the two co-crystal polymorphs I and II by single crystal X-ray diffraction, nanoindentation to quantify mechanical properties, and theoretical calculations. The lower hardness (from nanoindentation) and smooth potential surfaces (from theoretical studies) for shearing of layers in Form II allowed us to rationalize the role of stronger intralayer (sp(2))C-H center dot center dot center dot O and nonspecific interlayer pi-stacking interactions in the structure of II. Although the Form I also possesses the same type of interactions, its strength is clearly opposite, that is, weaker intralayer (sp(3))C-H center dot center dot center dot O and specific interlayer pi-stacking interactions. Hence, Form I is harder than Form IL Theoretical calculations and indentation on (111) of Form I suggested the low resistance of this face to mechanical stress; thus, Form I converts to II upon mechanical action. Hence, our approach demonstrates the usefulness of multiple techniques for establishing the role of weak noncovalent interactions in solid-state dynamic phenomena, such as stress induced phase transformation, and hence is important in the context of solid-state pharmaceutical chemistry and crystal engineering.

Polymorphic phase transition among the titania crystal structures using a solution-based approach: from precursor chemistry to nucleation process

Nanocrystalline titania are a robust candidate for various functional applications owing to its non-toxicity, cheap availability, ease of preparation and exceptional photochemical as well as thermal stability. The uniqueness in each lattice structure of titania leads to multifaceted physico-chemical and opto-electronic properties, which yield different functionalities and thus influence their performances in various green energy applications. The high temperature treatment for crystallizing titania triggers inevitable particle growth and the destruction of delicate nanostructural features. Thus, the preparation of crystalline titania with tunable phase/particle size/morphology at low to moderate temperatures using a solution-based approach has paved the way for further exciting areas of research. In this focused review, titania synthesis from hydrothermal/solvothermal method, conventional sol-gel method and sol-gel-assisted method via ultrasonication, photoillumination and ILs, thermolysis and microemulsion routes are discussed. These wet chemical methods have broader visibility, since multiple reaction parameters, such as precursor chemistry, surfactants, chelating agents, solvents, mineralizer, pH of the solution, aging time, reaction temperature/time, inorganic electrolytes, can be easily manipulated to tune the final physical structure. This review sheds light on the stabilization/phase transformation pathways of titania polymorphs like anatase, rutile, brookite and TiO2(B) under a variety of reaction conditions. The driving force for crystallization arising from complex species in solution coupled with pH of the solution and ion species facilitating the orientation of octahedral resulting in a crystalline phase are reviewed in detail. In addition to titanium halide/alkoxide, the nucleation of titania from other precursors like peroxo and layered titanates are also discussed. The nonaqueous route and ball milling-induced titania transformation is briefly outlined; moreover, the lacunae in understanding the concepts and future prospects in this exciting field are suggested.

Liquid crystal based continuous phase retarder: From optically neutral to a quarter waveplate in 200 microseconds

Liquid crystal variable phase retarders have been incorporated into prototype devices for optical communications system applications, both as endless polarization controllers 1,2,3, and as holographic beam steerers 4. Nematic liquid crystals allow continuous control of the degree of retardation induced at relatively slow switching speeds, while ferroelectric liquid crystal based devices allow fast (sub millisecond) switching, but only between two bistable states. The flexoelectro-optic effect 5,6 in short-pitch chiral nematic liquid crystals allows both fast switching of the optic axis and continuous, electric field dependent control of the degree of rotation of the optic axis. A novel geometry for the flexoelectro-optic effect is presented here, in which the helical axis of the chiral nematic is perpendicular to the cell walls (grandjean texture) and the electric field is applied in the plane of the cell. This facilitates deflection of the optic axis of the uniaxial negatively birefringent material from lying along the direction of propagation to having some component in the polarization plane of the light. The device is therefore optically neutral at zero field for telecommunications wavelengths (1550nm), and allows a continuously variable degree of phase excursion to be induced, up to 2π/3 radians achieved so far in a 40μm thick cell. The retardation has been shown both to appear, on application of the field, and disappear on removal, at speeds of 100-500 μs. The direction of deflection of the optic axis is also dependent on the direction of the field, allowing the possibility, in a converging electrode "cartwheel cell", of endless rotation of the liquid crystal waveplate at a higher rate than achievable through dielectric coupling to plain nematic materials.

The convection during NaClO3 crystal growth observed by the phase shift interferometer

An optical diagnostic system consisting of the Mach-Zehnder interferometer with the phase shift device and an image processor has been developed for the study of the kinetics of the crystal growing process. The dissolution and crystallization process of NaClO3 crystal has been investigated. The concentration distributions around a growing and dissolving crystal have been obtained by using phase-shift of four-steps theory for the interpretation of the interferograms. The convection (a plume flow) has been visualized and analyzed in the process of the crystal growth. The experiment demonstrates that the buoyancy convection dominates the growth rate of the crystal growing face on the ground-based experiment.

High quality assembly of phase-only liquid crystal on silicon ((LCOS) devices

Liquid crystal on silicon (LCOS) for phase-only holography is ideally made to better optical tolerance than that for conventional amplitude modulating applications. Die-level assembly is suited to custom devices and pre-production prototypes because of its flexibility and efficiency in conserving the silicon backplane. Combined with automated assembly, it will allow high reproducibility and fast turnaround time, paving the way for pre-production testing and customer sampling before mass production. Pre-assembly optical testing is the key element in the process. By taking into account the flatness of both the backplane and the front glass plate, we have assembled high quality LCOS devices. We have reached our aim of less than one quarter wavelength phase distortion across the active area. © 2011 IEEE.