Pulsed laser heating in the diamond anvil cell : applications in geo- and material sciences

Titelangaben

Aprilis, Georgios:
Pulsed laser heating in the diamond anvil cell : applications in geo- and material sciences.
Bayreuth , 2021 . - 183 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Moderne Hochdruckforschung erfordert die Untersuchung verschiedener Materialeigenschaften in situ in Diamantstempelzellen (DACs, von englisch diamond anvil cells) bei gleichzeitig hoher Temperatur und hohem Druck. Die zwei Hauptmethoden zum Heizen von Proben in DACs sind Laser- und Widerstandsheizung. Die Laserheizung wird bereits seit mehr als fünf Jahrzehnten eingesetzt und findet zahlreiche Anwendungen in den Bereichen Mineralphysik und Hochdruckchemie, Physik, Geowissenschaften und Materialwissenschaften. Neben der üblichen Methode der Dauerstrich-Laserheizung (CW-Laserheizung, von englisch continuous-wave laser) wurden seit den ersten Versuchen der Laserheizung in einer DAC auch gepulste Laser verwendet, die den Vorteil haben, dass aufgrund der Konzentration hoher Laserleistung in kurzen Impulsen signifikant höhere Temperaturen erzielt werden können. So wird bei der gepulsten Laserheizung durch das wiederholte Heizen und Abkühlen der Probe die Zeit zu einer weiteren Variablen neben Druck und Temperatur. Damit wurde ein neues Forschungsfeld eingeführt, in dem wichtige Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und Diffusionsvermögen bestimmt und komplexe Prozesse in der Probe, insbesondere das Schmelzen, untersucht werden können. Als weiterer möglicher Vorteil wird angenommen, dass die gepulste Laserheizung die chemische Stabilität der geheizten Probe durch Minimierung der Diffusion verbessert. Dies wurde jedoch bisher nicht experimentell untersucht. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, die Möglichkeiten der experimentellen Technik der gepulsten Laserheizung in der DAC in Anwendungen der Mineral- und Materialphysik zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein tragbares doppelseitiges gepulstes Laserheizsystem entwickelt, das problemlos mit Geräten für zeitaufgelöste Messungen wie Röntgenbeugung (XRD), Nuclear Inelastic Scattering (NIS), Synchrotron-Mössbauer-Spektroskopie (SMS) und Röntgenabsorptions-Nahkantenstruktur-Spektroskopie (XANES) an Synchrotronanlagen wie der Europäischen Synchrotron-Strahlungsanlage (ESRF) und PETRA III am DESY gekoppelt werden kann. Die Auswirkungen der gepulsten Lasererheizung auf die chemische Stabilität von Proben innerhalb der Diamantstempelzelle wurden in zwei separaten, für die Hochdruckgeowissenschaften wichtigen experimentellen Fällen untersucht: In der ersten Studie wurde die chemische Wechselwirkung zwischen einer Probe aus Eisen und dem Kohlenstoff der Diamantstempel während kontinuierlicher (CW) und gepulster Laserheizung untersucht. Es ist ein bekanntes Problem, dass das Laserheizen von Eisen in einer DAC durch eine chemische Reaktion mit dem diffundierenden Kohlenstoff zur Bildung von Eisenkarbiden oder der Lösung von Kohlenstoff in Eisen führen kann. Dies kann die geschätzte Schmelztemperatur in Eisenschmelzexperimenten erheblich beeinflussen und die Analyse der Phasengrenzen zwischen verschiedenen Eisenphasen erschweren. In einer Reihe von Experimenten, bei denen verschiedene Punkte auf Eisenproben entweder mit einem gepulsten Laser oder einem CW-Laser erhitzt wurden und außerdem die Dauer des Erhitzens variierte, wurde die Eisen-Kohlenstoff-Wechselwirkung mit Hilfe von XANES verfolgt. Die Zusammensetzungen der erhitzten Proben wurden anschließend unter Verwendung von SMS und XRD an verschiedenen Strahllinien der ESRF und PETRA III untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen keinen offensichtlichen Vorteil des Erhitzens im gepulsten Modus und beweisen so im Wesentlichen, dass die chemische Wechselwirkung zwischen Eisen (oder, allgemeiner, allen Materialien in einer DAC) und dem Kohlenstoff der Diamantstempel kaum vermeidbar ist. Die zweite Studie untersuchte den Einfluss von gepulster Laserheizung auf die Stabilität von Ferroperiklas mit der geochemisch bedeutsamen Zusammensetzung von (Fe0,25Mg0,75)O (Fp25) in einem weiten Temperaturbereich unter Drücken, die dem oberen Teil des unteren Erdmantels entsprechen. Es wurde über die Zersetzung von Fp25 unter Bildung einer Hochdruck-(Mg,Fe)3O4-Phase mit CaTi2O4-Struktur sowie über die durch Erhitzen induzierte Dissoziation von Fp25 in eine Fe-reiche und eine Mg-reiche Phase berichtet. Die Ergebnisse unterstützen außerdem den Schluss, dass gepulste Lasererwärmung chemische Prozesse möglicherweise beschleunigt, anstatt sie zu unterdrücken. Die Dissertation beinhaltet auch die Entwicklung von zwei weiteren experimentellen Systemen, die die Möglichkeiten von Laserheizungsstudien und deren Kopplung mit verschiedenen experimentellen Techniken erweitern: Das erste System ist ein Einkristall-XRD-Laserheizsystem, das aus einem Einkristall-Röntgendiffraktometer und einem doppelseitigen Laserheizsystem besteht. Der Aufbau wurde für die Beamline P02.2 bei PETRA III entwickelt. Die Leistung des Systems wurde am Beispiel der Einkristall-XRD-Untersuchung von FeN und CrN unter Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen veranschaulicht. Das zweite System wird verwendet, um vollständig zeitaufgelöste SMS bei hohem Drücken in Kombination mit gepulster Laserheizung in DACs durchzuführen. Das System ist in der Lage, die Mössbauer-Absorption der Probe über die Dauer des Laserpulses zu verfolgen, Änderungen der Probenoberflächentemperatur beidseitig zeitaufgelöst spektroradiometrisch zu messen und die Probentemperatur durch die zentrale Verschiebung der Mössbauer-Spektren zu bestimmen. Das System wurde getestet, indem Eisen in KCl bei 32 GPa, Eisen in Argon bei 36 GPa und Fe25O32 in Ne bei 77 GPa erhitzt wurden. Zusammenfassend trägt diese Arbeit bei zur Weiterentwicklung der Laserheizungstechnik für die Hochdruckforschung und zum besseren Verständnis komplexer chemischer und physikalischer Prozesse in der Probenkammer der DAC unter Laserbestrahlung.

Abstract in weiterer Sprache

Modern high-pressure research demands studying various properties of materials in situ, inside diamond anvil cells (DACs), simultaneously at high temperature and high pressure. Among the two major methods of heating in DACs, are laser and resistive heating; laser heating has been already used for more than five decades and found numerous applications in mineral physics and high-pressure chemistry, physics, Earth, and materials sciences. In addition to the common method of continuous-wave (CW) laser heating, pulsed lasers have been used from the first attempts of laser heating in a DAC, having the advantage of achieving significantly higher temperatures due to the concentration of high laser power in a short impulse. The repetitive heating and cooling of the sample makes time an extra variable, additionally to pressure and temperature, something that is not possible with CW laser heating. A new field of research has been introduced, allowing the determination of important material properties, such as thermal conductivity and diffusivity, and studies of complex processes within the sample, particularly melting. As another possible advantage, pulsed laser heating is thought to improve the chemical stability of the heated sample by minimizing diffusion. However, this was not investigated experimentally. The main goal of this thesis is to investigate the capabilities of the experimental technique of pulsed laser heating inside the DAC in applications of mineral and material physics studies. As part of the thesis, a portable double-sided pulsed laser heating system has been developed, that can be easily coupled with equipment at synchrotron facilities for time-resolved measurements, such as X-ray diffraction (XRD), Nuclear Inelastic Scattering (NIS), Synchrotron Mössbauer Source (SMS), and X-ray Absorption Near Edge Structure spectroscopy (XANES) both at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) and PETRA III at DESY. The effects of pulsed laser heating on the chemical stability of samples inside the DAC were investigated in two separate experimental cases that are important in high-pressure geoscience: In the first study, the chemical interaction between iron and carbon of the diamond anvils during CW and pulsed laser heating was examined. It is a known problem that laser heating of iron in a DAC may lead to formation of iron carbides or a solution of carbon in iron, as a result of a chemical reaction between the sample and carbon diffusing from a diamond anvil into the sample chamber. This can significantly affect the estimated melting temperature in iron melting experiments and complicate the analysis of phase boundaries between different iron phases. In a series of experiments, in which different spots of iron samples were heated by either a pulsed laser or a CW laser and by varying the duration of heating, the iron-carbon interaction was tracked using XANES. The compositions of the heated samples were examined afterwards using SMS and XRD at different beamlines of the ESRF and PETRA III. The results of this study show no obvious advantage due to heating in pulsed mode and essentially prove that the chemical interaction between iron (or generally any materials in a DAC) and carbon from the anvils is hardly avoidable. The second study investigated the effect of pulsed laser heating on the stability of ferropericlase with a geochemically relevant composition of (Fe0.25Mg0.75)O (Fp25) at pressure conditions corresponding to the upper part of the lower mantle and at wide temperature range. The decomposition of Fp25 with formation of a high-pressure (Mg,Fe)3O4 phase with CaTi2O4-type structure was reported, as well as the dissociation of Fp25 into an Fe-rich and a Mg-rich phases induced by heating. The results further support that pulsed laser heating can possibly accelerate, rather than suppress, chemical processes. The thesis includes the development of two more experimental systems that further extend the capabilities of laser heating studies and its coupling with different experimental techniques: The first system is a single-crystal XRD/laser-heating setup consisting of a single-crystal X-ray diffractometer and a double-sided laser heating system. The setup was developed for beamline P02.2 at PETRA III. The system’s performance was illustrated with the example of the single-crystal XRD study of FeN and CrN at high-pressure and high-temperature conditions. The second system is used to perform fully time-resolved SMS at high pressures in combination with pulsed laser heating in DACs. The system is capable to track the Mössbauer absorption of the sample along the duration of the laser pulse, follow changes of the sample surface temperature from both heating directions using spectroradiometry, and bulk sample temperature by means of central shift of the Mössbauer spectra. The system was tested by heating iron in KCl at 32 GPa, iron in argon at 36 GPa, and Fe25O32 in Ne at 77 GPa. To summarize, this work contributes to the development of the laser heating technique for high-pressure research and to a better understanding of complex chemical and physical processes in the sample chamber of a DAC under laser irradiation.