Suche nach ultra-inkompressiblen Materialen unter Hochdruckbedingungen

Es gibt Vorschläge zur gezielten Synthese ultra-inkompressibler Phasen durch den Einbau leichter Elemente in Strukturen mit hohen Valenzelektronendichten. Daher wurden zahlreiche Studien zur Synthese von Verbindungen der Übergangsmetalle der 6. Periode (Ta, W, Re, Os, Ir) mit leichten Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Bor durchgeführt. Tatsächlich haben einige Verbindungen wie z.B. OsB2 außergewöhnliche Eigenschaften, allerdings sind viele vielversprechende Verbindungen, wie z.B. ein Rheniumborid mit einem B:Re Verhältnis > 2 bisher noch nicht synthetisiert worden. Es ist bekannt, daß Synthesen bei sehr hohen Drücken und Temperaturen zu neuen Verbindungen und neuen Strukturtypen führen können. Während die binären Nitride und Carbide der Metalle der 6. Periode intensiv untersucht wurden, sind unsere Kenntnisse des Hochdruckverhaltens der binären Boride der 6. Periode sehr begrenzt. Daher sollen im hier beantragten Projekt die Phasenbeziehungen, Strukturen und Eigenschaften von binären und ternären Boriden der 6. Periode erforscht und verstanden werden. Dazu sollen Synthesen in lasergeheizten Diamantstempelzellen und in Vielstempelapparaturen durchgeführt werden. Diese Synthesen sollen durch quantenmechanische Modellrechnungen und Versuche in Hochgeschwindigkeitsmühlen ergänzt werden. Die Proben sollen in vielfältiger Weise charakterisiert werden, u.a. durch Mikrokalorimetrie, Raman- und IR-Spektroskopie sowie durch Neutronenbeugung an 11B- angereicherten Proben. Aufgrund der sich ideal ergänzende Expertise in den beiden Arbeitsgruppen sowie der zueinander komplementären Ausstattung der Labore in Innsbruck und Frankfurt sind wir zuversichtlich, neue Verbindungen synthetisieren zu können, ein tieferes Verständnis der Kristallchemie der Boride zu erreichen sowie zur gezielten Synthese von neuen Materialien mit hervorragenden Eigenschaften beitragen zu können.

Ein Ziel des Projektes war die Synthese neuer Übergangsmetallboride der sechsten Periode unter Hochdruck- bzw. Hochtemperaturbedingungen und deren strukturellen, physikalischen und mechanischen Charakterisierungen. Die Hochtemperatursynthesen wurden entweder an der Leopold-Franzens-Universität Innsbruck an einem Hochfrequenzofen oder von unserem Projektpartner an der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main an einem Lichtbogenofen durchgeführt. Die Hochdrucksynthesen wurden an einer 1000 t Multianvil- Presse mit modifiziertem Walker-Modul am Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck durchgeführt. Im Rahmen des Projektes konnten mit ß-Ir4B5, W 1.3(2)Re2.7(2)B2, Mn2IrB2 und Mn3-xIr5B2+x (0 = x = 0.5) vier bis dato unbekannte Verbindungen erstmals synthetisiert und charakterisiert werden sowie einige zuvor ungelöster Probleme erfolgreich bearbeitet werden. In einer früheren Arbeit von Juarez et al.[1] wurden die Kompressionsmodule verschiedener Rheniumboride experimentell bestimmt, sowie theoretische Berechnungen hierzu durchgeführt. Dabei zeigten die Messung der Kompressionsmodule einen extrem hohen Wert (B0 = 438(16) GPa) für Re7B3, der jedoch in großer Diskrepanz zu dem theoretischen Wert (B0 = 385(1) GPa) stand. Eine vergleichbare Diskrepanz bestand zwischen dem experimentell bestimmten und berechneten Wert für Re3B. Im Zuge unserer Arbeiten wurden die Phasen phasenrein synthetisiert und die Experimente wiederholt. Die ursprünglich bestimmten Werte konnten nicht bestätigt werden, wogegen die im Rahmen dieses Projektes nun neu bestimmten experimentellen Ergebnisse (Re7B3: B0 = 391(5) GPa) deutlich besser mit den berechneten Werten übereinstimmen. Neben der Validierung der Kompressionsmodule im System Re - B konnten sowohl an den vier neuen Verbindungen (s.o.) sowie an vielen weiteren Phasen erstmals der Kompressionsmodul bestimmt werden. An der Verbindung ß-Ir4B5 gelang es durch die Verwendung von Neutronendiffraktometrie die Struktur exakt aufzuklären. Diese aufwändige Methode wurde erfolgreich angewandt, da es anhand röntgendiffraktometrischer Daten nahezu unmöglich ist, ein so leichtes (elektronenarmes) Element wie Bor exakt neben einem so schweren (elektronenreichen) Element wie Iridium zu lokalisieren. Die Ergebnisse der Bestimmung der Kompressionsmodule verschiedener Iridium-Boride zeigten, dass im Gegensatz zu Rhenium und Osmium, die Inkorporation von Bor in die Metallstrukturen nicht zu einer Erhöhung der Inkompressibilität führte.[2] Des Weiteren konnten an den verschiedenen Phasen weitere Materialeigenschaften (z.B.: Wärmekapazität, Härte, Leitfähigkeit) präzise bestimmt werden. Oftmals war es auch möglich die experimentell bestimmten Daten durch komplementär durchgeführte DFT-Berechnungen abzugleichen und zu verifizieren. Die erfolgreichen Arbeiten haben das Wissen zu Übergangsmetallboriden deutlich vertieft, insbesondere durch die Entdeckung und Charakterisierung einer Reihe neuer Phasen, die das Potenzial der Hochdruck-/Hochtemperatursynthese eindrucksvoll verdeutlichen.