strukturellen Phasenübergängen Mechanismen bei strukturellen Phasenübergängen H. Böhm V. Kahlenberg, J. Kusz, O. Pawlig, M. Riester

Definition Strukturelle Phasenumwandlung: Sie erfolgt bei einer plötzlichen Symmetrieänderung als Folge einer Änderung von Druck und/oder Temperatur. Mit der Symmetrieänderung ist eine Änderung der Struktur verbunden

Klassifizierung DV  0 Mechanismus: Phasenübergänge 1. Ordnung. bei der Temperatur Tc : DS  0 DV  0 Mechanismus: Keimbildung und Wachstum Charakteristisches Merkmal: Thermische Hysterese

Beispiel 0.15 mm Kraftmikroskopische (AFM) Aufnahme der Umwandlung von Polydiethylsiloxane (PDES) bei T = –6 °C

Klassifizierung DV = 0 Mechanismus: Phasenübergänge 2. Ordnung. bei der Temperatur Tc : DS = 0 DV = 0 Mechanismus: Kontinuierliche Umwandlung Charakteristisches Merkmal: Keine thermische Hysterese Landau Theorie findet Anwendung

Beispiel Phasenabfolge Bi2Ti4O11 c0(a) = 2 c0(b) Tc = 233 °C a - Phase C2/m b 195 215 235 T °C Intensität Überstrukturreflex

Beispiel Bi2Ti4O11 Spontane Dehnung Gitterparameter b 200 400 T °C Gitterparameter b [Å] 3.802 3.810 Spontane Dehnung 200 400 T °C e1 e3 e2 Tensor Komponenten Keine thermische Hysterese: Phasenumwandlung 2. Ordnung

Beispiel Bi2Ti4O11 Struktur : b-Phase Mechanismus: Kontinuierliche Verschiebung der Bi-Atome aus der Spiegel- ebene. Die Phasenumwandlung wird ausgelöst durch das “einsame Elektronenpaar“ des Bi. Struktur : a-Phase Bi - Atome

Beispiel Ca2CoSi2O7 Abfolge von Phasen: Beugungsdiagramm bei RT: HT - Phase IC - Phase C - Phase DT Tc = 155 K - 270 K Tc = 498(1) K Beugungsdiagramm bei RT:

Satelliten-Intensität Beispiel Ca2CoSi2O7 HT - Phase IC - Phase C - Phase 300 350 400 450 500 550 600 2000 4000 6000 8000 10000 12000 I [cps] teperature [K] Tc= 498 K 300 400 500 Temperatur [K] Intensität Satelliten-Intensität Phasenumwandlung bei ca. 500 K Keine thermische Hysterese: Phasenumwandlung 2. Ordnung

Variation des q-Vektors Beispiel Ca2CoSi2O7 HT - Phase IC - Phase C - Phase 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0 100 200 300 400 500 Temperatur [K] Variation des q-Vektors Phasenumwandlung zwischen 155 K und 270 K Thermische Hysterese: Phasenumwandlung 1. Ordnung

a c Beispiel = CoO4 = Si2O7 = Ca HT - Phase Ca2CoSi2O7 IC - Phase

Beispiel Ca2CoSi2O7 C - Phase 3·a HT - Phase IC - Phase C - Phase

Beispiel IC - Phase Ca2CoSi2O7 TEM Aufnahme bei Raumtemperatur: HT - Phase IC - Phase C - Phase IC - Phase Van Heurk et al., 1992 8 nm TEM Aufnahme bei Raumtemperatur: Sie zeigt oktagonale Ringe.

Beispiel Verwandtschaft der Strukturen Ca2CoSi2O7 HT - Phase IC - Phase C - Phase Verwandtschaft der Strukturen C-Phase: Eine geordnete Überlagerung von oktagonalen Ringen. IC-Phase: Eine zufällige Überlagerung von oktagonalen Ringen.

Mechanismen Bi2Ti4O11 Ca2CoSi2O7 Satellitenreflex Überstrukturreflex 300 350 400 450 500 550 600 2000 4000 6000 8000 10000 12000 I [cps] teperature [K] Tc= 498 K 300 400 500 Temperatur [K] Intensität 195 215 235 T °C Intensität Überstrukturreflex

?  ? Mechanismen Tc = 250 K Tc = 277 K (Ca1-xSrx)2MgSi2O7; x = 0.16 HT - Phase IC - Phase ?  ? Transformationstemperatur Tc = 250 K Tc = 277 K

Mechanismen TEM, IC- und HT-Phase: Elektronenbeugung am (Ca1-xSrx)2MgSi2O7 . T = 355 K Keine Satelliten T = 335 K Satelliten 1. Ordnung T = 295 K 1. and 2. Ordnung M. Schosnig et al., 2000

Beispiel Verwandtschaft der Strukturen Ca2CoSi2O7 HT - Phase IC - Phase C - Phase Verwandtschaft der Strukturen C-Phase: Eine geordnete Überlagerung von oktagonalen Ringen. IC-Phase: Eine zufällige Überlagerung von oktagonalen Ringen.

Beispiel Bi2Ti4O11 Bi - Atome Struktur : b-Phase Mechanismus: Kontinuierliche Verschiebung der Bi-Atome aus der Spiegel- ebene. Die Phasenumwandlung wird ausgelöst durch das “einsame Elektronenpaar“ des Bi. Struktur : a-Phase