ERA-Chemistry: Searching for ultra-incompressible materials: Formation and characterisation of binary and ternary period 6 transition metal borides at very high pressures and temperatures
Final Report Abstract
Das Ziel des Projektes war die Synthese neuer Übergangsmetallboride der sechsten Periode unter Hochdruck- bzw. Hochtemperaturbedingungen und die Charakterisierungen ihrer Eigenschaften um zu verstehen, ob man durch die Kombination von Elementen mit hoher Valenzelektronendichte mit einem leichten Element gezielt ultra-inkompressible Verbindungen darstellen kann. Die Hochtemperatursynthesen wurden entweder an der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main in einem Lichtbogenofen oder bei unserem Projektpartner an der Leopold-Franzens-Universität Innsbruck in einem Hochfrequenzofen 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. Diamantstempelzellen-basierte Untersuchungen wurden an der Beamline P02.2@PETRA III mit in Frankfurt konstruierten DACs vom Boehler-Almax Typ durchgeführt. Im Rahmen des Projektes konnten mit β-Ir4B5, W1.3(2)Re2.7(2)B2, Mn2IrB2 und Mn3-xIr5B2+x (0 ≤ x ≤ 0.5) vier neue Verbindungen synthetisiert und charakterisiert werden. Die Struktur der Verbindung β-Ir4B5 konnte mit Neutronendiffraktometrie mit Proben, die mit 11B synthetisiert wurden, aufgeklärt werden. Da die Proben mit Hochdrucksynthesen dargestellt werden mußten, war dies besonders aufwendig. Zudem konnten offene Fragestellungen bezüglich der Inkompressibilität von Rheniumboriden beantwortet werden. In einer früheren Arbeit wurden Kompressionsmodule verschiedener Rheniumboride experimentell in lasergeheizten DACs an Phasengemischen bestimmt. Im vorliegenden Projekt wurden die Phasen phasenrein synthetisiert und die Experimente wiederholt. Die ursprünglich bestimmten Werte, insbesondere der außergewöhnlich hohe Wert von B0 = 438(16) GPa von Re7B3, konnten nicht bestätigt werden. Die Verbesserung der Genauigkeit durch die Verwendung phasenreiner Proben führte dazu, daß die neu bestimmten experimentellen Ergebnisse (z.B. Re7B3: B0 = 391(5) GPa) deutlich besser mit theoretischen Werten aus DFT-Modellrechnungen übereinstimmen. Die Bestimmung der Kompressionsmodule verschiedener Iridium-Boride zeigte, daß im Gegensatz zu Rhenium und Osmium, die Inkorporation von Bor in die Metallstrukturen nicht zu einer Erhöhung der Inkompressibilität führt. Die erfolgreichen Arbeiten haben unseren Kenntnisstand zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Übergangsmetallboriden wesentlich vertieft. Die Entdeckung und Charakterisierung von neuen Phasen durch Hochdruck-/Hochtemperatursynthese haben das Potential dieses Ansatzes eindrucksvoll belegt. Die Modellvorstellung, daß die Kombination von schweren Elementen der 6. Periode mit leichten Elementen zur systematischen Darstellung von ultrainkompressiblen Verbindungen genutzt werden kann, kann aufgrund der Ergebnisse des hier durchgeführten Projekts nicht mehr aufrechterhalten werden.
Publications
- Compressibility, microcalorimetry, elastic properties and EELS of rhenium borides. Solid State Sci. 2018, 81, 71-81
Christopher Neun, Benedikt Petermüller, Lkhamsuren Bayarjargal, Wolfgang Morgenroth, Miguel Avalos-Borja, Hector G. Silva-Pereyra, Dominik Spahr, Felix Schmuck, Victor Milman, Hubert Huppertz, Björn Winkler
(See online at https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2018.02.016) - High-Pressure Synthesis of β‑Ir4B5 and Determination of the Compressibility of Various Iridium Borides. Inorg. Chem. 2018, 57(16), 10341-10351
Benedikt Petermüller, Christopher Neun, Klaus Wurst, Lkhamsuren Bayarjargal, Dominik Zimmer, Wolfgang Morgenroth, Miguel Avalos-Borja, Ignacio Guadalupe Becerril-Juarez, Martin J. Mühlbauer, Björn Winkler, and Hubert Huppertz
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.8b01541) - Synthesis, Crystal Structure, and Compressibilities of Mn3-xIr5B2+x (0
Benedikt Petermüller, Christopher Neun, Michal Stekiel, Dominik Zimmer, Martina Tribus, Klaus Wurst, Björn Winkler, Hubert Huppertz
(See online at https://doi.org/10.1002/chem.201803235) - Effect of ball to powder ratio on the mechanosynthesis of Re2C and its compressibility. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 810, 151867
A. Martinez-Garcia, A.K. Navarro-Mtz, C. Neun, L. Bayarjargal, W. Morgenroth, E. Lopez-Vazquez, M. Avalos-Borja, B. Winkler, E.A. Juarez-Arellano
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.151867)
