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Mineralogisch-Petrographisches Institut

Foto: Mineralogisch-Petrographisches Institut Universität Hamburg

Mineralogie

Research projects

Lehr- und Forschungsgebiet:

Mineralogie und Petrographie, Schwerpunkt Kristallographie

Research Projects:

  1. Nutzerbetrieb und methodische Entwicklung am Kappa-Diffraktometer, Strahl F1
  2. Thermische Anomalien und Pseudosymmetrie in Malayait und Titanit
  3. Protonendynamik und strukturelle Instabilitäten in ferroelastischen Selenaten
  4. Substitution und lokale Symmetrie von Kationen in Bleiphosphat
  5. Lokale Symmetrie keramischer Sinterwerkstoffe
  6. Ferroelastic domain formation and structural studies on ABO3
  7. Raumgruppenkorrelationen und Phasenumwandlungen
  8. Mesoskopische Wandstrukturen und Ordnungsparameter-Kopplungen in Ferroelastika des Palmierit-Typs
  9. Kinetik metamicter Minerale
  10. Ferro- und co-elastische Wandstrukturen in Mineralen
  11. Theorie mesoskopischer Wandstrukturen, DFG SPP "Strukturgradienten in Kristallen"
  12. Molluskenmineralisation, DFG SPP "Prinzipien der Biomineralisation"
  13. DFG Graduiertenkolleg 611 "Design and Characterization of Functional Materials"
  14. DAAD/Acciones Integradas Hispano-Alemanas "Group Theoretical Methods in Ferroic Phase Transitions"
  15. Nanoscale clusters and phonon anomalies in relaxor-ferroelectric materials" Methods in Ferroic Phase Transitions"
  16. High pressure-induced renormalization phenomena in relaxors, DFG SPP 1236 "Strukturen und Eigenschaften von Kristallen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen""
  17. "Real structure and topology in LaGaO3 and ZrO2 ionic electrolytes"
  18. "Metastabilität und Kristallisation metamikter Minerale" im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1415 "Kristalline Nichtgleichgewichtsphasen – Präparation, Charakterisierung und in-situ Untersuchung der Bildungsmechanismen"
  19. "Verbundprojekt Chemical Crystallography Beamline an PETRA III"
  20. "Sino-German symposium on “Radiation damage and nuclear waste forms” held in Chengdu, China"
  21. "Artefacts from Ban Chiang, Thailand: Pottery with structured surface patterns"

1. Ausbau und Betrieb des Kappa-Diffraktometers am Strahl F1 im HASYLAB/DESY

Das im HASYLAB als Nutzergerät konzipierte Kappa-Diffraktometer am Strahl F1 ermöglicht verschiedene Beugungsmethoden zur Material- und Strukturforschung durch Verwendung weißer und monochromatisierter Synchrotronstrahlung an Einkristallen und Pulvern. Bei der Betreuung als Verbundinstrument erfolgt neben der 2D-Detektion von Bragg Reflexen zur Messung diffuser Intensitäten in großen Streuvektorbereichen der Ausbau des Detektionssystems mit einem on-line 2D-Detektor. In eigenen Arbeiten werden diffuse, quasi-elastische Streuung zur Quantifizierung displaziver und Ordnungs/Unordnungs-Transformationen, defektinduzierter und feldabhängiger Renormierungsphänomene sowie Precursoreffekte studiert.
Projektträger: BMBF

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2. Thermische Anomalien und Pseudosymmetrie in Malayait und Titanit

Das stufenweise thermodynamische Stabilitätsverhalten harter Antiferroelektrika wird am Beispiel synthetischer und natürlicher Titanite untersucht. Malayaite zeigt isostrukturelle thermische Anomalien. Die effektiven kritischen Exponenten des Titanit-Systems erlauben Korrelationen mit niederdimensionalen quasi-Spin Systemen kurzreichweitiger Wechselwirkungen. Die displaziven Transformationen werden von Unordnungsphänomenen begleitet.
Projektträger: DFG

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3. Protonendynamik und strukturelle Instabilitäten in ferroelastischen Selenaten

Kooperation mit Prof. Dr. A. Baranov (Russ. Akademie der Wissenschaften, Moskow)

Super-Ionenleiter (Selenate und Phosphate) zeigen eine extrem hohe Ionenbeweglichkeit und komplexe ferroische Transformationen, die mit ferroelastischen Deformationen einhergehen. Das Umwandlungsverhalten entsprechender Verbindungen mit hoher Protonen- und Deuteronenkonzentration wird mittels röntgenographischer, spektroskopischer und dielektrischer Methoden sowie Neutronenstreuexperimenten charakterisiert.
Projektträger: VW

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4. Substitution und lokale Symmetrie von Kationen in Bleiphosphat

Ein Kationeneinbau in ferroelastisches Bleiphosphat-Typs erfolgt über den Austausch der Bleipositionen Pb(1) und Pb(2), die sich in der Paraphase des Materials jeweils auf den Wyckoff-Positionen a (D3d) und c (C3v) befinden. Das Transformationsverhalten des improper Ferroelastikums wird durch die Blei-Substitution drastisch verändert. Mittels statischer und MAS-NMR-Spektroskopie an 207Pb bzw. 31P soll geklärt werden, welche lokalen Phänomene die Fremdionen induzieren und wie die thermischen Anomalien renormiert werden.
Projektträger: DFG

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5. Lokale Symmetrie keramischer Sinterwerkstoffe

Kooperation mit Prof. Dr. B. Palosz (High Pressure Research Center, Warsaw, Polen)

Materialsynthesen polytyper SiC Sinterkeramiken bis 2200 °C, 60 kbar. Synchrotron- und Lichtstreuexperimente unter in-situ p,T-Bedingungen an Alpha- und Beta SiC Typen. Ziel der Studien sind Modellentwicklungen zur Simulation der lokalen Symmetrie.
Projektträger: WTZ/BMBF

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6. Ferroelastic domain formation and structural studies on ABO3

Koopertion mit Prof. Dr. A.O. Matkovskii und Dr. D. Savytskii (Semiconductor Sc., Univ. L'viv, Ukraine)

Struktur und Domänenstudien an ferroischen Perovskiten, die gleichzeitig als Substratmaterial für Hochtemperatur-Supraleiter dienen (ABO3, A=RE, B=Ga, Al, etc.). Ziel der Arbeiten ist die Korrelation der dielektrischen und ferroischen Eigenschaften mit den strukturellen Materialdaten und deren kritischem Verhalten.
Projektträger: WTZ/BMBF

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7. Raumgruppenkorrelationen und Phasenumwandlungen

Kooperation mit Dr. Mois Aroyo (Universidad del Pais Vasco, Dept. of Physics, Espana)

Thermodynamische Stabilitätskriterien kristalliner Verbindungen werden auf der Grundlage neuer gruppentheoretischer Konzepte behandelt. Die Analyse der Korrelationsschemata irreduzibler Darstellungen von Raumgruppen erlaubt präzise Vorhersagen über die Variation makroskopischer Materialeigenschaften bei der Änderung thermodynamischer Zustandsvariablen und soll systematisch weiterentwickelt werden.
Projektträger: DFG/DAAD, Universitäten Hamburg/Bilbao

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8. Mesoskopische Wandstrukturen und Ordnungsparameter-Kopplungen in Ferroelastika des Palmierit-Typs

Mesoskopische Wandformationen und Relaxationsstrukturen im Bereich von einigen hundert Angström bis zu etwa einem Mikrometer und die Kopplungen thermodynamisch kritischer Größen definieren sowohl das Stabilitätsverhalten als auch die Materialeigenschaften ferroischer Systeme. Die Wechselwirkung ferroelastischer Deformationsfelder und die Verdünnung der spontanen Deformation führt zu Wandformationen auf mesoskopischer Längenskala. In dotierten Ferroelastika des Palmierit-Typs soll der Einfluß relaxierter Defektfelder auf die Struktur und Form ferroischer Wände untersucht werden. Die Renormierung des Transformationsverhaltens und defektinduzierte Kopplungen der Ordnungsparameter sollen experimentell bestimmt und im Modell behandelt werden.
Projektträger: DFG

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9. Kinetik metamicter Minerale

Kooperation mit Prof. Dr. E. Salje (University of Cambridge, UK) und Prof. Dr. Lee Groat (University of British Columbia, Vancouver, Canada)

Das thermische Verhalten nahgeordneter Metamicte wird mittels hochaufloesender EM und diffuser Röntgenbeugung mittels Synchrotronstrahlung charakterisiert. Spektroskopische Verfahren geben Aufschluß über kinetische Phänomene der nahgeordneten Strukturen.
Projektträger: ARC & British Council und UBC, Canada

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10. Ferro- und co-elastische Wandstrukturen in Mineralen

Kooperation mit Prof. Dr. E. Salje (University of Cambridge, UK)

Die Studie dient der Modellbehandlung der thermischen Entwicklung von Wandprofilen, dem besseren Verständnis von Defekteinflüssen auf Wandformationen sowie der Kinetik entlang flächenhafter Störungen mit Gradientenfeldern.
Projektträger: ARC & British Council

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11. Theorie mesoskopischer Wandstrukturen, DFG SPP "Strukturgradienten in Kristallen"

Kooperation mit Prof. Dr. E. Salje, Dr. William Lee (University of Cambridge, UK)

Mesoskopische Wandstrukturen, insbesondere Zwillingswände beeinflussen die chemische Reaktivität und den physikalischen Transport von Defekten in Kristallen. Der Ausgangspunkt dieser Phänomene ist dabei stets die Kristalloberfläche. Das Forschungsprojekt befasst sich mit der Frage: Was geschieht, wenn eine Wandstruktur auf eine Oberfläche trifft? Die Wechselwirkungen zwischen Wandstruktur, der Oberflächenstruktur und dem Kristallvolumen sind hierbei zu berücksichtigen. Der theoretische Ansatz folgt der Hybrid MD-MC Methode mit einem strain-induzierten Hamiltonian.
Projektträger: DFG

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12. Molluskenmineralisation, DFG SPP "Prinzipien der Biomineralisation, SPP 1117"

Kooperation mit Prof. Dr. K. Bandel (Geologisches-Paläontologisches Institut und Museum, Universität Hamburg)

Mollusken bauen seit mindestens 500 Millionen Jahren eine aragonitische Schale (Perlmutt und Kreuzlamelle) Perlmutt wächst in geschichteten Gelen der extrapallialen Flüssigkeit auf der Schaleninnenseite, Kreuzlamelle hingegen in einschichtigen Baueinheiten. Das Wachstum und die kristallographische Mikrostruktur werden an geeigneten rezenten Molusken studiert.
Projektträger: DFG

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13. DFG Graduiertenkolleg 611 "Design and Characterization of Functional Materials"

Kooperation mit FB Chemie (Prof. Albert) und FB Physik (Prof. Wiesendanger) (Universität Hamburg) und der kieferorthopädischen Abteilung UKE (Prof. Klocke)

a) Es werden biogene Hydroxylapatite (Zahnschmelz) hinsichtlich ihrer Veränderung durch Altern studiert und Ersatzmaterialien durch Hochdrucksynthesen erstellt.
b) Das Transportverhalten von Defekten innerhalb von 2D Wandstrukturen wird zum Verständnis mikroskopischer und makroskopischer physikalischer Eigenschaften mesoskopischer Phänomene in Ferroelastika studiert und Materialien mit neuen dielektrischen Eigenschaften hergestellt.
Projektträger: DFG

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14. DAAD/Acciones Integradas "Group Theoretical Methods in Ferroic Phase Transitions"

Colaboration con Prof. Dr. Mois Aroyo y Prof. Dr. Gotzon Madariaga Menencez

Interdisciplinary studies on critical instabilities in new ferroelastic and ferroelectric materials will be combined with the development of group-theoretical procedures and symmetry tools to characterize and forecast transition schemes including domain formation.
Support: via DAAD and Acciones Integradas Hispano-Alemanas

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15. Nanoscale clusters and phonon anomalies in relaxor-ferroelectric materials"

in collaboration with PI Prof. Dr. Boriana Mihailova (Universität Hamburg)

Novel lead-based perovskite-type ferroelectric relaxor materials will be synthesized, their nanoscale structure and temperature evolution of phonon anomalies will be studied using polarized Raman spectroscopy. Also synchrotron X-ray diffraction analysis will be applied to single-crystals. The role of point defects and compositional variations on the type of preferred ferroic species will be clarified.
Projektträger: DFG

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16. High pressure-induced renormalization phenomena in lead scandium niobates and tantalates with relaxor behaviour, DFG SPP "Strukturen und Eigenschaften von Kristallen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen", SPP 1236 "

in collaboration with PI Prof. Dr. Boriana Mihailova (Universität Hamburg)

Syntheses of relaxor ferroelectrics under extremely high p/T will be performed to tailor novel relaxors. Diffraction and phonon spectroscopic methods will be applied under in situ p/T conditions. Pressure will help to elucidate the preferential local atomic ordering, clustering, pressure-induced phase transformations and renormalization phenomena.
Projektträger: DFG

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17. Real structure and topology in LaGaO3 and ZrO2 ionic electrolytes"

in collaboration with Dr. D. Savytskii (Semiconductor Sc., Univ. L'viv, Dr. M. Vakiv Scientific Research Company "Carat", L'viv, Ukraine, Dr. H. Boysen, LMU, Department f. Geo- u. Umweltwissenschaften, Sektion Kristallographie, München

Synthesis of selected crystals of the perovskite- and fluorite-type. Studies on their twin boundaries and oxygen vacancy clusters as well as their thermodynamic stability and pattern arrangements in the context of ionic diffusion behaviour.
Projektträger: BMBF/WTZ

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18. Metastabilität und Kristallisation metamikter Minerale"

in the framework of SPP 1415 (Kristalline Nichtgleichgewichtsphasen – Präparation, Charakterisierung und in-situ Untersuchung der Bildungsmechanismen)

Study of the kinetic behaviour of metamict minerals (titanite, allanite etc.), crystallisation of selected samples, spectroscopic and diffraction studies of local patterns, structural rearrangement and theoretical modelling.
Projektträger: DFG

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19. Bau und Betrieb der Chemical Crystallography Beamline an PETRA III:

In der PETRA III Extension Hall East (DESY) wird eine Beamline konstruiert und in den Nutzerbetrieb integriert. Im Verbund erfolgen während der Konstruktionsphase Studien zu „Dynamics and time-resolved crystallography, Charge density, Phase transitions & external fields, Photo-crystallography, Solid state chemistry and crystallisation und Local structure analysis".

Das Projekt wurde 2017 erfolgreich abgeschlossen. Die Beamline steht ab Frühjahr 2018 für den Nutzerbetrieb zur Verfügung. Details zur Beamline sind hier zu finden:

http://photon-science.desy.de/facilities/petra_iii/beamlines/p24_chemical_crystallography/index_eng.html

Verbundleitung: Prof. Dr. Ulrich Bismayer, Verbundpartner: Prof. Dr. Wolfgang Schmahl, PD Dr. Sohyun Park, Anorganische und biogene Geomaterialien, LMU München, Prof. Dr. Dirk C. Meyer, Institut für Experimentelle Physik, Prof. Dr. D. Rafaja, Institut für Werkstoffwissenschaft, TU BA Freiberg
erweiterter Verbund: PD Dr. Simone Techert, DESY & Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen, Prof. Dr. Christian W. Lehmann, MPI für Kohlenforschung, Mülheim, Prof. Dr. Sander van Smaalen, Laboratory of Crystallography, Universität Bayreuth.
Projektträger: BMBF

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20. Sino-German symposium on “Radiation damage and nuclear waste forms” held in Chengdu, China:

A Sino-German symposium on “Radiation damage and nuclear waste forms” was held in Chengdu, China from 13-17 October, 2017. More than forty participants attended the symposium. They came from more than twenty university and research institutes from China, Germany and UK. Talks covered the synthesis and characterization of nuclear waste forms, geological disposal of high level nuclear wastes, the effect of radiation on materials, the impact of ion implantation on physical and chemical properties of materials, the application of radiation effect in Earth Sciences, applications of new analytic methods and computer simulation on the immobilization of nuclear waste. The symposium was organized by Prof. Ulrich Bismayer of the Universität Hamburg, Germany and Prof. Ming Zhang, Institute of the Materials, China Academy of Engineering Physics via the Sino-German Science Center in Beijing.
Projektträger: NSFC and DFG

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21. Artefacts from Ban Chiang, Thailand: Pottery with structured surface patterns

The studies aim to better understand the significance and recognition through symbols of characteristic patterns on the surface of pottery from the archeological UNESCO world heritage site Ban Chiang, Thailand. Mineralogical and crystallographic techniques are applied to characterise bulk materials and surface chemistry, bulk porosity and phonon vibrational characteristics. Work is carried out in collaboration with colleagues from the Cluster of Excellence „Understanding Written Artefacts“, Universität Hamburg, the Museum of Ban Chiang, the Physics Department of the University of Khon Kaen and the Synchrotron in Nakhon Ratchasima (Khorat), Thailand.
Projektträger: DFG, EXC 2176 and project no.390893796

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