Fakultät für Geowissenschaften - Digitale Hochschulschriften der LMU

Alternative gateoxide Pr2O3 : Growth characterization on Si (111) and Si (113)

Several investigations have been made to desricbe the interface structure of this oxide on Si(111). These studies [Tarsa et al., Müssig et al.] did show that the (001) plane of the hexagonal phase of Pr2O3 is growning on the Si(111) surface. Last year we reported about the p(1x1) observed in LEED.

With gracing incidence x-ray diffraction measurements, we can now explain the bonding and positions of the Pr-Atoms and the orientation of the oxide parallel to the surface. Several evidences lead to the assumption, that the layer only occurs as a monolayer (= one unit cell of hexagonal Pr2O3 bulk phase along the c vector). Thicker layers observed in LEED, did not show any different reconstructions. In situ GIXRD measurments of thicker layers are underway. Postannealing up to 760°C of the thicker layers leads to Island growth and forming PrSi2. The therby seen p(2x2) reconstruction in LEED is formed from submonolayer coverage of Pr on Si (111).

The growth on Si(113) is reported the first time. The depostion was made out of a tungsten or out of a mo-crucible at 500°C, like it was used for Si (111). After the depostion of 0.2 nm of Pr2O3 one can observe a change in the LEED pattern from the exhibited (3x1) or (3x2) reconstruction of Si (113) into a weak (4x1) pattern. AFM pictures show an ordering in on dimension and islands of triangular to trapezioid forms. The roughness is lower than the one, seen on the p(2x2) reconstructed surface. First GIXD measurements did not show any reconstructions peaks, which indicates that the pattern seen in Leed is coming from the oxygen ordering.

In this thesis nanoscopic structure analysis is applied to precambrian microscopic fossils permineralised and bodily conserved in finegrained chert rock. For the first time atomic force microscopy (AFM) is used to image and analyse the three dimensional fine structure of the walls of single fossil unicells. Structural AFM data is complemented and backed by transmission electron microscopy yielding information on the crystalline nature and chemical composition of the quartz and the kerogen components of the fossil cell walls. The data is supplemented by raman spectra of the same single fossils, providing information on the molecular constitution of the kerogen material, as well as by quantitative electron microprobe data on the carbon content of the fossil cell walls.

For AFM experiments a new preparation method was devised, using hydrofluoric acid to expose single fossils buried in the rock matrix. The method is applied to intact conventional thin sections of chert without disturbing the fossil cells in their environment, thus maintaining the petrographic context of the sedimentary structure. As AFM conventionally images surfaces that are smooth on a micrometer scale, the etching process has to be precisely adjusted in order to achive a balance between exposing cell walls well enough for structural examination and retaining surfaces smooth enough for the atomic force microscope. The cell walls produced by the etch method introduced here protrude from the surrounding rock matrix by approximately two microns. A detailed study of the etching behaviour by macroscopic and AFM analysis provides information on the dissolution speed of whole samples and of specific sites within the fossilmatrix compound. It is shown that etch resistivity depends on the crystal size and the carbon concentration around and within the fossil.

Subject to examination were 850 million year old cyanobacteria from the Bitter Springs Formation of the Northern Territoriy, Australia, and 650 million year old acritarchs from the Chichkan Formation of Kasachstan. A classical analysis of size distributions within single populations of the microorganisms by light microscopy classified the cyanobacteria as Myxococcoides minor Schopf 1968, and the acritarchs are probably single celled planctonic algae, belonging to the classes of Chlorophyceae and/or Rhodophyceae. However, as the true nature of precambrian microorganisms cannot be proven by light microscopy alone, the desire to gather more information on the fine structure of the cells arises. This task was adressed here.

The analysis of the carbon concentration in the fossil cells shows that the main body of the cell wall in the acritarchs studied here is composed of quartz, and only about one percent of the total volume of the cell wall is made up of carbon. In two specimens the spacial distribution of kerogen within the cell walls was charted. In one case the fossil wall was composed of crystalline quartz lamellae, enveloped by a 30 nanometer thick carbonaceous membrane. In contrast, the other specimen showed totally non crystalline quartz in the fossil wall, with the carbon content distributed homogeneously throughout the cell wall, increasing along a concentration gradient towards the wall center. This difference between the two cells hints at the concept that the fossilisation process strongly influences the wall structure. However, in both cells the quartz and the kerogen is arranged in a regular tile structure that may be influenced, if not controlled, by the biological structure of the original organic cell. This was also observed in other cells. A detailed three dimensional analysis of the size and orientation of platelets composing the tile structure disclosed by etching forms the basis of this concept: In all analysed cells the platelets are oriented parallel to the radius of the cell. The average width of the platelets ranges from 260 to 330 nm, with a maximum error of 25%. A second set of smaller pla

The main objective of this study is to investigate and model the viscosity of

multicomponent natural silicate melts and constrain the compositional effects which affect

such a parameter. The results of this study, relevant to all petrological and volcanological

processes which involve some transport mechanism, will be applied to volcanic setting.

An extensive experimental study was performed, which constituted the basis for the

general modelling of Newtonian viscosity in terms of composition and temperature.

Composition, viscosity and density of selected samples were investigated at different water

contents. The experimental method involved measuring the viscosity of dry and hydrated

melts under superliquidus and supercooled conditions. In the high temperature range (1050 –

1600 °C) viscosities from 10-0.5 to 105 Pa·s were obtained using a concentric cylinder

apparatus. Measurements of both dry and hydrated samples in the low temperature (616-860

°C) - high viscosity (108.5 – 1012 Pa·s) interval, from glassy samples quenched after high

temperature viscometry, were performed using the dilatometric method of micropenetration.

Hydrated samples measured in the supercooled state were synthesized, using a piston cylinder

apparatus, between 1100° and 1600° C at 10 kbar. Water contents were measured using the

Karl Fischer Titration (KFT) method. Fourier-Transform Infrared (FTIR) spectroscopy was

used before and after the experiments in order to check that the water content was

homogeneously distributed in the samples and that water had not been lost. Major element

compositions of the dry remelted samples were determined using an electron microprobe.

Newtonian viscosities of silicate liquids were investigated in a range between 10-1 to

1011.6 Pa s and parameterised using the non-linear 3 parameter (ATVF, BTVF and T0) TVF

equation. The data provided in this work are combined also with previous data from

Whittington et al. (2000, 2001); Dingwell et al. (1996); Neuville et al. (1993).

There are strong numerical correlations between parameters (ATVF, BTVF and T0) that

mask the effect of composition. Wide ranges of ATVF, BTVF and T0 values can be used to

describe individual datasets. This is true even when the data are numerous, well-measured and

span a wide range of experimental conditions. In particular, “strong” liquids (liquids that are

Arrhenian or slightly deviate from Arrhenian behaviour) place only minor restrictions on the

absolute ranges of ATVF, BTVF and T0. Therefore, strategies for modelling the effects on

compositions should be built around high-quality datasets collected on non-Arrhenian liquids.

x

The relationships between important quantities such as the fragility F, characterizing the

deviation from Arrhenian rheological behaviour, are quantified in terms of the chemical,

structure-related parameter NBO/T. Initial addition of network modifying elements to a fully

polymerised liquid (i.e. NBO/T=0) results in a rapid increase in F. However, at NBO/T values

above 0.4-0.5 further addition of a network modifier has little effect on fragility. This

parameterisation indicates that this sharp change in the variation of fragility with NBO/T is

due to a sudden change in the configurational properties and rheological regimes, owing to the

addition of network modifying elements.

The resulting TVF parameterisation has been also used to build up a predictive model

for Arrhenian to non-Arrhenian melt viscosity. The model accommodates the effect of

composition via an empirical parameter called here the “structure modifier” (SM). SM is the

summation of molar oxides of Ca, Mg, Mn, half of the total iron Fetot, Na and K. This

approach is validated by the highly predictive capability of the viscosity model. The model

reproduces all the original data set with about 10%, of the measured values of logη over the

entire range of composition in the temperature interval 700-1600 °C.

The combination of calorimetric and viscosimetric data has enabled

Airborne hyperspectral remote sensing enables not only spatial monitoring of vegetation

cover, but also the derivation of individual plant constituents such as chlorophyll and

nitrogen content. These are important parameters for optimised agricultural management

on a field basis through the possibility of spatially differentiated fertilisation and for

hydrological and vegetation yield modelling.

The use of existing airborne imaging spectrometers is cost-intensive. Moreover, it is

difficult to obtain these sensors for multitemporal applications. The imaging spectrometer

AVIS (Airborne Visible/Near Infrared Imaging Spectrometer) was built at the Chair of

Geography and Geographical Remote Sensing of the Ludwig Maximilians University

Munich, Germany, to overcome these difficulties. AVIS is designed as a cost-effective tool

for environmental monitoring using commonly available components. AVIS enables the

deployment of a hyperspectral sensor for both scientific research and educational

purposes. It is based on a direct sight spectrograph coupled to a standard B/W CCD

camera. The signal received by the CCD is read out and sent via a frame grabber card to a

personal computer, where the data is stored on the hard disc together with additional GPS

data. The radiometric, spectral and geometric properties of AVIS resulting from the

calibration procedure are summarised in Table 7-1.

Table 7-1: AVIS characteristics

Parameter Description

Spectral range 553-999nm

Spectral resolution 6nm

Spectral sampling rate / resampling 2nm / 6nm

Number of used bands 74

SNR 45dB (year 1999), 47dB (year 2000)

Spatial resolution 300 pixels per image line

Spatial sampling rate 390 pixels per image line

FOV 1.19rad

IFOV across track 3.1mrad

IFOV along track 2.98mrad

One aim of this thesis was to test the potential of AVIS for the purpose of environmental

monitoring, especially of the chlorophyll and nitrogen status of plants. The land cover

types under investigation were grassland, maize ( Zea mays L.) and winter wheat ( Triticum

aestivum L.). Within this scope, a total of 21 AVIS flights were carried out during the

vegetation periods of the years 1999 and 2000. The AVIS data were preprocessed before analysis, including dark current and flat field correction, resampling as well as atmospheric

correction and reflectance calibration.

The test area chosen for the validation of the AVIS data is located in the northern

Bavarian foothills, 25km southwest of Munich, Germany (48° 6’ N, 11° 17’ E). It is situated

between the Ammersee in the west and the Starnberger See in the east. The

municipalities Gilching and Andechs define the northern and southern borders

respectively.

Within this area, three water protection areas were chosen as test sites. In these test

sites, most of the farmers are under contract to the local agricultural office “ Amt für

Landwirtschaft” resulting in detailed management data for each field. This data include

useful information for the interpretation of ground and AVIS data. Two weather stations of

the Bavarian network of agro-meteorological stations, namely No.72 (Gut Hüll) and No.80

(Rothenfeld), are located in the test area and provide information about precipitation,

temperature and radiation. Ten and thirteen stands were selected as test fields in 1999

and 2000 respectively, including three fields each of maize and wheat in 1999 as well as

three fields of maize and six fields of wheat in 2000. During both years, four meadows

were investigated belonging to the same plant community ( Arrhenatherion elatioris). The

meadows differ in the utilisation intensity (non-fertilised meadow with one cut, meadow

with one cut, meadow with rotational grazing and meadow with four to five cuts).

The ground truth campaigns included weekly measurements of plant parameters, such as

height, dry and wet biomass, phenological stage, chlorophyll and nitrogen content, as well

as a photographic documentation for each field.

The chlorophyll and nitrogen measurements

Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse an piezoelektrischen Materialien aus der Langasitfamilie,

die unter extremen Bedingungen untersucht wurden. Die Einkristalle aus dieser Familie, vor

allem La3Nb0.5Ga5.5O14 (LNG) und La3Ta0.5Ga5.5O14 (LTG), sind vielversprechende

Materialien für Oberflächenwellen (OFW) –Substratmaterialien, die in der mobilen

Kommunikationstechnik der Frequenzsteuerungsgeräte (mobile Kommunikation, Sensoren,

usw.) und bei Hochtemperatur- OFW- Anwendung finden. Mit LNG und LTG OFW-Sensorelementen

können physikalische Meßgrößen, wie Druck und Temperatur erfaßt

werden. Aus diesem Grund sind die Strukturuntersuchungen an LNG und LTG bei

verschiedenen Drucken und Temperaturen extrem wichtig.

Die Struktur von LNG und LTG ist unter normalen Bedingungen trigonal mit der

Raumgruppe P321.

In der Struktur sind die schweren Atome polyedrisch von Sauerstoffatomen koordiniert. Vier

Polyedertypen bilden decaedrisch-oktaedrische und tetraedrische Schichten. Diese sind in

einer A-B- Stapelfolge senkrecht zur c-Achse angeordnet.

Die Kristallstrukturen von LNG und LTG wurden mittels Röntgenstrukturanalyse an LNG-

und LTG- Einkristallen in Hochdruck- Diamant -Stempel Zellen unter Druck bis 23GPa

untersucht. Die Proben für diese Forschungsarbeit wurden von den Forschungsgruppen von B.

V. Mill (Rußland) und J. Bohm (Deutschland) freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Als

druckübertragende Medien wurden Alkohol und Helium benutzt. a- Quarz Kristalle und die

Rubinfluoreszenzmethode wurden zur Druckmessung herangezogen. Die Experimente mit

Röntgenstrahlung wurden im eigenen Labor und am Hamburger Synchrotronstrahlungslabor

(HASYLAB, Beamline D-3) durchgeführt.

Die Gitterkonstanten und Reflexintensitäten von LNG und LTG wurden unter Drucken bis

22,8 beziehungsweise 16.7GPa gesammelt. Innerhalb des erforschten Druckbereichs nimmt

das c/a- Verhältnis von 0,6232 bis 0,6503 für LNG und von 0,6227 bis 0,6350 für LTG zu.

Folglich ist die a-Achse die an stärksten komprimierte Richtung in beiden Substanzen. Damit

zeigen LNG und LTG unter Druck ein anisotropes Verhalten, das durch unterschiedliche

Bindungsstärken in den Richtungen parallel zu den a- beziehungsweise c- Achsen bedingt ist.

Unter hydrostatischem Druck ist die Komprimierung der c- Richtung (also zwischen den

Schichten) steif, was wegen der weniger flexiblen Verknüpfung der Polyeder (gemeinsame

Kanten) verständlich ist. Demgegenüber ist die Komprimierung innerhalb der ab- Ebene (also innerhalb der Schichten) größer und kann hauptsächlich durch die abnehmenden Volumina

und Verzerrungen der Polyeder erreicht werden.

Weil die Kristallstrukturen von LNG und LTG wegen der hohen Symmetrie und der

Polyederkopplungen sehr steif sind, führt die Komprimierung dieser Strukturen zu einer

Zunahme der internen Spannungen und endet bei einem Druck von 12.4(3)GPa für LNG und

11.7(3)GPa für LTG mit einem Phasenübergang in Strukturen mit niedrigerer Symmetrie. In

dem untersuchten Druckbereich sind die Kompressibilitäten entlang der c-Achse fast

identisch für LNG und LTG. Andererseits sind die Druckabhängigkeiten der a

Gitterparameter dieser Materialien nur für die Ausgangsphase ähnlich, während die

Achsenkompressibilitäten für die Hochdruckphasen von LNG und von LTG unterschiedlich

sind. Die Volumenkompressibilitäten des trigonalen LNG und LTG sind 0.007GPa -1 , die

entsprechenden Kompressionsmodule sind 145(3)GPa und 144(2)GPa.

Der Kompressionsmechanismus von LNG und LTG kann wie folgt beschrieben werden:

Eine Erhöhung des Drucks verursacht eine Reduzierung der Gittervolumina von LNG und

LTG. Folglich verringern sich die Abstände zwischen den Ionen. Auf diese Weise werden die

größten Kationen (La 3+ ) innerhalb der ab- Fläche verschoben, um die Abstände zwischen den

positiv geladenen benachbarten Ionen (Ga 3+ /Nb 5+ (Ta 5+ )) zu maximieren. Auf die gleiche

Weise bewegen sich die tetraedrisch koordinierten Ga 3+ -Ionen. Wegen der Anionen-Kationenbindungsverkürzung

versuchen die Polyeder zu rotier

Die herk¨ommlichen Wellenfeldbearbeitungen der CMP-Refraktionsseismik basieren auf

N¨aherungsl¨osungen f¨ur kleine Schichtneigungen. Dieser Ansatz hat sich f¨ur Schichtneigungswinkel

bis zu ca. 100 bew¨ahrt. Mit gr¨oßer werdendem Neigungswinkel verschlechtern

sich die Ergebnisse der CMP-Refraktionsseismik aber zunehmend. Große Neigungswinkel

machen sich in zu hoch bestimmten Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten und einer

schlechteren Fokussierung auf gemeinsame Untergrundabschnitte durch die CMPSortierung

bemerkbar.

Die Probleme falsch bestimmterWellenausbreitungsgeschwindigkeiten und die schlechtere

Fokussierung auf gemeinsame Untergrundspunkte, sind auch aus den Anf¨angen der

CMP-Reflexionsseismik bekannt. Es gelang zuerst Judson, Shultz und Sherwood (1978)

mit der Einf¨uhrung eines zus¨atzlichen Korrekturschritts das CMP-Konzept so zu erweitern,

daß auch das reflektierte Wellenfeld von geneigten Schichtgrenzen korrekt bearbeitet

werden konnte. Ihr Verfahren, das sie DEVILISH nannten, wurde durch eine Vielzahl von

Autoren weiter verbessert und ist heute unter dem Namen DMO weitl¨aufig in der Seismik

bekannt. Die DMO hat sich zum Standardschritt in der modernen seismischen Datenverarbeitung

etabliert.

Die vorliegende Arbeit besch¨aftigt sich erstmals mit der M¨oglichkeit einer DMOKorrektur

f¨ur die CMP-Refraktionsseismik. Zu diesem Zweck mußte zun¨achst das DMOKonzept

aus der Reflexionsseismik in die Refraktionsseismik ¨ubertragen und in mathematischen

Grundgleichungen quantifiziert werden. F¨ur eine Erprobung der Refraktions-DMO

an seismischen Daten mußte man aus den Grundgleichungen einen geeigneten Algorithmus

konstruieren.

Die ¨Ubertragung des DMO-Konzepts aus der Reflexionsseismik in die Refraktionsseismik

erfolgte in Kapitel 3. In Kapitel 4 wurden die zugeh¨origen Grundgleichungen mit

Hilfe des Hales-Kreises nach Hales (1958) hergeleitet. Es zeigt sich, daß die gewonnenen

Grundgleichungen nicht mehr von der Zeit- bzw. der Ortskoordinate abh¨angen. Weil

auch die LMO-Korrektur unabh¨angig von der Zeit ist, sind LMO und Refraktions-DMO,im Gegensatz zu NMO und Reflexions-DMO, im Processing kommutativ. Die Kommutativit

¨at vereinfacht das urspr¨unglich in Analogie zur Reflexionsseismik entwickelte Processing.

Die Stapelung kann nach DMO (ohne vorherige LMO) mit den neigungsfreien

Stapelgeschwindigkeiten entlang schr¨ager Geraden erfolgen. F¨ur die iterative Geschwindigkeitsbestimmung

ben¨otigt man statt LMO-, DMO- und inverser LMO-Korrektur nur

eine einfache DMO-Korrektur. Diese Erkenntnis f¨uhrt zu dem in Kapitel 3 beschriebenen

Processingvorschlag.

Aus den Grundgleichungen konnte in Kapitel 4 ein DMO-Algorithmus entwickelt

werden. Dieser Algorithmus wirkt auf die fouriertransformierten COF-Wellenfelder. Der

Weg ¨uber den Frequenz-Wellenzahl-Bereich hat sich auch schon bei der Reflexions-DMO

bew¨ahrt (s. z.B. Hale, 1984; Jakubowicz, 1990). Ein o®ensichtlicher Vorteil beim Wechsel

des Koordinatensystems ist, daß die recht komplizierte und numerisch aufwendige

Operation der Faltung zu einer einfachen Multiplikation des Spektrums mit einem Operator

wird. Im DMO-Verfahren von Hale (1984) macht sich der Autor einen heuristischen

Ansatz zunutze. Es zeigt sich in dieser Arbeit, daß dieser heuristische Ansatz von Hale

(1984) auch f¨ur die Refraktions-DMO funktioniert. Der gewonnene DMO-Operator (Gl.

4.64) f¨ur die Spektren der COF-Familien wurde auf dem Rechner implementiert. Bei der

Implementierung der Refraktions-DMO f¨ur diskrete Wellenfelder m¨ussen die Eigenarten

der Diskreten Fouriertransformation beachtet werden. Zur Vermeidung des wrap-around-

E®ekts wurde deshalb eine Option zum Anf¨ugen von Nullspuren vorgeschlagen. Die bei

Migrationsalgorithmen immer auftretenden, st¨orenden Ausschmierungen an den Enden

der Laufzeitkurven, konnten durch eine Option zur Beschr¨ankung der ¨O®nungsweite teils

unterdr¨uckt werden.

Die Grundgleichungen lassen sich auch f¨ur eine theoretische Vorhersage ¨uber die Wirkungsweise

des Prozesses bei