The discovery of thousands of extra-solar planets around other stars raised interest about the diversity of planetary architectures, compositions and how such planets might form and evolve. Silica (SiO2), in this respect, is one of the most fundamental constituents in planetary science, being vastly abundant in the Earth’s crust and mantle, strongly affected by polymorphism at high pressures and serving as an archetype for the dense highly coordinated silicates of planetary interiors and large exoplanets. In this work, the high pressure behavior of four major SiO2 polymorphs as well as the structural analogue GeO2 were investigated by means of dynamic compression: α-quartz, fused silica, stishovite and α-cristobalite. Here, laser shock compression and dynamic diamond anvil cell (dDAC) techniques were applied and the concomitant use of hard X-ray radiation at synchrotron- and X-ray free electron laser (XFEL) facilities made a time-resolved investigation of the lattice response at high pressures possible. From laser shock compression, a phase transformation of α-quartz to stishovite, the high-pressure SiO2 polymorph, as well as to the metastable defective niccolite structure at pressures between 45 GPa and 94 GPa could be demonstrated. By using stishovite as the starting material, it was furthermore shown, that the stishovite structure is stable upon shock loading to 336 GPa, a result deviating strongly from equilibrium data. Moreover, melting of α-quartz, fused silica and α-cristobalite was observed at pressures greater than 119 GPa, 126 GPa and 70 GPa, respectively. A resulting recrystallisation from initially crystalline material was shown (α-quartz and α-cristobalite) but not from vitreous silica glass, which indicates a remaining short-range bonding within the melt, from which strong coalescence growth is deviated. The investigation of GeO2, by means of laser shock compression exhibited a phase transformation of an initially quartz-like structure towards the rutile structure at 19 GPa and, subsequently, a melt signature at peak pressures of 53 GPa and 104 GPa. Ultimately, from the dynamic compression of α-cristobalite by means of the dDAC, phase transitions to the high pressure polymorphs critobalite II, cristobalite X-I and seifertite was demonstrated. The pressure onset of these phase transitions are directly correlated to the applied compression rate, and it can be shown, that increasing compression rates can shift the transitions to higher pressures.
Die Entdeckung tausender extrasolarer Planeten (Exoplaneten) in anderen Sonnensystemen wirft neue Fragen in Bezug zu deren Zusammensetzung, Entstehung und Entwicklung auf, die durch experimentelle Untersuchungen geologischer Materialien entschlüsselt werden sollen. Siliziumdioxid (SiO2) ist hierbei eines der grundlegendsten Bestandteile, da es in unserer Erdkruste und im Erdmantel überdurchschnittlich häufig vorkommt und dessen Stabilität durch Hochdruckmodifikationen stark beeinflusst wird. In dieser Arbeit wurde das Hochdruckverhalten von vier SiO2 Modifikationen und dem strukturellen Analoges GeO2 mit Hilfe dynamischer Kompression durch Laser-induzierten Schock und der dynamischen Diamantstempelzelle (dDAC) untersucht: α-Quarz, Quarzglas, Stishovit und α-Cristobalit. Die gleichzeitige Verwendung harter Röntgenstrahlung eines Synchrotrons oder Freien- Elektronen-lasers (XFEL) ermöglicht eine zeitaufgelöste Untersuchung der Gitterstruktur dieser Materialien. Durch die Anwendung Laser induzierten Schock-Kompression wurde ein Phasenübergang von α-Quarz zu Stishovit, eine Hochdruckmodifikation von SiO2, und ein Phasenübergang zu einer metastabilen Struktur bei Drücken zwischen 45 und 94 GPa gezeigt. Nutzt man Stishovit als Startmaterial, blieb die Struktur bis zu einem Druck von 336 GPa unverändert, was einen starken Kontrast zu statischen Experimenten darstellt, in denen ein Phasenübergang zu der CaCl2 Hochdruckmodifikation beobachtet wurde. Zudem wurde das Schmelzverhalten von α-Quarz, Quarzglas und α-Cristobalit durch Röntgenbeugung bei Drücken von über 119 GPa, 126 GPa und 70 GPa gezeigt und ein Rekristallisationseffekt von ursprünglich kristallinem Material (α-Quarz und α-Cristobalit) bewiesen. Shock- Kompression von GeO2 wies eine Phasenumwandlung von einer Quarz-artigen Struktur zu der Rutil-Struktur bei einem Druck von 19 GPa und eine Schmelzsignatur bei Drücken von 53 GPa und 104 GPa auf. Durch die dynamische Kompression von α-Cristobalit mit der dDAC, wurden die Phasenübergänge zu den Hochdruckmodifikationen Critobalite II, Cristobalit X-I und Seifertit beobachtet. Die Drücke dieser Phasenübergänge hingen direkt von der angewandten Kompressionsrate ab, und zunehmende Kompressionsraten führten zu höheren Drücken der Phasenübergange.