The main focus of the present work was the Ge-rich part of the binary Ba – Ge system, in which by inspecting the behavior of the clathrate-I Ba8Ge43 under pressure, several new phases were found. The new phases in this system have the following compositions: BaGe3 (with two modifications), BaGe5, BaGe5.5 and BaGe6, therefore they are quite close in composition range: 75% - ~85% at. Ge. Concerning the conditions required for the synthesis of each phase, several combinations of temperature and pressure were employed in order to find a stability range. It was possible to establish such a formation range for all phases. In some cases two phases were found for a given conditions and in many other cases three or more phases were found to coexist. Thus, the stability range of pressure and temperature for single phase formation turned out to be very narrow. By inspecting of some structural features, for instance the interatomic distances, it is found that the average of the Ge – Ge distances change in line with the composition, i.e. the shorter contacts belong to BaGe6 while the longer distances are present in BaGe3 (both modification). An opposite trend is observed for the calculated density of each phase (neglecting the tI32 form of BaGe3): the lower density is found for BaGe3 and the denser compound is found to be BaGe6. Of course this is not coincidence, since due to the Ge content, BaGe6 has the largest molar mass. Similarly, by examining the density as a function of the interatomic distance. In such case, the denser compound is characterized by shorter Ge – Ge contacts, while the less dense phase holds the longest Ge – Ge contacts. This is in agreement with the building motifs within each crystal structure: columns in BaGe3 (open framework) passing through layers in BaGe5, ending in a three-dimensional network (closed framework) in BaGe6.

Depuis près de 55 ans, TIGF exploite, dans le sud-ouest de la France deux stockages de gaz naturel en aquifère. Le gaz stocké est essentiellement composé de méthane (CH4 à plus de 90 %), mais il contient également d’autres hydrocarbures légers (< C4H10), du diazote (N2), du dioxyde de carbone (CO2), de produits soufrés (H2S, mercaptans) et des composés métalliques présents sous formes de traces ou ultra-traces. L’objectif de la thèse est l’étude du transfert de ces composés vers l’aquifère avec comme cas d’étude : le mercure. Un dispositif expérimental a donc été conçu et développé pour (i) mesurer la solubilité dans l’eau du mercure gazeux présent dans le gaz stocké, ainsi que (ii) pour étudier les phénomènes d’adsorption sur la roche dans les conditions de pression (60 bar) et de température (45°C) du réservoir naturel. Les résultats expérimentaux obtenus en laboratoire ont été utilisés dans un modèle numérique afin de simuler le comportement du réservoir et évaluer notamment les quantités de mercure susceptibles de rester en son sein lors de l’exploitation du stockage. / For nearly 55 years, TIGF operates two gas storages in an aquifer in the southwest of France. The stored gas is mainly composed of methane (CH4 over 90%) but it also contains other light hydrocarbons (<C4H10), nitrogen (N2), carbon dioxide (CO2), sulfur compounds (H2S, mercaptans) and some metallic compounds at traces or ultra traces level. The objective of this thesis was to study the transfer of these compounds to the aquifer with special regard to mercury. An experimental device has been designed and developed to measure (i) the mercury solubility in water and (ii) to study the phenomena of adsorption on the rock in the natural reservoir’s conditions (60 bar and 45°C). The laboratory results were used in a numerical code to simulate the behavior of the reservoir and assess the mercury amount that may remain in it during the storage operation.

Les mécanismes d’exhumation des roches de haute-pression basse-température (HP-BT) au sein des zones de subduction sont nombreux, complexes et toujours activement débattus. L’étude des zones de subduction fossiles permet alors de mieux comprendre ces mécanismes, montrant notamment que l’exhumation des roches métamorphiques HP-BT est en grande partie accommodée le long de zones de cisaillement ductiles d’échelle crustale. Ce travail de thèse vise à contraindre la géométrie, la cinématique et la durée de l’histoire tectono-métamorphique des roches de HP-BT du complexe de subduction des Schistes Bleus Cycladiques située en Grèce. Un des objectifs est de contraindre, à différentes échelles, le calendrier de la localisation de la déformation au cours de l’exhumation dans le but de mieux comprendre le comportement mécanique des zones de subduction. Trois méthodes principales d’investigation ont été utilisées : i) une étude de terrain permettant de caractériser la géométrie, la cinématique et la distribution de la déformation, montrant notamment une localisation progressive de la déformation vers la base de l’unité des Schistes Bleus Cycladiques au cours de l’exhumation et le long de zones de cisaillement, ii) des outils de pétrologie métamorphique permettant de contraindre l’évolution P-T des roches métamorphiques au sein de la zone de subduction, et iii) des datations ⁴⁰AR/³⁹AR afin de déterminer le calendrier de l’histoire tectono-métamorphique des Schistes Bleus Cycladiques et de la localisation de la déformation au sein de zones de cisaillement d’échelle kilométrique à millimétrique associées à des degrés de rétromorphose variés. Une corrélation nette est clairement observée entre l’intensité de la déformation, le degré de rétromorphose et les âges les plus jeunes. Un des résultats de ce travail est que la préservation à l’affleurement d’éclogites et schistes bleus n’implique pas forcément une exhumation rapide. En effet, nos résultats suggèrent que l’unité des Schistes Bleus Cycladiques a enregistré une histoire d’exhumation longue d’environ 30 Ma. Le taux d’exhumation n’est donc pas le seul paramètre contrôlant le degré de rétromorphose des unités HP-BT, la remontée le long d’un gradient métamorphique froid dans le canal de subduction et la localisation progressive de la déformation ductile au cours de l’exhumation étant également des facteurs majeurs. / Exhumation mechanisms of high-pressure low-temperature (HP-LT) metamorphic rocks in subduction zones are complex and actively discussed. The study of fossilized subduction zones allows a better comprehension of these mechanisms, showing that exhumation of HP-LT rocks is mainly accommodated along crustal-scale ductile shear zones. This study aims at constraining the geometry, the kinematic and the timing of the tectonometamorphic history of the HP-LT Cycladic Blueschist Unit (CBU) cropping out in Greece. A main objective is to constrain the timing of strain localization at different scales during exhumation to better understand the mechanical behaviour of subduction zones. Three principal methods of investigation have been used, including i) a structural fieldwork that allows to characterize the geometry, the kinematic and the distribution of deformations, highlighting progressive strain localization during exhumation toward the base of the CBU and along shear zones, ii) a metamorphic petrology study aiming at determining the P-T evolution of the CBU, and iii) ⁴⁰AR/³⁹AR dating used to constrain the timing of the tectonometamorphic evolution of the CBU and the timing of strain localization within kilometre- to millimetre-scale shear zones showing different degrees of retrogression. We observe an obvious correlation between the intensity of finite deformation, the degree of retrogression and youngest mica ages. A major result of this thesis work is that the preservation of eclogite and blueschist-facies rocks does not necessarily imply fast exhumation rates. Our results instead suggest that the exhumation history of the CBU is relatively long, spanning over ca. 30 Ma. Consequently, it appears that the exhumation rate is not the main parameter controlling the degree of retrogression of HP-LT metamorphic rocks in the CBU compared to progressive strain localization during exhumation along a cold retrograde P-T evolution within the subduction channel.

West Anatolien, welches die östliche laterale Verlängerung der ägäischen Domäne darstellt, besteht aus mehreren tektono-metamorphen Einheiten, die Hochdruck/Niedrigtemperatur (HP/LT) Gesteine aufweisen. Einige dieser metamorphen Gesteine Zeugen der panafrikanischen oder der kimmerischen Orogenese sind, entstanden andere während die jüngere Alpine Orogenese. <br /> <br /> Das Menderes Massiv, in der SW Türkei, wird im N von Decken der Izmir-Ankara Suturzone, im E von der Afyon Zone sowie im S von den Lykischen Decken tektonisch überlagert. In den Metasedimenten der Lykischen Decken und dem darunterliegenden Menderes Massiv treten weitverbreitete Vorkommen von Fe-Mg-Carpholith-führenden Gesteinen auf. Diese neue Entdeckung belegt, dass beide Deckenkomplexe während der alpinen Orogenese unter HP/LT Bedingungen überprägt wurden. Die P-T Bedingungen für die HP-Phase liegen bei 10-12 kbar/400&#176;C in den Lykischen Decken und 12-14 kbar/470-500&#176;C im südlichen Menderes Massiv, was eine Versenkung von min. 30 km während der Subduktion und Deckenstapelung dokumentiert.<br /> <br /> Die Analyse der duktilen Deformation sowie thermobarometrische Berechnungen zeigen, dass die Lykischen Metasedimente unterschiedliche Exhumierungspfade nach der gemeinsamen HP-Phase durchliefen. In Gesteinen, die weiter entfernt vom Kontakt der Lykischen Decken mit dem Menderes Massiv liegen, lässt sich lediglich ein Hochdruck-Abkühlungspfad belegen, der mit einer &bdquo;top-NNE&ldquo; Bewegung an die Akçakaya Scherzone gebunden ist. Diese Scherzone ist ein Intra-Deckenkontakt, der in den frühen Stadien, innerhalb des Stabilitätsfeldes von Fe-Mg-Carpholith, der Exhumierung aktiv war. Die nahe am Kontakt mit dem Menderes Massiv gelegenen Gesteine weisen wärmere Exhumierungspfade auf, die mit einer &bdquo;top-E&ldquo; Scherung assoziiert sind. Diese Deformation erfolgte nach dem S-Transport der Lykischen Decken und somit zeitgleich mit der Reaktivierung des Kontakts der Lykischen Decken/Menderes Massiv als Hauptscherzone (der Gerit Scherzone), die eine späte Exhumierung der HP-Gesteine unter wärmeren Bedingungen erlaubte. Die Hochdruckgesteine des südlichen Menderes Massiv weisen eine einfache isothermale Dekompression bei etwa 450&#176;C während der Exhumierung nach. Die begleitende Deformation während der Hochdruckphase und der Exhumierung ist durch eine starke N-S bis NE-SW&ndash;Dehnung charakterisiert.<br /> <br /> Das Alter der Hochdruckmetamorphose in den Lykischen Decken kann zwischen oberster Kreide (jüngste Sedimente in der Lykischen allochthonen Einheit) und Eozän (Kykladische Blauschiefer) festgelegt werden. Ein mögliches Paläozänes Alter kann somit angenommen werden. Das Alter der Hochdruckmetamorphose in den Deckschichten des Menderes Massiv liegt demnach zwischen mittlerem Paläozän (oberste Metaolistostrome der Menderes &bdquo;Cover&ldquo;-Einheit) und dem mittleren Eozän (HP-Metamorphose in der Dilek-Selçuk Region des Kykladenkomplex). Apatit-Spaltspur-Daten von beiden Seiten des Kontakts der Lykischen Decken/Menderes Massiv lassen darauf schließen, daß diese Gesteine im späten Oligozän/frühen Miozän sehr nahe der Paläo-Oberfläche waren. <br /> <br /> Die hier dargestellten Arbeiten in den Lykischen Decken und im Menderes Massiv lassen auf die Existenz eines ausgedehnten alpinen HP-Metamorphose-Gürtels im SW der Türkei schließen. Die Hochdruckgesteine wurden im Akkretionskomplex einer N-wärtigen Subduktion des Neo-Tethys Ozeans gebildet, der spät-Kretazisch obduziert und dann in die früh-Tertiäre Kontinentalkollision des passiven Randes (Anatolid-Taurid Block) mit der nördlichen Platte (Sakarya Mikrokontinent) miteinbezogen war. Im Eozän bestand der Akkretionskomplex aus drei gestapelten Hochdruckeinheiten. Die Unterste entspricht dem eingeschuppten Kern und Hochdruck-&bdquo;Cover&ldquo; des Menderes Massivs. Die Mittlere besteht aus dem Kykladischen Blauschiefer-Komplex (Dilek-Selçuk Einheit) und die oberste Einheit wird von den Hochdruck Lykischen Decken gebildet. <br /> <br /> Während die Basiseinheiten der ägäischen und anatolischen Region tektonisch unterschiedliche Prä-mesozoische Geschichten durchliefen, wurden sie wahrscheinlich am Ende des Paläozikums zusammengeführt und durchliefen dann ein gemeinsame mesozoische Geschichte. Dann wurden die Basis und ihre Deckschichten, ebenso wie die Kykladischen Blauschiefer und Lykischen Decken, in ähnlich entstandene akkretionäre Komplexe während des Eozäns und Oligozäns involviert. / Western Anatolia that represents the eastward lateral continuation of the Aegean domain is composed of several tectono-metamorphic units showing occurrences of high-pressure/low-temperature (HP-LT) rocks. While some of these metamorphic rocks are vestiges of the Pan-African or Cimmerian orogenies, others are the result of the more recent Alpine orogenesis. <br /> <br /> In southwest Turkey, the Menderes Massif occupies an extensive area tectonically overlain by nappe units of the Izmir-Ankara Suture Zone in the north, the Afyon Zone in the east, and the Lycian Nappes in the south. In the present study, investigations in the metasediments of the Lycian Nappes and underlying southern Menderes Massif revealed widespread occurrences of Fe-Mg-carpholite-bearing rocks. This discovery leads to the very first consideration that both nappe complexes recorded HP-LT metamorphic conditions during the Alpine orogenesis. P-T conditions for the HP metamorphic peak are about 10-12 kbar/400&#176;C in the Lycian Nappes, and 12-14 kbar/470-500&#176;C in the southern Menderes Massif, documenting a burial of at least 30 km during subduction and nappe stacking. <br /> <br /> Ductile deformation analysis in concert with multi-equilibrium thermobarometric calculations reveals that metasediments from the Lycian Nappes recorded distinct exhumation patterns after a common HP metamorphic peak. The rocks located far from the contact separating the Lycian Nappes and the Menderes Massif, where HP parageneses are well preserved, retained a single HP cooling path associated with top-to-the-NNE shearing related to the Akçakaya shear zone. This zone of strain localization is an intra-nappe contact that was active in the early stages of exhumation of HP rocks, within the stability field of Fe-Mg-carpholite. The rocks located close to the contact with the Menderes Massif, where HP parageneses are completely retrogressed into chlorite and mica, recorded warmer exhumation paths associated with top-to-the-E intense shearing. This deformation occurred after the southward emplacement of Lycian Nappes, and is contemporaneous with the reactivation of the &rsquo;Lycian Nappes-Menderes Massif&prime; contact as a major shear zone (the Gerit shear zone) that allowed late exhumation of HP parageneses under warmer conditions. The HP rocks from the southern Menderes Massif recorded a simple isothermal decompression at about 450&#176;C during exhumation, and deformation during HP event and its exhumation is characterized by a severe N-S to NE-SW stretching.<br /> <br /> The age of the HP metamorphism recorded in the Lycian Nappes is assumed to range between the Latest Cretaceous (age of the youngest sediments in the Lycian allochthonous unit) and the Eocene (age of the Cycladic Blueschists). A probable Palaeocene age is suggested. The age of the HP metamorphism that affected the cover series of the Menderes Massif is constrained between the Middle Palaeocene (age of the uppermost metaolistostrome of the Menderes &rsquo;cover&prime;) and the Middle Eocene (age of the HP metamorphism in the Dilek-Selçuk region that belongs to the Cycladic Complex). Apatite fission track data for the rocks on both sides of the &rsquo;Lycian Nappes/Menderes Massif&rsquo; contact suggest that these rocks were very close to the paleo-Earth surface in the Late Oligocene-Early Miocene time.<br /> <br /> This study in the Lycian Nappes and in the Menderes Massif establishes the existence of an extensive Alpine HP metamorphic belt in southwest Turkey. HP rocks were involved in the accretionary complex related to northward-verging subduction of the Neo-Tethys Ocean, Late Cretaceous obduction and subsequent Early Tertiary continental collision of the passive margin (Anatolide-Tauride block) beneath the active margin of the northern plate (Sakarya micro-continent). During the Eocene, the accretionary complex was made of three stacked HP units. The lowermost corresponds to the imbricated &rsquo;core&prime; and HP &rsquo;cover&prime; of the Menderes Massif, the intermediate one consists of the Cycladic Blueschist Complex (Dilek-Selçuk unit), and the uppermost unit is made of the HP Lycian Nappes.<br /> <br /> Whereas the basement units of both Aegean and Anatolian regions underwent a different pre-Mesozoic tectonic history, they were probably juxtaposed by the end of the Paleozoic and underwent a common Mesozoic history. Then, the basements and their cover, as well as the Cycladic Blueschists and the Lycian Nappes were involved in similar evolutional accretionary complexes during the Eocene and Oligocene times.

Le stockage géologique du CO2 est une stratégie prometteuse pour limiter la concentration de CO2anthropique dans l’atmosphère. Les aquifères salins (AS) ont été identifiés comme des optionsviables car ils possèdent de grandes capacités potentielles de stockage. Toutefois, les processusrelatifs au piégeage du CO2 souffrent d’un manque de connaissances fondamentales car il existe peude méthodes d’expérimentation rapides et reproductibles, travaillant dans les conditions du stockagegéologique. Ainsi, nous avons développé des microréacteurs haute pression, véritables laboratoiresgéologiques sur puce (GLoCs), recréant les conditions de porosité et de perméabilité des AS pour :(i) Mesurer la solubilité du CO2 dans l’eau et les saumures via un couplage microsystèmes /spectroscopie Raman ;(ii) Etudier les mécanismes d’invasion du CO2 dans les formations géologiques, incluantnotamment les écoulements diphasiques en milieux poreux, les séparations de phases etla précipitation des carbonates. / CO2 geological storage is a promising strategy to control the anthropogenic CO2 concentration in theatmosphere. Deep saline aquifers (DSA) were identified as viable options since they exhibit largestorage capacity. However, processes inherent to CO2 trapping suffer from a lack of fundamentalknowledge, since there are too few fast and reproducible experimental approaches able to work atgeological storage conditions. Therefore, to address these limitations, we have developed highpressure microreactors, so-called “geological labs on a chip” - GloCs – allowing mimicking porosityand permeability conditions of DSA for:(i) Measuring solubility of CO2 in water and brine through the combination of microsystemsand confocal Raman spectroscopy,(ii) Studying invasion mechanisms of CO2 in geological formations, including in particularbiphasic flows in porous media, phase separation and carbonates precipitation.

TiAlN and TiAlN-based coatings that are used of relevance as protection of cutting tool inserts used in metal machining have been studied. All coatings were deposited by reactive cathodic arc evaporation using industrial scale deposition systems. The metal content of the coatings was varied by using different combinations of compound cathodes. The as-deposited coatings were temperature annealed at ambient pressure and in some cases also at high pressure. The resulting microstructure was first evaluated through a combination of x-ray diffraction and transmission electron microscopy. In addition, mechanical properties such as hardness by nanoindentation were also reported. TiAlN coatings with two different compositions were deposited on polycrystalline boron nitride substrates and then high pressure high temperature treated in a BELT press at constant 5.35 GPa and at 1050 and 1300 °C for different times. For high pressure high temperature treated TiAlN it has been shown that the decomposition is slower at higher pressure compared to ambeint pressure and that no chemical interaction takes place between TiAlN and polycrystalline cubic boron nitride during the experiments. It is concluded that this film has the potential to protect a polycrystalline cubic boron nitride substrate during metal machining due to a high chemical integrity. TiZrAlN coatings with different predicted driving forces for spinodal decomposition were furthermore annealed at different temperatures. For this material system it has been shown that for Zr-poor compositions the tendency for phase separation between ZrN and AlN is strong at elevated temperatures and that after spinodal decomposition stable TiZrN is formed.

The main focus of the present work was the Ge-rich part of the binary Ba – Ge system, in which by inspecting the behavior of the clathrate-I Ba8Ge43 under pressure, several new phases were found. The new phases in this system have the following compositions: BaGe3 (with two modifications), BaGe5, BaGe5.5 and BaGe6, therefore they are quite close in composition range: 75% - ~85% at. Ge. Concerning the conditions required for the synthesis of each phase, several combinations of temperature and pressure were employed in order to find a stability range. It was possible to establish such a formation range for all phases. In some cases two phases were found for a given conditions and in many other cases three or more phases were found to coexist. Thus, the stability range of pressure and temperature for single phase formation turned out to be very narrow. By inspecting of some structural features, for instance the interatomic distances, it is found that the average of the Ge – Ge distances change in line with the composition, i.e. the shorter contacts belong to BaGe6 while the longer distances are present in BaGe3 (both modification). An opposite trend is observed for the calculated density of each phase (neglecting the tI32 form of BaGe3): the lower density is found for BaGe3 and the denser compound is found to be BaGe6. Of course this is not coincidence, since due to the Ge content, BaGe6 has the largest molar mass. Similarly, by examining the density as a function of the interatomic distance. In such case, the denser compound is characterized by shorter Ge – Ge contacts, while the less dense phase holds the longest Ge – Ge contacts. This is in agreement with the building motifs within each crystal structure: columns in BaGe3 (open framework) passing through layers in BaGe5, ending in a three-dimensional network (closed framework) in BaGe6.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag auf der Synthese neuer binärer tetrelreicher Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle. Die Verbindungen wurden unter Hochdruck-Hochtemperaturbedingungen mit einer Vielstempelpresse bei Drücken bis 15 GPa und Temperaturen bis 1500 K synthetisiert und umfassend charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten binäre Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle, basierend auf der Analyse der auftretenden Strukturmotive, insbesondere in der anionischen Teilstruktur, und der Anzahl der homoatomaren Tetrel-Tetrel-Bindungen, klassifiziert werden. Sieben Gruppen können unterschieden werden: Strukturen mit dichtesten Packungen, isolierten Atomen und Tt2-Hanteln (und Vierecken), isolierten Polyanionen, Ketten und Bändern, Schichten und Netzwerken. Die letzte Gruppe kann weiter in die Untergruppen dreidimensionaler Netzwerke ohne unterscheidbare Polyanionen, mit unterscheidbaren Polyanionen und aus unterscheidbaren kondensierten Käfigen in der anionischen Teilstruktur eingeteilt werden. Bei den Verbindungen dieser Arbeit handelt es sich im Falle derer mit einer 1:3 Zusammensetzung um atomare Anordnungen mit kubisch dichtester Packung oder Schichtstrukturen. Die siliciumreicheren Verbindungen sind den Käfigverbindungen zuzuordnen. In den binären Systemen M-Tt (M = Ba, Sm, Lu) konnten die Tritetrele SmGe3, LuGe3 und BaSi3 erhalten werden. SmGe3 besitzt eine neue 2×2×2-Überstruktur des kubisch primitiven Cu3Au-Typs. Temperaturabhängige Messungen der magnetischen Suszeptibilität und des spezifischen elektrischen Widerstands zeigen metallisches Verhalten. LuGe3 ist isotyp zu DyGe3 und besitzt Ketten und Doppelschichten in der anionischen Ge-Teilstruktur. Messungen der magnetischen Suszeptibilität, der spezifischen Wärmekapazität und des spezifischen elektrischen Widerstands zeigen den Übergang in einen supraleitenden Zustand unterhalb einer Temperatur von 3.3(3) K. Um die Ge-Ketten mit im Vergleich zu elementaren Germanium langen Abständen dGe-Ge an Pulver- und Einkristalldaten näher zu charakterisieren, ist LuGe (FeB-Typ) mit dem Strukturmotiv eindimensionaler Germaniumketten als Referenzverbindung synthetisiert worden. Der Abstand in der eindimensionalen Germaniumkette steht in guter Übereinstimmung zu demjenigen in LuGe3 sowie zahlreicher weiterer Silicide und Germanide mit diesem Strukturmotiv. Die Bindungsanalyse der Ge-Ketten hat homoatomare Wechselwirkungen der Germaniumatome sowie heteroatomare Interaktionen unter Beteiligung von mehreren Lutetium- und Germaniumatomen ergeben. Im Falle von LuGe konnten sogar Hinweise auf Metall-Metall-Wechselwirkungen gefunden werden. Wechselwirkungen zwischen fünf Atomen konnten auch zwischen den Ge-Ketten und Lu in LuGe3 und zwischen dem jeweiligen Metallatom und den Tetrelschichten in BaSi3 bzw. -doppelschichten in LuGe3 gefunden werden. BaSi3 zeigt eine einzigartige atomare Anordnung, die als Deformationsvariante des CaGe3-Typs aufgefasst werden kann. Die Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands und Messungen der magnetischen Suszeptibilität deuten auf metallisches Verhalten hin. In den binären Systemen Mg-Si und Sr-Si sind siliciumreiche Verbindungen mit kondensierten Käfigen in der anionischen Teilstruktur gefunden worden. Die Bestimmung der Kristallstruktur von MgSi5 mittels Elektronendiffraktion hat die Grundlage für die Phasenbestimmung im Prozess der Syntheseoptimierung gebildet, was die Synthese von für Röntgendiffraktionsexperimente geeigneten Einkristallen ermöglicht hat. Die Kristallstruktur von MgSi5 (Raumgruppe Cmme) stellt einen neuen Typ eines Netzwerks vierbindiger Siliciumatome dar, welche Si15-Käfige um die Magnesiumatome bildet. Zwei Arten kleinerer Si8-Käfige bleiben leer. Die atomaren Wechselwirkungen werden durch zwei-Zentren-Bindungen innerhalb des Siliciumnetzwerks charakterisiert. Zusätzlich gibt es Wechselwirkungen unter Beteiligung von mehreren Magnesium- und Siliciumatomen in den großen Käfigen. Die Verbindung ist diamagnetisch. Sr8Si46 ist isotyp zu Na8Si46 (Clathtrat-I). Die Charakterisierung der Struktur ist an Pulver- und Einkristalldaten durchgeführt worden. Die Bindungsanalyse zeigt neben konventionellen kovalenten Bindungen innerhalb des Siliciumnetzwerks zusätzliche Wechselwirkungen zwischen mehreren Strontium- und Siliciumatomen in den Käfigen. Physikalische Messungen belegen den Übergang in den supraleitenden Zustand bei Temperaturen unterhalb von 3.8(3) K. Bei Normaldruck zersetzen sich die Hochdruckphasen, mit Ausnahme von LuGe, exotherm in Randphasen, die im jeweiligen Phasendiagramm stabil sind, und belegen damit ihren metastabilen Charakter. Die systematische Analyse von Zusammensetzungen und Tetrelkonnektivitäten in Polyanionen binärer tetrelreicher Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle hat eine Vielfalt von Motiven ergeben, deren Elektronenbilanz den klassischen Elektronenzählregeln nicht entspricht. Solche Grenzfälle zwischen Zintl-Phasen und intermetallischen Verbindungen können wichtige Einsichten in die chemische Bindung und Bausteine für die Entwicklung neuer Konzepte liefern. Diese Betrachtungen haben tetrelreiche Verbindungen mit der Zusammensetzung MTtx (M = Erdalkali- oder Seltenerdmetall, Tt = Si, Ge, x ≥ 3) als interessantes Arbeitsgebiet offenbart. Die Synthese dieser Verbindungen bedarf häufig Hochdruck-(Hochtemperatur)-Bedingungen. Während metallreiche Verbindungen meist dicht gepackte Strukturen aufweisen, in denen ionische Wechselwirkungen eine große Rolle spielen, wird die Bedeutung kovalenter Wechselwirkungen in tetrelreichen Verbindungen mit der Zusammensetzung MTtx (M = Erdalkali- oder Seltenerdmetall, Tt = Si, Ge, x ≥ 3) beispielsweise durch die Ähnlichkeit der normierten Volumina zu denen der entsprechenden Tetrele beleuchtet. Diese kovalenten Wechselwirkungen gehen meist mit metallischer Leitfähigkeit und in einigen Fällen mit Supraleitung einher. Zahlreiche dieser tetrelreichen Verbindungen überschreiten den Gültigkeitsbereich der 8-N-Regel und weisen keine elektronenpräzise Elektronenbilanz gemäß dem Zintl-Konzept auf. Die Untersuchung der interatomaren Abstände, Koordination und der chemischen Bindung schafft die Grundlage für die Entwicklung eines Konzepts zum Verständnis von Verbindungen, die sich an der Grenze zwischen Zintl-Phasen und intermetallischen Verbindungen befinden. Die Analyse der chemischen Bindung hat für die untersuchten Verbindungen Elektronenpaare offenbart, die in einem isolierten Molekül freien Elektronenpaaren entsprechen würden und die zu Wechselwirkungen zwischen der anionischen Partialstruktur und den Metallatomen beitragen.:Danksagung I 1. Einleitung 1 2. Grundlagen 3 2.1. Bindungskonzepte in polaren intermetallischen Phasen 3 2.1.1. Zintl-Klemm-Konzept 3 2.1.2. Quantenchemische Berechnungen zur Analyse der chemischen Bindung 4 2.2. Einfluss von Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen auf Materie 6 2.2.1. Hochdruck-Hochtemperaturmethoden im Überblick 8 2.2.2. Thermodynamische und kinetische Betrachtungen 10 2.2.3. Strukturelle Phasenumwandlungen unter Druck 12 2.2.4. Hochdruckmodifikationen der Tetrele 13 3. Methodik 15 3.1. Präparative Methoden 15 3.1.1. Edukte 15 3.1.2. Ausgangsverbindungen 15 3.1.3. Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese 16 3.2. Charakterisierung 22 3.2.1. Thermische Analyse 22 3.2.2. Pulverröntgendiffraktometrie 22 3.2.3. Einkristallröntgendiffraktometrie 23 3.2.4. Chemische Analyse 23 3.2.5. Dichtebestimmung 24 3.2.6. Metallographische Analyse 24 3.2.7. Transmissionselektronenmikroskopie 25 3.2.8. Kernspinresonanzspektroskopie 26 3.2.9. Quantenchemische Berechnungen 27 3.2.10. Physikalische Eigenschaften 28 4. Ergebnisse 33 4.1. Strukturelle Klassifikation binärer Silicide und Germanide mit Erdalkaliund Seltenerdmetallen 33 4.2. SmGe3 38 4.2.1. Synthese 38 4.2.2. Charakterisierung 38 4.3. LuGe 45 4.3.1. Darstellung 45 4.3.2. Charakterisierung 45 4.4. LuGe3 51 4.4.1. Synthese 51 4.4.2. Charakterisierung 52 4.5. BaSi3 62 4.5.1. Darstellung 62 4.5.2. Charakterisierung 62 4.6. MgSi5 72 4.6.1. Synthese 72 4.6.2. Charakterisierung 73 4.7. Sr8Si46 80 4.7.1. Präparation 80 4.7.2. Charakterisierung 80 4.8. Diskussion 91 4.8.1. Dichteste Packung in SmGe3 91 4.8.2. Ketten in LuGe und LuGe3 93 4.8.3. Schichten in BaSi3 und LuGe3 94 4.8.4. Kristallchemischer Vergleich von dichtesten Packungen, isolierten Polyanionen, Ketten und Schichten in Tritetreliden 95 4.8.5. Käfigverbindungen MgSi5 und Sr8Si46 101 5. Vergleichende Diskussion binärer Silicide und Germanide der Erdalkali- und Seltenerdmetalle 105 6. Zusammenfassung 113 Literaturverzeichnis 117 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 153 Abbildungsverzeichnis 157 Tabellenverzeichnis 167 Publikationen 169 Lebenslauf 171 Beiträge zu dieser Arbeit 173 A. Anhang 175 A.1. Grundlagen 175 A.1.1. Hochdruckmodifikationen der Tetrele 175 A.1.2. Bekannte binäre Silicide und Germanide mit Erdalkali- und Seltenerdmetallen 175 A.2. Methodik 179 A.2.1. Edukte 179 A.3. Ergebnisse 179 A.3.1. Sm3Ge5 179 A.3.2. SmGe3 181 A.3.3. MgSi5 181 A.4. Vergleichende Diskussion der binären Silicide und Germanide dieser Arbeit 182 B. Anhang 183 B.1. Ergebnisse 183 B.1.1. SmGe3 183 B.1.2. LuGe 185 B.1.3. LuGe3 188 B.1.4. BaSi3 192 B.1.5. MgSi5 195 B.1.6. Sr8Si46 203 Eidesstattliche Erklärung 210

The goal for this research was to reduce the current manufacturing cost of the polycrystalline diamond compact (PDC) inserts utilized in the natural gas and oil drilling industry while not reducing their current performance. Polycrystalline Diamond is added to the tungsten-carbide (WC) substrates commonly utilized in these applications because of its greater wear and thermal resistance. With the current cube cell design for the high-pressure/high-temperature apparatus, it is necessary to bond an extra WC substrate to the polycrystalline diamond insert to achieve the sizes generally ordered by the customers. The problem of bonding the extra WC substrate was solved by increasing the operating volume of the cube cell assembly and changing the heating pattern within the cell while maintaining the temperature and the pressure required for the successful diamond sintering.The new cell design was proposed and tested. The test data were captured and analyzed to prove the hypotheses. The proposed manufacturing methods resulted in reduced cost, processing time, and reduced the need for equipment and operators without diminishing the performance of the PDC insert.

In dieser Dissertation wird die Darstellung tetrelreicher Seltenerdmetall–Verbindungen in den Systemen SE:Tt (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb, Ho, Lu; Tt = Si, Ge) und die Charakterisierung ihrer Eigenschaften beschrieben. Diese Verbindungen, welche mittels der Hochdruck–Hochtemperatur–Methode dargestellt wurden, zeigen neuartige Verknüpfungsmuster in der Tetrel–Partialstruktur. Neben der Charakterisierung der Verbindungen hinsichtlich der thermischen Stabilität und der physikalischen Eigenschaften bei Normaldruck wurde bei den Germanium–reichen Seltenerdmetall–Verbindungen eine Untersuchung der Veränderungen der Kristallstruktur bei Variation des Drucks oder der Temperatur vorgenommen. Die dargestellten Seltenerdmetall–Trisilicide SESi3 (SE = Gd, Ho, Lu) kristallisieren tetragonal isotyp zu YbSi3. LuSi3 zeigt Supraleitung mit Tc = 7.0 K. In den Systemen Gd–Si und SE–Ge (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb) wurden die Verbindungen GdSi5 und SEGe5 (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb) synthetisiert. Sie kristallisieren orthorhombisch isotyp zu LaGe5. Durch in–situ Röntgenbeugungsexperimente bei erhöhten Temperaturen kann die Existenz metastabiler Germanium–ärmerer Verbindungen SE2Ge9 (SE = Nd, Sm) nachgewiesen werden. Es handelt sich um Defektvarianten der Verbindungen SEGe5 (SE = Nd, Sm). Die strukturelle Verwandtschaft zum Aristotyp SEGe5 wird anhand einer Gruppe–Untergruppe–Beziehung aufgezeigt. Eine alternative Synthesemethode zur Darstellung tetrelreicher Verbindungen mit Gerüststrukturen bei extremen Reaktionsbedingungen stellt das Spark–Plasma–Sinterverfahren (SPS) dar. Die Darstellung der Clathratphase Ba8Ga16±xGe30∓x (x = 0, 1) erfolgte mittels SPS aus den Precursoren BaGa2±x (x = 0, 0.125) und Germanium. Die Untersuchungen der thermoelektrischen Eigenschaften zeigen, dass durch Variation der nominellen Zusammensetzung sowohl n–leitende als auch p–leitende Eigenschaften erhalten werden können. / In this thesis the synthesis of tetrel–rich rare–earth metal compounds in the systems RE:Tt (RE = La, Nd, Sm, Gd, Tb, Ho, Lu; Tt = Si, Ge) and the characterization of their properties is described. These compounds, synthesized by means of high–pressure high–temperature method, show new structural motifs in the tetrel partial structure. The compounds were characterized with respect to their thermal stability and their physical properties at ambient pressure. In addition, the changes in the crystal structure of the germanium-rich rare–earth metal compounds by variation of pressure or temperature were investigated. The synthesized rare–earth trisilicides SESi3 (SE = Gd, Ho, Lu) crystallize tetragonal, isotypic to YbSi3. LuSi3 is a superconductor with Tc = 7.0 K. In the systems Gd–Si and SE–Ge (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb) the compounds GdSi5 and SEGe5 (SE = La, Nd, Sm, Gd, Tb) were synthesized. They crystallize orthorhombic isotypic to LaGe5. Using in-situ high–temperature X-ray experiments the metastable germanium-poorer compounds SE2Ge9 (SE = Nd, Sm) could be observed. These compounds are defect variants of the pentagermanides SEGe5 (SE = Nd, Sm). The structural relationship to the aristotype SEGe5 is given via a group-subgroup relation. An alternative synthesis route for the preparation of tetrel–rich compounds with framework structures at extreme reaction conditions is the spark plasma sintering method (SPS). The clathrate phase Ba8Ga16±xGe30∓x (x = 0, 1) was synthesized from the precursors BaGa2±x (x = 0, 0.125) and germanium by means of SPS. The investigation of the thermoelectric properties shows, that through variation of the nominal composition both n-type and p-type conduction properties can be obtained.