Electrical conductivity and hydrogen diffusion in synthetic orthopyroxene single-crystals

Abstract

Ladungstransportmechanismen und der protonische Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit in synthetischen Orthopyroxen Einkristallen konnten durch die Kombination der experi-mentell bestimmten Wasserstoff Diffusivität und elektrischen Leitfähigkeit abgeleitet werden. Dehydrierungsexperimente wurden mit aluminiumhaltigem Enstatit und Orthopyroxenen mit drei verschiedenen Fe/Al-Verhältnissen durchgeführt. Die Ergebnisse bestätigen die frühere Feststellung, dass Eisen die Dehydrierung beschleunigt, da es die Ladung des entweichenden Wasserstoffs durch einen Gegenfluss aus Elektronenlöchern ausgleicht. Dadurch können die Wasserstoffatome unabhängig vom assoziierten Punktdefekt diffun-dieren. Die Vermutung, dass Aluminium die Dehydrierung verlangsamt durch die Bildung von vergleichsweise stabilen Punktdefektkomplexen, wurde ebenfalls bestätigt. H/D-Austausch-Experimente wurden an reinem und aluminiumhaltigem Enstatit und einem Fe-und Al-haltigen Orthopyroxen durchgeführt. In Orthopyroxen mit 0-3 Gew.-% FeO Gesamt-Eisen, ist der H/D-Austausch um etwa zwei Größenordnungen schneller als die Dehydrierung. In Orthopyroxen mit 6-10 Gew.-% FeO Gesamt-Eisen, ist die Dehydrierung ähnlich dem H/D-Austausch in reinem Enstatit, was darauf hindeutet, dass Wasserstoff in beiden Fällen unabhängig vom zugehörigen Punktdefekt diffundiert. Wie die Dehydrierung, ist auch der H/D-Austausch in Al-haltigem Enstatit gegenüber reinen Enstatit verlangsamt, was die höhere Stabilität von Wasserstoff-Aluminium-Punktdefekten widerspiegelt. Die elektrische Leitfähigkeit von synthetischen und natürlichen wasserstoffhaltigen Ortho-pyroxenen zeigte nur eine geringe Korrelation mit dem Wasserstoffgehalt in eisenfreiem Enstatit, und keine Korrelation in eisenhaltigem Orthopyroxen. Durch den Vergleich der Aktivierungsenergien der elektrischen Leitfähigkeit und der Wasserstoff-diffusion konnten drei Leitungsmechanismen abgeleitet werden: Protonenleitung durch Wasserstoff, Polaro-nenleitung durch Eisen-Redoxreaktionen und Ionenleitung durch Oktaedervakanzen. In Orthopyroxen mit >5 Gew.-% FeO Gesamt-Eisen, sind Protonen- und Polaronenleitung gekoppelt, und Polaronenleitung ist der wichtigste Ladungstransport-mechanismus. Im Vergleich zu eisenarmem und eisenfreiem Enstatit, ist die elektrische Leitfähigkeit 0,5-1 Größenordnung höher. Bei niedrigem Eisengehalt ist der Mechanismus der Protonen-leitung ähnlich dem des H/D-Austausches in reinem Enstatit. Obwohl die aluminium-haltigen Enstatite bis zu zehnmal mehr Wasserstoff enthielten als reiner Enstatit, zeigten beide sehr ähnliche elektrische Leitfähigkeiten. Das deutet darauf hin, dass der Anteil an Wasserstoff, der in Verbindung mit Aluminium eingebaut ist, nicht zur elektrischen Leitung beiträgt.