Marine structures must withstand the corrosive effects of salt water in a way that is low cost, reliable, and environmentally friendly. Aluminum satisfies these conditions, and would be a good choice for a sacrificial anode to protect steel structures if it did not passivate. However, various elements can be added to aluminum to prevent this passivation. Currently, Al-Ga alloys are used commercially as sacrificial anodes but their performance is not consistent. In this research, Thermo-Calc software was used to simulate various aspects of the Al-Ga system in an attempt to understand and potentially correct this reliability issue. Simulations showed that gallium segregates to the grain boundaries during solidification and then diffuses back into the grains during cooling to room temperature. Simulations also suggest that faster cooling rates and larger grains cause the potential segregation of gallium at the grain boundaries to remain after cooling. A set of aluminum plus 0.1% weight percent gallium alloy plates were produced with varying cooling rates, along with a control set (cooled slowly in a sand mold). Some samples were later homogenized via annealing. Samples were subjected to a 168 hour long galvanostatic test to assess voltage response. The corrosion performance of samples was found to have both consistent and optimal voltage range when subjected to quick cooling rates followed by annealing. Testing samples at near freezing temperature seems to completely remove optimal corrosion behavior, suggesting that there are multiple causes for the voltage behavior. / Master of Science / Ships must withstand the corrosive effects of salt water in a way that is low cost, reliable, and environmentally friendly. Aluminum has properties which could allow a plate of it to rust instead of a ship it is attached to, thus protecting the ships from rusting. However, because aluminum usually does not rust, gallium can be added to aluminum to allow it to rust. Currently, aluminum-gallium alloys are used commercially to protect ships, but their performance is not consistent. In this research, various aspects of the aluminum-gallium system were simulated in an attempt to understand and potentially correct this reliability issue. Simulations showed that the gallium concentration may not be uniform in the alloy, and various conditions can cause the gallium concentration to be inconsistent. A set of aluminum-gallium alloy plates were cast in molds from liquid aluminum. Some of the plates were cooled quickly, and some cooled slowly. Some samples were later heated in an oven at high temperatures in an attempt to even out the gallium concentration. Samples were subjected to tests to observe corrosion behavior. The corrosion performance of samples was found to be best when subjected to quick cooling rates followed by the oven heating. Testing the samples in cold temperatures seemed to remove the desired corrosion behavior, suggesting that there are multiple reasons for the inconsistent corrosion behavior of aluminum gallium.

No description available.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von hexagonalen GaN/(Al,Ga)N-Heterostrukturen mittels reaktiver Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf SiC(0001)-Substraten. Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, optischen und elektrischen Eigenschaften der Proben wird untersucht. Die reaktive MBE von Gruppe-III-Nitriden nutzt die katalytische Dekomposition von NH3 als Stickstoff-Precursor. Im Vergleich zur plasma-unterstützten MBE und metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOCVD) ist dieses Abscheideverfahren eine noch wenig etablierte Methode, um kristalline (Al,Ga)N-basierende Heterostrukturen herzustellen. Es wird eine Einführung in das Verfahren und die Oberflächenchemie der reaktiven MBE gegeben. Die Synthese von (Al,Ga)N-Pufferschichten auf SiC(0001) wird diskutiert. Eine Prozedur zur Präparation der SiC-Substrate wird vorgestellt. Eine Methode zur in situ-Kontrolle der Wachstumsparameter wird erarbeitet, die auf der Beugung von hochenergetischen Elektronen (RHEED) beruht und ein reproduzierbares (Al,Ga)N-Wachstum ermöglicht. Die Pufferschichten haben atomar glatte Oberflächen, die sich für eine weitere Abscheidung von GaN/(Al,Ga)N-Heterostrukturen eignen. Es werden die strukturellen und optischen Eigenschaften solcher Strukturen studiert und mit Proben verglichen, die mittels plasma-unterstützter MBE und MOCVD hergestellt werden. Im Vergleich zu den übrigen III-V-Halbleitern zeichnen sich die hexagonalen Nitride besonders durch die Größe ihrer elektrischen Polarisationsfelder aus. GaN/(Al,Ga)N-Multiquantenwell-Strukturen (MQWs) mit unterschiedlichen Well-Dicken werden auf GaN- und (Al,Ga)N-Pufferschichten gewachsen. Es werden die Auswirkungen der spontanen Polarisation und Piezopolarisation auf die optischen Eigenschaften der MQWs studiert. Im speziellen wird - experimentell und theoretisch - gezeigt, daß die polarisationsbedingten elektrischen Felder in GaN/(Al,Ga)N-MQWs nicht durch hohe Dichten von freien Ladungsträgern abgeschirmt werden können. Ferner wird der Einfluß der GaN/(Al,Ga)N-Grenzflächenmorphologie auf die optischen Eigenschaften studiert. Das Wachstum von (Al,Ga)N/GaN-Heterostruktur-Feldeffekt-Transistoren (HFETs) auf semiisolierenden (Al,Ga)N-Puffern wird untersucht. Diese Heterostrukturen zeichnen sich durch eine geringe Dichte an Fadenversetzungen (1-2 x 108 cm-2) und durch das Fehlen jeglicher Parallelleitfähigkeit aus. Für diese Strukturen, die Beweglichkeiten von bis zu 750 cm2/Vs bei Raumtemperatur zeigen, werden Simulationen der temperaturabhängigen Beweglichkeiten unter Beachtung aller wichtigen Streumechanismen durchgeführt. In Übereinstimmung mit der Sekundärionenspektrometrie an diesen Proben wird belegt, daß die Transistoreigenschaften dominant durch tiefe Störstellen - sehr wahrscheinlich As - begrenzt werden. Es wird die Synthese von spannungskompensierten GaN/(Al,Ga)N-Bragg-Reflektoren mit Reflektivitäten von über 90% im blauen Spektralbereich vorgestellt. Die experimentelle Realisierung basiert auf der exakten Bestimmung der individuellen Schichtdicken durch die Simulation der gemessenen Röntgenbeugungsprofile und Reflektivitätsspektren. Die mittels Laserstreuung abgeschätzten Reflektivitätsverluste können durch NH3-reiche Synthesebedingungen reduziert werden. / In this thesis, we investigate the synthesis of wurtzite (Al,Ga)N heterostructures on SiC(0001) by reactive molecular beam epitaxy (MBE). We examine the impact of growth conditions on the structural, morphological, optical and electrical properties of the films. MBE of group-III nitrides is almost entirely based on the use of an N2 plasma discharge for providing reactive N. However, an alternative and attractive candidate for producing N radicals is NH3, which decomposes on the growth front by a catalytic reaction even at comparatively low temperatures. The basic growth technique and surface chemistry of reactive MBE is introduced. The deposition of (Al,Ga)N buffer layers on SiC(0001) substrates is discussed. An ex-situ cleaning procedure for the SiC substrates is presented. An in-situ method for the reproducible growth of these buffers layers is developed based on reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The layers have atomically smooth surfaces well suited for the growth of GaN/(Al,Ga)N heterostructures. The structural and optical properties of these buffers are compared to such layers grown by plasma-assisted MBE and metal organic vapor phase deposition (MOCVD), respectively. Compared to other III-V semiconductors hexagonal nitrides exhibit huge electrical polarization fields. GaN/(Al,Ga)N multiple quantum wells (MQWs) with different well thicknesses are deposited on GaN and (Al,Ga)N buffer layers, respectively. It is demonstrated that the electric field in the quantum wells (QWs) leads to a quantum-confined Stark shift of the QW emission, which thus can fall well below the bulk GaN band-gap energy. In the opposite, it is proved that the strain state of the QWs alone has little impact on the electric fields in MQWs. The optical properties of these heterostructures are studied by stationary and time-resolved photoluminescence and compared with the results of self-consistent Schrödinger-Poisson calculations. It is shown that the recombination dynamics in heavily doped MQWs (7 x 1018 cm-3) is still controlled by residual fields, contrary to the common assumption that flat-band conditions are achieved at this doping level. Furthermore, the influence of the interface roughness on the QW emission widths is analyzed. The growth of (Al,Ga)N/GaN heterostructure field effect transistors (HFETs) on semi-insulating (Al,Ga)N buffers is studied. Temperature dependent Hall measurements show a mobility of up to 750 cm2/Vs and 1400 cm2/Vs at 300 K and 77 K, respectively. Transmission electron microscopy reveals the (Al,Ga)N/GaN interface to be abrupt and the dislocation density to be too low to limit the HFET mobility. However, secondary ion mass spectroscopy detects a significant concentration of As in the channel region. Indeed, an excellent fit to the temperature dependence of the mobility is obtained by including scattering with As. The synthesis and analysis of highly reflective and conductive GaN/(Al,Ga)N Bragg reflectors is examined. The realization of these Bragg mirrors is based on the exact determination of the structural parameters by simulating x-ray diffraction profiles and corresponding reflectivity spectra. To prevent cracking from these thick stacks, a concept of strain-balanced multilayer structure is employed. It is demonstrated that the difference between the theoretical and the measured maximum reflectivity can be minimized by growing the Bragg mirrors under NH3 stable growth conditions.

Im binären Mn-Ga-System wurde für Legierungen mit 55 at.% bis 65 at.% Mangan die Phasenbildung der L10-Phase mit Röntgenbeugung und Differenzialkalorimetrie untersucht. Nach der Herstellung der L10-Phase in allen Legierungen erfolgte eine Untersuchung der intrinsischen magnetischen Eigenschaften. Die Mn55Ga45-Legierung zeigte dabei die höchste Sättigungsmagnetisierung mit µ0Ms = 0,81 T. Für diese Legierung erfolgten deshalb Versuche zur Verbesserung der extrinsischen Eigenschaften. Dazu wurden Pulver gemahlen und die Möglichkeit der Ausrichtung im Magnetfeld untersucht. Dabei konnte ein Texturgrad von 0,45 für Pulver mit einer Partikelgröße kleiner 10 µm erreicht und die Koerzitivfeldstärke um das 7-fache gegenüber der Volumenprobe erhöht werden. Weiterhin konnten die Pulverproben durch Heißkompaktieren bei 400 °C erneut zu einer Volumenprobe gepresst werden. Die dabei erhaltene Probe besitzt eine Koerzitivfeldstärke von 0,16 T und eine leicht reduzierte Sättigungsmagnetisierung auf Grund einer Packungsdichte von 83 %. Im ternären Mn-Al-Ga-System wurden Proben der Sollzusammensetzung Mn55Al45-xGax mit 5,625 < x < 22,5 hergestellt. Für Legierungen mit x >= 11,86 erwies sich eine Wärmebehandlung bei 600°C für 24 Stunden als ausreichend die reine L10-Phase zu erzeugen. Bei den Legierungen mit einem geringeren Ga-Anteil war eine zweistufige Wärmebehandlung notwendig, um ausschließlich L10 zu erhalten. Nach der ersten Wärmebehandlung bei 1100 °C entstand ein Phasengemisch aus gamma2 und L10(epsilon). Letzteres wurde aus der epsilon-Hochtemperaturphase gebildet. Durch die anschließende Wärmebehandlung bei 500 °C für 24 Stunden konnte die verbleibende gamma2-Phase in L10(gamma2) umgewandelt werden. Untersuchungen der lokalen Legierungszusammensetzung ergaben einen geringeren Mn-Anteil der L10(gamma2)-Phase im Vergleich zu L10(epsilon). Die Unterschiede in den zwei L10-Phasen konnten weiterhin durch eine Reflexaufspaltung in den Röntgenbeugungsaufnahmen sowie der Existenz zweier Curie-Temperaturen bestätigt werden. Die gemessenen Sättigungsmagnetisierungen ergaben eine Superposition beider Phasen und einen maximalen Wert von µ0Ms = 0,85 T. Untersuchungen der thermischen Stabilität der L10-Phasen bei 700 °C zeigten, dass die L10(gamma2)-Phase thermisch stabil ist und sich die L10(epsilon)-Phase langsam in beta-Mn und gamma2 zersetzt. Bei der Zersetzung war im Vergleich zum binären Mn-Al-System eine starke Steigerung der thermischen Stabilität durch die Substitution geringer Mengen Galliums zu erkennen. Über die zersetzungsbedingte Reduktion der Magnetisierung konnten Abschätzungen der Zersetzungskinetik getroffen werden.

Two dimensional (2D) systems with low carrier density is an outstanding platform for studying a wide spectrum of physics. These include both classical and quantum effects, arising from disorder, Coulomb interactions and even non-trivial topological properties of band-structure. In this thesis, we have explored the physics at low carrier number density in GaAs/AlGaAs heterostructure and bilayer graphene, by investigating in a larger phase space using a variety of electrical measurement tools. A two-dimensional electron system (2DES) formed in a GaAs/AlGaAs heterostructure offers an avenue to build a variety of mesoscopic devices, primarily because its surface gates can very effectively control its carrier density profile. In the first half of the thesis, we study the relevance of disorder in two kinds of devices made in a 2DES. A very strong negative gate voltage not only reduces the carrier density of the 2DES, but also drives it to a disordered state. In this state, we explore a new direction in parameter space by increasing in-plane electric field and investigating its magneto-resistance (MR). At sufficiently strong gate voltage and source-drain bias, we discover a remarkably linear MR. Its enormous magnitude and weak temperature dependence indicate that this is a classical effect of disorder. In another study, we examine a specially designed dual-gated device that can induce low number density in a periodic pattern. By applying appropriate gate voltages, we demonstrate the formation of an electrostatically tunable quantum dot lattice and study the impact of disorder on it. This work is important in paving way for solid state based platform for experimental simulations of artificial solids. The most striking property of bilayer graphene is the ability to open its band gap by a perpendicular electric field, giving the prospects of enabling a large set of de-vice applications. However, despite a band gap, a number of transport mechanisms are still active at very low densities that range from hopping transport through bulk to topologically protected 1D transport at the edges or along 1D crystal dislocations. In the second half of the thesis, we have used higher order statistical moment of resistance/conductance fluctuations, namely the variance of the fluctuations, to complement averaged resistance/conductance, and study and infer the dominant transport mechanism at low densities in a gapped bilayer graphene. Our results show possible evidence of percolative transport and topologically protected edge transport at different ranges of low number densities. We also explore the same phase space by studying its mesoscopic conductance fluctuations at very low temperatures. This is the first of its kind systematic experiment in a dual-gated bilayer graphene device. Its conductance fluctuations have several anomalous features suggesting non-universal behaviour which is at odds with conventional disordered systems.