Die Herstellung keramischer Filter für den Einsatz in der Eisen- und Stahlschmelzfiltration ist mittels viskoplastischer Formgebung möglich. Es wurden keine Trägermaterialien verwendet und weitestgehend wurde ohne Zusatz organischer Additive gearbeitet. Wesentliche Ziele der Anwendung dieser Technologie waren dabei eine Festigkeitssteigerung gegenüber herkömmlichen Schaumkeramikfiltern, da keine Hohlstege, sondern Vollstrukturen erzeugt werden und die Kostenreduzierung der Gesamtbilanz, da der Brennprozess günstiger wird (es werden keine Filteranlagen mehr benötigt) und Kosten für Schäume entfallen. Eine entsprechende Struktur kann mit der Kolbenpresse in Form von ungeordneten Strängen erzeugt werden - die so genannten Spaghettifilter. Die Auswertung der Gussstücke aus Gießversuchen mit Eisenschmelze wurde mittels 3D-CT Röntgentomographie durchgeführt. Der Filtrationswirkungsgrad der Schaumfilter ist nach dieser Methode höher als der der Spaghettifilter. Die 3D CT Röntgentomographie kommt eventuell als eine einfache und zerstörungsfreie Methode zur Beurteilung der Filtrationswirkung in Frage. Das Anlegen einer Spannung im System Filter / Schmelze zeigt nach ersten Versuchen chancenreiche Ergebnisse. Durch den Polarisationseffekt kann eine Erhöhung der Abscheideeffizienz bei Schaumkeramikfiltern erreicht werden kann. Die Spaghettifilter zeigen keine Erhöhung durch spannungsunterstützte Filtration.

Die Herstellung von Kompositschichten aus unterschiedlichen Materialien mit verbesserten Schichteigenschaften stellt einen in den letzten Jahren intensiv erforschten Bereich der Dünnschichttechnik dar. Eine Methode zur Präparation solcher Kompositschichten besteht darin, Nano- oder Mikropartikel in eine Matrix aus einem anderen Material einzubringen. In der vorliegenden Arbeit werden so bis zu einige Mikrometer dicke Kompositschichten untersucht, die mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden und die bis zu 30 Gew.-% Wolframdisulfid-Partikel enthalten, welche als anorganische Fullerene typische Teilchengrößen von etwa 100 nm bis 200 nm aufweisen. Zwei unterschiedliche Arten an Kompositschichten mit eingebetteten Partikeln aus Wolframdisulfid werden hergestellt: Zum einen Schichten mit einer deutlich steiferen Matrix aus Aluminiumoxid und zum anderen Schichten mit einer Matrix aus organisch modifiziertem Siliziumoxid. Die strukturelle Charakterisierung der Schichten erfolgt über verschiedene analytische Verfahren. So werden die Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung der Schichten mit Hilfe von Röntgenbeugungs- und Röntgenfluoreszenzmessungen sowie energiedispersiver Röntgenspektroskopie ermittelt. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie werden verwendet, um Aufschluss über die Verteilung der Wolframdisulfid-Partikel und ihren Einschluss in die jeweilige Matrix zu erhalten. Weiterhin werden die Rauheit und das Versagen der Schichthaftung auf dem Substrat untersucht. Der Einfluss der inkorporierten Partikel sowie der Herstellungstemperatur der Proben auf die mechanischen Eigenschaften der Kompositschichten wie Härte und E-Modul werden experimentell mit Nanoindentationsmessungen sowie theoretisch mittels verschiedener Modelle für effektive Materialien ermittelt. Schließlich erfolgt eine Charakterisierung der tribologischen Eigenschaften der Kompositschichten im Vergleich zu undotierten Schichten aus Aluminiumoxid oder organisch modifiziertem Siliziumoxid. Mit Hilfe einer Kugel-Scheibe-Geometrie wird der Reibkoeffizient der Schichten unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dabei zeigt sich, dass bei ausreichender Menge des eingeschlossenen Wolframdisulfids ein reibungsmindernder Effekt auftritt, was vielversprechend für eine mögliche Anwendung solcher Kompositschichten ist. / The preparation of composite coatings consisting of different materials with improved properties has been an intensively studied area of thin film technology in recent years. One method to prepare such composite coatings is the incorporation of nano or micro particles into a matrix of a different material. In this thesis, such composite coatings are investigated which have been prepared via a sol-gel route und contain up to about 30 wt.-% tungsten disulfide particles. These inorganic fullerenes have typical particle sizes of about 100 nm to 200 nm. Two different types of composite coatings with a thickness of up to a few micrometers and with embedded tungsten disulfide particles are prepared: First, coatings with a relatively stiff alumina matrix, and second, coatings with a matrix made of organically modified silica. Different analytical methods are used for the structural characterization of the coatings. The crystal structure and the chemical composition of the coatings are determined via x-ray diffraction and x-ray fluorescence measurements and via energy-dispersive x-ray spectroscopy. Through scanning and transmission electron microscopy the incorporation and the distribution of the tungsten disulfide particles in the respective matrix are analysed. Furthermore, the roughness and the adhesion of the coatings on the substrate are investigated. The influence of the embedded particles and of the temperature of the final heat treatment during the sample preparation on the mechanical properties, like elastic modulus and hardness, of the composite coatings are measured through nanoindentation testing. These experimental results are compared with theoretical values determined via different analytical models for effective materials. Finally, the tribological behavior of the composite coatings is investigated in comparison to pure coatings made of alumina or organically modified silica. With ball-on-disc tests the coefficient of friction of the coatings is measured under different conditions. It can be seen that the incorporation of a sufficiently high amount of tungsten disulfide leads to a strong reduction of friction, which is promising for a possible application of such composite coatings.

Als Graphen bezeichnet man eine einzelne freistehende Lage des Schichtkristalls Graphit. Im Gegensatz zur mechanischen Isolation von Graphit bietet die Züchtung auf Siliziumkarbid eine Methode zur großflächigen Herstellung von Graphen. Aufgrund der besonderen physikalischen Eigenschaften werden für Graphen viele verschieden Einsatzmöglichkeiten in diversen Bereichen prognostiziert. Mit seiner hohen Ladungsträgerbeweglichkeit ist Graphen besonders als Kanalmaterial für Feldeffekttransistoren (FET) interessant. Allerdings muss hierfür unter anderem ein geeignetes FET-Isolatormaterial gefunden werden. In dieser Arbeit wird eine detaillierte, theoretische Beschreibung der Graphen-FETs vorgestellt, die es erlaubt die steuerspannungsabhängige Hall-Konstante zu berechnen. Mit der dadurch möglichen Analyse können wichtige Kenngrößen, wie z. B. die Grenzflächenzustandsdichte des Materialsystems bestimmt werden. Außerdem wurden zwei Methoden zur Isolatorabscheidung auf Graphen untersucht. Siliziumnitrid, welches mittels plasmaangeregter Gasphasenabscheidung aufgetragen wurde, zeichnet sich durch seine n-dotierende Eigenschaft aus. Damit ist es vor allem für quasi-freistehendes Graphen auf Siliziumkarbid interessant. Bei der zweiten Methode handelt es sich um einen atomaren Schichtabscheidungsprozess, der ohne eine Saatschicht auskommt. An beiden Graphen- Isolator-Kombinationen wurde die neue Charakterisierung mittels der Hall-Datenanalyse angewandt.

Thermal shock resistance is a key property of refractory materials. Its determination and prediction is essential for the design of structural refractories as well as lining materials. Young’s modulus of elasticity (E) is a crucial parameter for the calculation of thermal shock resistance. For all investigated carbon-bonded alumina composition a significant increase of E was observed. This increase was attributed to a mismatch of the coefficient of thermal expansion of the composite constituents. Besides others, the graphite content as well as the maximum alumina particle size were identified as crucial factors influencing E(T). Furthermore, the influence of the porosity on E was shown and existing models were fitted to the experimental data for future predictions of E. Finally a metal melt filter structure was investigated to investigate the relationship between its strut Young’s modulus and the structures’ E at high temperatures. Further research should address the filter topic since it was uncertain how to find the normal modes of those structures.

We report the experimental observation of hysteresis-free negative capacitance (NC) in thin ferroelectric Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ (HZO) films through high-speed pulsed charge-voltage measurements. Hysteretic switching is suppressed by the addition of thin Al₂O₃ layers on top of the HZO to prevent the screening of the polarization. We observe an S-shaped polarization-electric field dependence without hysteresis in agreement with Landau theory, which enables direct extraction of NC modeling parameters for ferroelectric HZO. Hysteresis-free NC is demonstrated down to 100 ns pulse widths limited only by our measurement setup. These results give critical insights into the physics of ferroelectric NC and practical NC device design using ferroelectric HZO.

Die Herstellung von Kompositschichten aus unterschiedlichen Materialien mit verbesserten Schichteigenschaften stellt einen in den letzten Jahren intensiv erforschten Bereich der Dünnschichttechnik dar. Eine Methode zur Präparation solcher Kompositschichten besteht darin, Nano- oder Mikropartikel in eine Matrix aus einem anderen Material einzubringen. In der vorliegenden Arbeit werden so bis zu einige Mikrometer dicke Kompositschichten untersucht, die mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden und die bis zu 30 Gew.-% Wolframdisulfid-Partikel enthalten, welche als anorganische Fullerene typische Teilchengrößen von etwa 100 nm bis 200 nm aufweisen. Zwei unterschiedliche Arten an Kompositschichten mit eingebetteten Partikeln aus Wolframdisulfid werden hergestellt: Zum einen Schichten mit einer deutlich steiferen Matrix aus Aluminiumoxid und zum anderen Schichten mit einer Matrix aus organisch modifiziertem Siliziumoxid. Die strukturelle Charakterisierung der Schichten erfolgt über verschiedene analytische Verfahren. So werden die Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung der Schichten mit Hilfe von Röntgenbeugungs- und Röntgenfluoreszenzmessungen sowie energiedispersiver Röntgenspektroskopie ermittelt. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie werden verwendet, um Aufschluss über die Verteilung der Wolframdisulfid-Partikel und ihren Einschluss in die jeweilige Matrix zu erhalten. Weiterhin werden die Rauheit und das Versagen der Schichthaftung auf dem Substrat untersucht. Der Einfluss der inkorporierten Partikel sowie der Herstellungstemperatur der Proben auf die mechanischen Eigenschaften der Kompositschichten wie Härte und E-Modul werden experimentell mit Nanoindentationsmessungen sowie theoretisch mittels verschiedener Modelle für effektive Materialien ermittelt. Schließlich erfolgt eine Charakterisierung der tribologischen Eigenschaften der Kompositschichten im Vergleich zu undotierten Schichten aus Aluminiumoxid oder organisch modifiziertem Siliziumoxid. Mit Hilfe einer Kugel-Scheibe-Geometrie wird der Reibkoeffizient der Schichten unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dabei zeigt sich, dass bei ausreichender Menge des eingeschlossenen Wolframdisulfids ein reibungsmindernder Effekt auftritt, was vielversprechend für eine mögliche Anwendung solcher Kompositschichten ist. / The preparation of composite coatings consisting of different materials with improved properties has been an intensively studied area of thin film technology in recent years. One method to prepare such composite coatings is the incorporation of nano or micro particles into a matrix of a different material. In this thesis, such composite coatings are investigated which have been prepared via a sol-gel route und contain up to about 30 wt.-% tungsten disulfide particles. These inorganic fullerenes have typical particle sizes of about 100 nm to 200 nm. Two different types of composite coatings with a thickness of up to a few micrometers and with embedded tungsten disulfide particles are prepared: First, coatings with a relatively stiff alumina matrix, and second, coatings with a matrix made of organically modified silica. Different analytical methods are used for the structural characterization of the coatings. The crystal structure and the chemical composition of the coatings are determined via x-ray diffraction and x-ray fluorescence measurements and via energy-dispersive x-ray spectroscopy. Through scanning and transmission electron microscopy the incorporation and the distribution of the tungsten disulfide particles in the respective matrix are analysed. Furthermore, the roughness and the adhesion of the coatings on the substrate are investigated. The influence of the embedded particles and of the temperature of the final heat treatment during the sample preparation on the mechanical properties, like elastic modulus and hardness, of the composite coatings are measured through nanoindentation testing. These experimental results are compared with theoretical values determined via different analytical models for effective materials. Finally, the tribological behavior of the composite coatings is investigated in comparison to pure coatings made of alumina or organically modified silica. With ball-on-disc tests the coefficient of friction of the coatings is measured under different conditions. It can be seen that the incorporation of a sufficiently high amount of tungsten disulfide leads to a strong reduction of friction, which is promising for a possible application of such composite coatings.

In this manuscript, distinct problems concerning carbon-bonded materials processing and characterization were analyzed, from bulk to cellular samples. The main motivation was to address central topics that would enhance the comprehension of the material’s behavior, as well as trigger targeted improvements. Some of the topics this thesis covers are: Non-linear Young’s modulus behavior of carbon-bonded alumina at high temperatures; Influence of the processing route on the cold crushing strength of carbon-bonded alumina foam filters; Geometric characterization of ceramic foam filters as a tool to understand processing parameters; Use of advanced techniques such as computer tomography and finite element modelling to correlate processing parameters and mechanical behavior. In most of the analyses, non-standard computational strategies were adopted. In those cases, algorithms were written to facilitate the evaluations, or even enable it in the first place. All the algorithms’ concepts are described in this thesis and their codes are available in the Appendices. The current work was carried out within the framework of the Collaborative Research Center 920 (CRC 920) “Multifunctional filters for metal melt filtration - a contribution to zero defect materials” at the Technische Universität Bergakademie Freiberg funded by the German Research Foundation (DFG).

Hocheffiziente Solarzellen beruhen auf der exzellenten Oberflächenpassivierung, die minimale Rekombinationsverluste gewährleistet. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde Al2O3 in der Photovoltaikindustrie zum bevorzugten Material für p-leitendes Si. Unterschiedliche Abscheidetechnologien erreichten Passivierungen mit effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauern nahe der AUGER–Grenze. Die ausgezeichnete Passivierungswirkung von Al2O3wird zwei Effekten zugeschrieben: Einerseits werden Si−SiO2-grenzflächennahe Rekombinationszentren passiviert, wenn Wasserstoff, beispielsweise aus der Al2O3-Schicht, offene Bindungen absättigt. Bedingt durch die hohe Konzentration intrinsischer negativer Ladungen an der SiO2-Grenzfläche weist Al2O3 andererseits einen charakteristischen Feldeffekt auf. Das resultierende elektrische Feld hält Elektronen von Oberflächenrekombinationszentren fern. Negative Ladungen im Al2O3 werden generell als fest bezeichnet. Allerdings hat Al2O3 zusätzlich eine hohe Dichte an Haftstellen, die von Elektronen besetzt werden können. Die Dichte negativer Ladungen im Al2O3-Passivierungsschichten hängt vom elektrischen Feld und der Bestrahlungsintensität ab. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung dielektrischer Passivierungsschichtstapel für die Anwendung auf Si-Solarzellen. Der Qualität und Dicke der SiO2-Grenzschicht kommt in diesem Kontext eine besondere Rolle zu, da sie Ladungsträgertunneln ermöglicht. Der Elektronentransport ist eine Funktion der Oxiddicke und das Optimum zwischen Ladungseinfang und -haltung liegt bei etwa 2 nm SiO2. Vier relevante Al2O3-Abscheidetechnologien werden untersucht: Atomlagenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Sprühpyrolyse und Rotationsbeschichtung, wobei die erstgenannte dominiert. Es werden Nanolaminate verglichen, die aus Al2O3 und TiO2, HfO2 oder SiO2 mit subnanometerdicken Zwischenschichten bestehen. Während letztgenannte die Oberflächenrekombination nicht vermindern, beeinflussen TiO2- und HfO2-Nanolaminate die Passivierungswirkung. Ein dynamisches Wachstumsmodell, das initiale und stationäre Wachstumsraten der beteiligten Metalloxide berücksichtigt, beschreibt die physikalischen Parameter. Schichtsysteme mit 0,2 % TiO2 oder 7 % HfO2 sind konventionellen Al2O3-Schichten überlegen. In beiden Fällen überwiegt die veränderte Feldeffekt- der chemischen Passivierung, die mit einer Grenzflächenzustandsdichte von maximal 5·1010 eV−1·cm−2 unverändert auf hohem Niveau verbleibt. Die Ladungsdichte beider Schichtsysteme wird entweder über die Änderung ihrer Polarität der festen Ladungen oder der Fähigkeit zum Ladungseinfang bestimmt. Das Tunneln von Elektronen wird durch ein mathematisches Modell erklärt, dass eine bewegliche Ladungsfront innerhalb der Oxidschicht beschreibt. / High-efficiency solar cells rely on excellent passivation of the surface to ensure minimal recombination losses. In the last decade, Al2O3 became the material of choice for p-type Si in the photovoltaic industry. A remarkable surface passivation with effective minority carrier lifetimes close to the AUGER–limit was demonstrated with different deposition techniques. The excellent passivation effect of Al2O3 is attributed to two effects: Firstly, recombination centers at the Si−SiO2 interface get chemically passivated when hydrogen, for instance from the Al2O3 layer, saturates dangling bonds. Secondly, Al2O3 presents an outstanding level of field effect passivation due to its high concentration of intrinsic negative charges close to the SiO2 interface. The generated electrical field effectively repels electrons from surface recombination centers. Negative charges in Al2O3 are generally termed fixed charges. However, Al2O3 incorporates a high density of trap sites, too, that can be occupied by electrons. It was shown that the negative charge density in Al2O3 passivation layers depends on the electrical field and on the illumination intensity. The goal of this work is to systematically investigate dielectric passivation layer stacks for application on Si solar cells. The SiO2 interface quality and thickness plays a major role in this context, enabling or inhibiting carrier tunneling. Since the electron transport is a function of the oxide thickness, the balance between charge trapping and retention is achieved with approximately 2 nm of SiO2. Additionally, four relevant Al2O3 deposition techniques are compared: atomic layer deposition, sputtering, spray pyrolysis and spin–on coating, whereas the former is predominant. Using its flexibility, laminates comprising of Al2O3 and TiO2, HfO2 or SiO2 with subnanometer layers are compared. Although the latter do not show decreased surface recombination, nanolaminates with TiO2 and HfO2 contribute to the passivation. Their physical properties are described with a dynamic growth model that considers initial and steady–state growth rates for the involved metal oxides. Thin films with 0.2 % TiO2 or 7 % HfO2 are superior to conventional Al2O3 layers. In both cases, the modification of the field effect prevails the chemical effect, that is, however, virtually unchanged on a very high level with a density of interface traps of 5·1010 eV−1·cm−2 and below. The density of charges in both systems is changed via modifying either the polarity of intrinsic fixed charges or the ability of trapping charges within the layers. The observations of electron tunneling are explained by means of a mathematical model, describing a charging front, which moves through the dielectric layer.

Um einen dauerhaften Einsatz Al2O3-basierter Feuerfestwerkstoffe in Hochtemperaturanlagen zur Synthesegaserzeugung zu ermöglichen, erfolgte die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Thermoschock- und Korrosionsbeständigkeit gegenüber flüssiger Kohleschlacke. In einem industrienahen Spinell-Alumina-Verbundwerkstoff lässt sich die Mikro- und Porenstruktur durch Zugabe von 6 Gew.-% eines Spinell-reichen Zements optimieren, wodurch die Infiltration und zugleich die Korrosion durch saure Braunkohleasche erheblich reduziert werden konnte. Die Zugabe von 2,5 Gew.-% TiO2 zu einer Al2O3-Gießmasse führt ebenfalls zur Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit und verhindert während des Tiegeltests die weitere Auflösung der Al2O3-Matrix, indem sich auf dem Werkstoff durch Reaktion mit MgO der Schlacke eine dichte in situ Spinell-Schutzschicht ausbildet. So erfolgte die Entwicklung von Materialien mit hervorragenden thermomechanischen Eigenschaften und ausreichender Korrosionsbeständigkeit, welche als umweltfreundliche und kostengünstige Alternative zu den derzeit eingesetzten Cr2O3-reichen Werkstoffen angesehen werden können.

Thermal shock resistance is a key property of refractory materials. Its determination and prediction is essential for the design of structural refractories as well as lining materials. Young’s modulus of elasticity (E) is a crucial parameter for the calculation of thermal shock resistance. For all investigated carbon-bonded alumina composition a significant increase of E was observed. This increase was attributed to a mismatch of the coefficient of thermal expansion of the composite constituents. Besides others, the graphite content as well as the maximum alumina particle size were identified as crucial factors influencing E(T). Furthermore, the influence of the porosity on E was shown and existing models were fitted to the experimental data for future predictions of E. Finally a metal melt filter structure was investigated to investigate the relationship between its strut Young’s modulus and the structures’ E at high temperatures. Further research should address the filter topic since it was uncertain how to find the normal modes of those structures.