Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007.

Stuttgart, Univ., Diss., 2001.

In der vorliegenden Arbeit wird der Punktdefekthaushalt von Galliumarsenid-Einkristallen mit unterschiedlichen Dotierungen untersucht. Es wird gezeigt, in welcher Weise die Konzentration der einzelnen Punktdefekte von der Konzentration der Dotierstoffe, der Stöchiometrieabweichung und der Lage des Ferminiveaus abhängen. Dazu dienen die Ergebnisse der meßtechnischen Charakterisierung einer großen Anzahl von Proben, bei deren Herstellung diese Parameter gezielt variiert wurden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Entwicklung von Modellen, die eine quantitative Beschreibung der experimentell untersuchten elektrischen und optischen Eigenschaften von Galliumarsenid- Einkristallen ausgehend von den Punktdefektkonzentrationen erlauben. Da aus Punktdefekten Ladungsträger freigesetzt werden können, bestimmt ihre Konzentration maßgeblich die Ladungsträgerkonzentration in den Bändern. Im ionisierten Zustand wirken Punktdefekte als Streuzentren für freie Ladungsträger und beeinflussen damit die Driftbeweglichkeit der Ladungsträger. Eine thermodynamische Modellierung der Punktdefektbildung liefert Aussagen über die Gleichgewichtskonzentrationen der Punktdefekte in Abhängigkeit von Dotierstoffkonzentration und Stöchiometrieabweichung. Es wird gezeigt, daß die bei Raumtemperatur beobachteten elektrischen Eigenschaften der Kristalle aus der kinetischen Hemmung von Prozessen folgen, über die die Einstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts zwischen den Punktdefekten vermittelt wird.

Lithium-Ionen-Batterien besitzen ein ausgezeichnetes Potential für die Energiespeicherung. Das derzeit dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 339 mAh/g ist Graphit. Als Alternative hierfür bieten sich Lithiumsilicide und Lithiumstannide an. Diese Materialien zeichnen sich durch eine viel größere Speicherkapazität und geringere Selbstentladungspotentiale aus. Für die kommerzielle Anwendung dieser beiden Systeme in Lithium-Ionen-Batterien werden grundlegende und verlässliche thermodynamische Daten benötigt. Derzeit ist die Existenz von sieben Lithiumsiliciden sicher nachgewiesen. Dazu zählen die sechs stabilen Phasen Li17Si4, Li16.42Si4, Li13Si4, Li7Si3, Li12Si7, die Hochdruckphase LiSi und die metastabile Phase Li15Si4. Für die ersten fünf genannten Phasen wurden in der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogrammes 1473 Wärmekapazitäten und Standardentropien bestimmt. Bei den Lithiumstanniden sind derzeit sieben Phasen gesichert belegt. Allerdings existiert für keine Phase der Lithiumstannide ein verlässlicher thermodynamischer Basisdatensatz. Aus diesem Grund wurden für die beiden zuletzt genannten Lithiumsilicide (Li15Si4 und LiSi), sowie für die Lithiumstannide Li17Sn4, Li7Sn2, Li13Sn5 und Li7Sn3 die fehlenden thermodynamischen Daten experimentell bestimmt. Die hergestellten Phasen wurden zunächst mittels Röntgenbeugung, thermischer und chemischer Analyse charakterisiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der experimentellen Bestimmung der Wärmekapazitäten in einem Temperaturbereich von 2 K bis zur jeweiligen Zersetzungstemperatur der untersuchten Verbindungen. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Kalorimeter verwendet: ein Physical Property Measurement System (Quantum Design) von 2 K bis 300 K und eine DSC 111 (Setaram), beginnend ab 300 K. Die experimentellen Daten konnten mit Messunsicherheiten von 1 % bis 2 % über 20 K und bis zu 20 % unterhalb von 20 K angegeben werden. Die Messungen bei niedrigen Temperaturen erlauben zudem die Berechnung der Standardentropien, sowie die Bestimmung von elektronischen Beiträgen und Gitterschwingungsbeiträgen zur Wärmekapazität. Weiterhin ist Fokus dieser Arbeit die Bestimmung der Standardbildungsenthalpien der Lithiumsilicide und Lithiumstannide auf Basis von Wasserstoffsorptionsmessungen mittels einer Sieverts-Apparatur. Hierfür wurden erstmals Messungen an den Lithiumsiliciden ausgehend von Li17Si4, LiH:Si (Li:Si = 17:4), Li16.42Si4 und LiSi durchgeführt. Für die Lithiumstannide dienten als Ausgangsmaterial Li17Sn4, LiH:Sn (Li:Sn =17:4), sowie Li7Sn2 und LiH:Sn (Li:Sn = 7:2). Die Anwendung des van´t-Hoff-Plots resultierte in Messunsicherheiten von mindestens 10 %. Aus diesem Grund wurde eine alternative Auswertemethode gewählt, bei der die ermittelten Wärmekapazitäten und Standardentropien mit den Gleichgewichtsdrücken aus den Wasserstoffsorptionsmessungen miteinander verknüpft werden. Auf diese Weise konnten Standardbildungsenthalpien für die untersuchten Phasen mit Fehlern kleiner 1 % ermittelt werden. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit resultierte ein vollständiger, gesicherter thermodynamischer Datensatz für das System Li-Si. Das berechnete Li-Si-Phasendiagramm ist im sehr guten Einklang mit experimentellen literaturbekannten Daten. Für die Lithiumstannide erfolgte eine Validierung der ermittelten thermodynamischen Werte. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Datenbasis für thermodynamische Berechnungen und für das Verständnis von Phasensequenzen und Gleichgewichten beim Einsatz von Lithiumsiliciden bzw. Lithiumstanniden als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien.

In der vorliegenden Arbeit wird der Punktdefekthaushalt von Galliumarsenid-Einkristallen mit unterschiedlichen Dotierungen untersucht. Es wird gezeigt, in welcher Weise die Konzentration der einzelnen Punktdefekte von der Konzentration der Dotierstoffe, der Stöchiometrieabweichung und der Lage des Ferminiveaus abhängen. Dazu dienen die Ergebnisse der meßtechnischen Charakterisierung einer großen Anzahl von Proben, bei deren Herstellung diese Parameter gezielt variiert wurden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Entwicklung von Modellen, die eine quantitative Beschreibung der experimentell untersuchten elektrischen und optischen Eigenschaften von Galliumarsenid- Einkristallen ausgehend von den Punktdefektkonzentrationen erlauben. Da aus Punktdefekten Ladungsträger freigesetzt werden können, bestimmt ihre Konzentration maßgeblich die Ladungsträgerkonzentration in den Bändern. Im ionisierten Zustand wirken Punktdefekte als Streuzentren für freie Ladungsträger und beeinflussen damit die Driftbeweglichkeit der Ladungsträger. Eine thermodynamische Modellierung der Punktdefektbildung liefert Aussagen über die Gleichgewichtskonzentrationen der Punktdefekte in Abhängigkeit von Dotierstoffkonzentration und Stöchiometrieabweichung. Es wird gezeigt, daß die bei Raumtemperatur beobachteten elektrischen Eigenschaften der Kristalle aus der kinetischen Hemmung von Prozessen folgen, über die die Einstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts zwischen den Punktdefekten vermittelt wird.

Lithium-Ionen-Batterien besitzen ein ausgezeichnetes Potential für die Energiespeicherung. Das derzeit dominierende Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien mit einer Energiespeicherkapazität von 339 mAh/g ist Graphit. Als Alternative hierfür bieten sich Lithiumsilicide und Lithiumstannide an. Diese Materialien zeichnen sich durch eine viel größere Speicherkapazität und geringere Selbstentladungspotentiale aus. Für die kommerzielle Anwendung dieser beiden Systeme in Lithium-Ionen-Batterien werden grundlegende und verlässliche thermodynamische Daten benötigt. Derzeit ist die Existenz von sieben Lithiumsiliciden sicher nachgewiesen. Dazu zählen die sechs stabilen Phasen Li17Si4, Li16.42Si4, Li13Si4, Li7Si3, Li12Si7, die Hochdruckphase LiSi und die metastabile Phase Li15Si4. Für die ersten fünf genannten Phasen wurden in der ersten Förderperiode des Schwerpunktprogrammes 1473 Wärmekapazitäten und Standardentropien bestimmt. Bei den Lithiumstanniden sind derzeit sieben Phasen gesichert belegt. Allerdings existiert für keine Phase der Lithiumstannide ein verlässlicher thermodynamischer Basisdatensatz. Aus diesem Grund wurden für die beiden zuletzt genannten Lithiumsilicide (Li15Si4 und LiSi), sowie für die Lithiumstannide Li17Sn4, Li7Sn2, Li13Sn5 und Li7Sn3 die fehlenden thermodynamischen Daten experimentell bestimmt. Die hergestellten Phasen wurden zunächst mittels Röntgenbeugung, thermischer und chemischer Analyse charakterisiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der experimentellen Bestimmung der Wärmekapazitäten in einem Temperaturbereich von 2 K bis zur jeweiligen Zersetzungstemperatur der untersuchten Verbindungen. Hierfür wurden zwei unterschiedliche Kalorimeter verwendet: ein Physical Property Measurement System (Quantum Design) von 2 K bis 300 K und eine DSC 111 (Setaram), beginnend ab 300 K. Die experimentellen Daten konnten mit Messunsicherheiten von 1 % bis 2 % über 20 K und bis zu 20 % unterhalb von 20 K angegeben werden. Die Messungen bei niedrigen Temperaturen erlauben zudem die Berechnung der Standardentropien, sowie die Bestimmung von elektronischen Beiträgen und Gitterschwingungsbeiträgen zur Wärmekapazität. Weiterhin ist Fokus dieser Arbeit die Bestimmung der Standardbildungsenthalpien der Lithiumsilicide und Lithiumstannide auf Basis von Wasserstoffsorptionsmessungen mittels einer Sieverts-Apparatur. Hierfür wurden erstmals Messungen an den Lithiumsiliciden ausgehend von Li17Si4, LiH:Si (Li:Si = 17:4), Li16.42Si4 und LiSi durchgeführt. Für die Lithiumstannide dienten als Ausgangsmaterial Li17Sn4, LiH:Sn (Li:Sn =17:4), sowie Li7Sn2 und LiH:Sn (Li:Sn = 7:2). Die Anwendung des van´t-Hoff-Plots resultierte in Messunsicherheiten von mindestens 10 %. Aus diesem Grund wurde eine alternative Auswertemethode gewählt, bei der die ermittelten Wärmekapazitäten und Standardentropien mit den Gleichgewichtsdrücken aus den Wasserstoffsorptionsmessungen miteinander verknüpft werden. Auf diese Weise konnten Standardbildungsenthalpien für die untersuchten Phasen mit Fehlern kleiner 1 % ermittelt werden. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit resultierte ein vollständiger, gesicherter thermodynamischer Datensatz für das System Li-Si. Das berechnete Li-Si-Phasendiagramm ist im sehr guten Einklang mit experimentellen literaturbekannten Daten. Für die Lithiumstannide erfolgte eine Validierung der ermittelten thermodynamischen Werte. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse liefern einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Datenbasis für thermodynamische Berechnungen und für das Verständnis von Phasensequenzen und Gleichgewichten beim Einsatz von Lithiumsiliciden bzw. Lithiumstanniden als Anodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien.