Die Entdeckung der eisenbasierten Supraleiter, eine neue Klasse der Hochtemperatur-Supraleiter, erregte weltweit große Aufmerksamkeit. Durch intensive Untersuchungen an dieser Materialklasse sehen viele Wissenschaftler die Möglichkeit, weitere Anhaltspunkte für mikroskopische Modelle der Hochtemperatur-Supraleitung zu erhalten, deren Ursprung auch nach intensiver Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten noch nicht vollständig geklärt werden konnte. Voraussetzung dieser Untersuchungen ist die Züchtung reiner, möglichst defektfreier Kristalle. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den Bereich der Kristallzüchtung eisenbasierter Supraleiter wissenschaftlich zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit ausgewählten Kristallzüchtungsverfahren zur Herstellung eisenbasierter Supraleiter. Dabei waren neben der Optimierung von Prozessparametern zur reproduzierbaren Probenherstellung weitere Schwerpunkte, die Untersuchung von Schmelz- und Erstarrungsprozessen des Materials sowie die Charakterisierung gezüchteter Kristalle hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften. Der erste Teil dieser Arbeit führt wesentliche Ergebnisse der Kristallzüchtung von BaFe2As2 sowie der Cobalt-substituierten Verbindung Ba(Fe1-xCox)2As2 mit xNom = 0.025, 0.05, 0.07, 0.10 und 0.20 auf. Hierzu wurde eine Versuchsdurchführung für das vertikale Bridgman-Verfahren konzipiert, mit welcher erfolgreich Kristalle dieser Zusammensetzungen gezüchtet wurden. Das Erreichen einer hohen Probenqualität konnte durch verschiedene physikalische Untersuchungen nachgewiesen werden. In den Cobalt-substituierten Verbindungen wurden durch Messungen der Suszeptibilität sowie des spezifischen Widerstandes Supraleitung mit Sprungtemperaturen von bis zu 26.1 K bzw. 27.3 K für Kristalle mit xNom = 0.07 (xEDX = 0.09) beobachtet. Durch verschiedene Versuchsdurchführungen konnten optimale Prozessparameter für das Bridgman-Verfahren ermittelt werden. Dabei wurden unter anderem verschiedene Tiegelmaterialien hinsichtlich ihrer Eignung als Schmelztiegel getestet. Demnach sind Materialien aus Al2O3 vorzugsweise einzusetzen. Die durchgeführten EDX-Analysen an gezüchteten Kristallen belegten eine gute Übereinstimmung der Zusammensetzungen mit den nominalen Einwaagen sowie eine homogene Verteilung des Cobalt-Substituenten. Die rasterelektronenmikroskopischen sowie thermoanalytischen Untersuchungen zum Schmelz- und Erstarrungsverhalten von BaFe2As2 brachten neue Erkenntnisse hervor, welche in der bisher verfügbaren Literatur noch nicht diskutiert wurden. So konnte eine horizontale Schichtung des Materials im Schmelztiegel während des Aufschmelzens der Ausgangsmaterialien beobachtet werden. Dabei nimmt eine Fe-reiche Schmelze infolge einer Schwerkraftseigerung den unteren Tiegelbereich ein. Eine Ba-reiche Schmelze befi ndet sich aufgrund dessen im oberen Tiegelbereich. Die Erstarrungsbahnen dieser unterschiedlichen Schmelzbereiche müssen danach unabhängig voneinander betrachtet werden. Dabei setzt mit dem Absenken des Schmelztiegels aus der heißen Zone in den kühleren Bereich der Bridgman-Anlage zunächst in der Fe-reichen Schmelze des unteren Tiegelbereichs die Ausbildung höher schmelzender BaFe2As2-Primärphasen ein. Nach weiterem Absenken des Tiegels wird die Erstarrungstemperatur von BaFe2As2 bei T ~ 1330 °C auch im oberen Tiegelbereich erreicht, wodurch dort schlagartig die Keimbildung dieser Phase in der Ba-reichen Schmelze einsetzt und ein kongruentes Erstarrungsverhalten von BaFe2As2 bestätigt. Die Keimbildung findet dabei heterogen an verschiedenen Nukleationspunkten der Tiegelwand sowie an BaFe2As2-Primärphasen statt. Das Wachstum der Kristalle erfolgt daraufhin entgegen dem Temperaturgradienten, so dass diese schlussendlich mit ihrer ab-Ebene nahezu parallel orientiert zur Tiegelwand vorliegen. Bei weiterer Abkühlung kristallisiert schließlich die Fe-reiche Schmelze im unteren Tiegelbereich aus. Das dabei erstarrende Gefüge zeichnet sich durch primäre Fe2As-Mischkristalle sowie einem Eutektikum aus Fe2As und ff-Fe aus. Obwohl die Keimbildung und das Kristallwachstum der BaFe2As2-Phase nicht in der Tiegelspitze einsetzt, stellt das Bridgman-Verfahren eine vorteilhafte Methode dar, mittels des eingestellten Temperaturgradienten die Ba-reiche Schmelze im oberen Tiegelbereich gerichtet erstarren und die Kristalle weitestgehend orientiert im Tiegel wachsen zu lassen. Des Weiteren ist es mit dem Bridgman-Verfahren möglich, das Schmelz- und Erstarrungsverhalten des Materials zu analysieren. Hierzu bieten die in diesem Teil der Arbeit erzielten Ergebnisse eine gute Grundlage für weitere Untersuchungen. Der zweite Teil dieser Arbeit enthält wesentliche Ergebnisse zur Kristallzüchtung von LiFeAs sowie der Nickel-substituierten Verbindung Li1-δFe1-xNixAs mit xNom = 0.015, 0.025, 0.05, 0.06, 0.075 und 0.10. Hierfür wurde erfolgreich eine Versuchsdurchführung für das Schmelz fluss-Verfahren entwickelt. Untersuchungen bezüglich geeigneter Schmelztiegel belegten, dass Materialien aus Al2O3 zur Kristallzüchtung dieses Materialsystems geeignet sind, jedoch ist das Aufbringen einer inerten BN-Innenschicht für das Vermeiden heftiger Reaktionen unerlässlich. Mithilfe der ICP-OES-Analysen von gezüchteten Kristallen der Nickel-substituierten Verbindung konnten signi kante Abweichungen in den Lithium-Gehalten festgestellt werden. Dabei konnten drei Probentypen unterschieden werden, die sich je nach Lithium-Gehalt supraleitend (Li ~ 1.04), komplex paramagnetisch (Li ~ 0.97) oder ferromagnetisch (Li ~ 0.64) verhielten. Dieses Verhalten stellte sich dabei unabhängig vom Nickel-Gehalt ein. In den ferromagnetischen Proben wurden mittels der ICP-OES-Analysen neben einem deutlichen Lithium-Unterschuss von ~ 0.64 auch höhere Eisen-Gehalte von ~ 1.22 ermittelt. Diese Beobachtungen wurden durch Analysen an ferromagnetischen Proben der Zusammensetzung Li1-yFe1+yAs mit yNom = 0.02, 0.20 und 0.25 unterstützt, bei denen gleichermaßen ein leichter Lithium-Unterschuss von ~ 0.94 sowie erhöhte Eisen-Gehalte von ~ 1.07, ~ 1.11 und ~ 1.12 festgestellt wurden. Ob diese Beobachtungen signi kant sind, ist in weiteren Untersuchungen zu klären. In den Nickel-substituierten Verbindungen wurde ferromagnetisches Verhalten für Proben mit einem deutlichen Lithium-Unterschuss (Li ~ 0.64) beobachtet. Hingegen führten in Li1-yFe1+yAs mit yNom = 0.02, 0.20 und 0.25 bereits geringfügige Abweichungen im Lithium-Gehalt (Li ~ 0.94) zu ferromagnetischem Verhalten. Möglicherweise sind mit der Substitution von Eisen durch Nickel höhere Abweichungen des Lithium-Gehalts von der stöchiometrischen Zusammensetzung nötig, um Ferromagnetismus im System LiFeAs zu induzieren. Genauere Interpretationen der bisherig gewonnenen Ergebnisse sind nur durch weiterführende chemische Analysen sowie Strukturuntersuchungen möglich. In der vorliegenden Arbeit konnte aufgezeigt werden, dass mit den konzipierten Versuchsanordnungen eine erfolgreiche Kristallzüchtung eisenbasierter Supraleiter möglich ist. Jedoch sind die thermodynamischen Phasendiagramme, als unabdingbare Hilfsmittel für die Kristallzüchtung der untersuchten Materialsysteme, in ihrer Komplexität noch nicht eindeutig verstanden. Hierfür sowie für weitere Untersuchungen bietet die vorliegende Arbeit eine gute Grundlage.

Cintiladores inorgânicos com tempo de decaimento de luminescência rápido, densidade alta e boa produção de luz têm sido objeto de estudos para aplicações em física nuclear, física de energias altas, tomografia nuclear e outros campos da ciência e da engenharia. Cristais de cintilação baseados em iodeto de césio (Csl) são materiais que apresentam higroscopia relativamente baixa, número atômico alto, fácil manuseio e custo baixo, características que favorecem o seu uso como detectores de radiação. Neste trabalho descreve-se a obtenção de cristais Csl puro, Csl:Br e Csl:Pb, utilizando-se a técnica de Bridgman. A concentração do elemento dopante bromo (Br) foi estudada no intervalo de 1,5x10-1 M a 10-2 M e o elemento chumbo (Pb) no intervalo de 10-2 M a 5x10-4 M. Para avaliar os cintiladores desenvolvidos foram efetuadas medidas sistemáticas de emissão de luminescência e tempo de decaimento de luminescência para a radiação gama, ensaios de transmitância óptica, ensaios de microdureza Vickers, determinações da distribuição dos dopantes ao longo dos cristais crescidos e análise da resposta dos cristais à radiação gama no intervalo de energia de 350 keV a 1330 keV e partículas alfa provenientes de fonte de 241Am com energia de 5,54 MeV. Os resultados obtidos de tempo de decaimento de luminescência para os cristais CsI:Br e CsI:Pb, no intervalo de 13 ns a 19 ns, mostraram-se promissores para medidas de alta energia. O estudo de microdureza mostrou um aumento significativo em função da concentração dos elementos dopantes, quando comparado ao cristal Csl puro, melhorando desta forma a resistência mecânica dos cristais crescidos. A validade de utilização desses cristais como sensores de radiação para medidas de radiação gama e partículas alfa, pode ser demonstrada pelos resultados da resposta à radiação. / Inorganic scintillators with fast luminescence decay time, high density and high light output have been the object of studies for application in nuclear physics, high energy physics, nuclear tomography and other fields of science and engineering. Scintillation crystals based on cesium iodide (CsI) are matters with relatively low higroscopy, high atomic number, easy handling and low cost, characteristics that favor their use as radiation detectors. In this work, the growth of pure CsI crystals, CsI:Br and CsI:Pb, using the Bridgman technique, is described. The concentration of the bromine doping element (Br) was studied in the range of 1,5x10-1 M to 10-2 M and the lead (Pb) in the range of 10-2 M to 5x10-4 M. To evaluate the scintillators developed, systematic measurements were carried out for luminescence emission and luminescence decay time for gamma radiation, optical transmittance assays, Vickers micro-hardness assays, determination of the doping elements distribution along the grown crystals and analysis of crystals response to the gamma radiation in the energy range of 350 keV to 1330 keV and alpha particles from a 241Am source, with energy of 5.54 MeV. It was obtained 13 ns to 19 ns for luminescence decay time for CsI:Br and CsI:Pb crystals. These results were very promising. The results obtained for micro-hardness showed a significant increase in function of the doping elements concentration, when compared to the pure CsI crystal, increasing consequently the mechanical resistance of the grown crystals. The validity of using these crystals as radiation sensors may be seen from the results of their response to gamma radiation and alpha particles.

Cintiladores inorgânicos com tempo de decaimento de luminescência rápido, densidade alta e boa produção de luz têm sido objeto de estudos para aplicações em física nuclear, física de energias altas, tomografia nuclear e outros campos da ciência e da engenharia. Cristais de cintilação baseados em iodeto de césio (Csl) são materiais que apresentam higroscopia relativamente baixa, número atômico alto, fácil manuseio e custo baixo, características que favorecem o seu uso como detectores de radiação. Neste trabalho descreve-se a obtenção de cristais Csl puro, Csl:Br e Csl:Pb, utilizando-se a técnica de Bridgman. A concentração do elemento dopante bromo (Br) foi estudada no intervalo de 1,5x10-1 M a 10-2 M e o elemento chumbo (Pb) no intervalo de 10-2 M a 5x10-4 M. Para avaliar os cintiladores desenvolvidos foram efetuadas medidas sistemáticas de emissão de luminescência e tempo de decaimento de luminescência para a radiação gama, ensaios de transmitância óptica, ensaios de microdureza Vickers, determinações da distribuição dos dopantes ao longo dos cristais crescidos e análise da resposta dos cristais à radiação gama no intervalo de energia de 350 keV a 1330 keV e partículas alfa provenientes de fonte de 241Am com energia de 5,54 MeV. Os resultados obtidos de tempo de decaimento de luminescência para os cristais CsI:Br e CsI:Pb, no intervalo de 13 ns a 19 ns, mostraram-se promissores para medidas de alta energia. O estudo de microdureza mostrou um aumento significativo em função da concentração dos elementos dopantes, quando comparado ao cristal Csl puro, melhorando desta forma a resistência mecânica dos cristais crescidos. A validade de utilização desses cristais como sensores de radiação para medidas de radiação gama e partículas alfa, pode ser demonstrada pelos resultados da resposta à radiação. / Inorganic scintillators with fast luminescence decay time, high density and high light output have been the object of studies for application in nuclear physics, high energy physics, nuclear tomography and other fields of science and engineering. Scintillation crystals based on cesium iodide (CsI) are matters with relatively low higroscopy, high atomic number, easy handling and low cost, characteristics that favor their use as radiation detectors. In this work, the growth of pure CsI crystals, CsI:Br and CsI:Pb, using the Bridgman technique, is described. The concentration of the bromine doping element (Br) was studied in the range of 1,5x10-1 M to 10-2 M and the lead (Pb) in the range of 10-2 M to 5x10-4 M. To evaluate the scintillators developed, systematic measurements were carried out for luminescence emission and luminescence decay time for gamma radiation, optical transmittance assays, Vickers micro-hardness assays, determination of the doping elements distribution along the grown crystals and analysis of crystals response to the gamma radiation in the energy range of 350 keV to 1330 keV and alpha particles from a 241Am source, with energy of 5.54 MeV. It was obtained 13 ns to 19 ns for luminescence decay time for CsI:Br and CsI:Pb crystals. These results were very promising. The results obtained for micro-hardness showed a significant increase in function of the doping elements concentration, when compared to the pure CsI crystal, increasing consequently the mechanical resistance of the grown crystals. The validity of using these crystals as radiation sensors may be seen from the results of their response to gamma radiation and alpha particles.

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Made available in DSpace on 2014-10-09T12:51:53Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:06:37Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:51:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 11295.pdf: 3731608 bytes, checksum: 642672d3ddbbe81953275dd174a58822 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho, os cristais de TlBr foram crescidos pelo método de Bridgman, a partir de materiais purificados pela técnica de fusão zonal. A eficiência da purificação e avaliação da superfície cristalina em relação ao desempenho como detectores de radiação foi observada. Bons resultados foram obtidos com os aprimoramentos realizados nos processos de purificação, crescimento de cristais e na fabricação dos detectores. A resposta à radiação foi verificada excitando os detectores com fontes de raios gama: 241Am (59 keV), 133Ba (80 e 355 keV), 57Co (122 keV), 22Na (511 keV) e 137Cs (662 keV) à temperatura ambiente. Os valores de resolução em energia mais satisfatórios encontrados nesse trabalho foram a partir de detectores mais puros. Os melhores valores de resolução em energia obtidos foram de 10keV (16%), 12keV (15%), 12keV (10%), 28 keV (8%), 31keV (6%) e 36keV (5%) para as energias de 59, 80, 122, 355, 511 e 662 keV, respectivamente. Também foi realizado um estudo da resposta à detecção a uma temperatura de -20ºC e da estabilidade desses detectores. Nos detectores desenvolvidos não houve diferença significativa na resolução tanto em temperatura ambiente quanto na reduzida. Em relação à estabilidade foi observada uma degradação das características espectrométricas sob operação contínua do detector a temperatura ambiente e esta instabilidade variou para cada detector. Ambas características também foram observadas por outros autores. A viabilidade de utilização do cristal de TlBr como fotodetector para acoplamento em cintiladores também foi estudada neste trabalho. TlBr é um material promissor para ser utilizado como fotodetector devido a sua adequada eficiência quântica na região de 350 a aproximadamente 500 nm. Como uma aplicação para este trabalho foram iniciados estudos para fabricação de sondas cirúrgicas utilizando cristais de TlBr como o meio detector. / Neste trabalho, os cristais de TlBr foram crescidos pelo método de Bridgman, a partir de materiais purificados pela técnica de fusão zonal. A eficiência da purificação e avaliação da superfície cristalina em relação ao desempenho como detectores de radiação foi observada. Bons resultados foram obtidos com os aprimoramentos realizados nos processos de purificação, crescimento de cristais e na fabricação dos detectores. A resposta à radiação foi verificada excitando os detectores com fontes de raios gama: 241Am (59 keV), 133Ba (80 e 355 keV), 57Co (122 keV), 22Na (511 keV) e 137Cs (662 keV) à temperatura ambiente. Os valores de resolução em energia mais satisfatórios encontrados nesse trabalho foram a partir de detectores mais puros. Os melhores valores de resolução em energia obtidos foram de 10keV (16%), 12keV (15%), 12keV (10%), 28 keV (8%), 31keV (6%) e 36keV (5%) para as energias de 59, 80, 122, 355, 511 e 662 keV, respectivamente. Também foi realizado um estudo da resposta à detecção a uma temperatura de -20ºC e da estabilidade desses detectores. Nos detectores desenvolvidos não houve diferença significativa na resolução tanto em temperatura ambiente quanto na reduzida. Em relação à estabilidade foi observada uma degradação das características espectrométricas sob operação contínua do detector a temperatura ambiente e esta instabilidade variou para cada detector. Ambas características também foram observadas por outros autores. A viabilidade de utilização do cristal de TlBr como fotodetector para acoplamento em cintiladores também foi estudada neste trabalho. TlBr é um material promissor para ser utilizado como fotodetector devido a sua adequada eficiência quântica na região de 350 a aproximadamente 500 nm. Como uma aplicação para este trabalho foram iniciados estudos para fabricação de sondas cirúrgicas utilizando cristais de TlBr como o meio detector. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP / FAPESP:01/09049-5

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Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2016-11-11T13:09:25Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-11-11T13:09:25Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho, cristais de TlBr foram crescidos e purificados pelo método de Bridgman Repetido, a partir de sais comerciais de TlBr, e caracterizados para serem usados como detectores de radiação à temperatura ambiente. Para avaliar a eficiência de purificação, estudos da diminuição da concentração de impurezas foram feitos após cada crescimento, analisando as impurezas traço por Espectrometria de Massas com Plasma (ICP-MS). Um decréscimo significativo da concentração de impurezas em função do número de purificações foi observado. Os cristais crescidos apresentaram boa qualidade cristalina de acordo com os resultados de análise por Difração de Raios X (DRX), boa qualidade morfológica e estequiometria adequada de acordo com os resultados de análise por MEV(SE) e MEV(EDS). Um modelo matemático definido por equações diferenciais foi desenvolvido para avaliar as concentrações de impurezas no cristal de TlBr e suas segregações em função do número de crescimentos pelo método de Bridgman. Este modelo pode ser usado para calcular o coeficiente de migração das impurezas e mostrou ser útil para prever o número necessário de repetições de crescimento Bridgman para atingir nível de pureza adequado para assegurar a qualidade do cristal como detector de radiação. Os coeficientes se segregação obtidos são parâmetros importantes para análise microestrutural e análise de transporte de cargas nos cristais detectores. Para avaliar os cristais a serem usados como detectores de radiação, medidas de suas resistividades e resposta à incidência de radiação gama das fontes de 241Am (59,5keV) e 133Ba (81 keV) foram realizadas. Essa resposta foi dependente da pureza do cristal. Os detectores apresentaram um avanço significativo na eficiência de coleta de cargas em função da pureza. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP