Die Effizienz von Verbindungshalbleitern hängt von ihrer lokalen Zusammensetzung und ihrer räumlichen Elementverteilung ab. Um die opto-elektronischen Eigenschaften solcher Bauelemente zu optimieren, ist ein detailliertes Verständnis und die Kontrolle der Zusammensetzungsgradienten entscheidend. Industriell wichtige Bauelemente sind Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen, die eine hohe Effizienz in Kombination mit einem geringen Materialbedarf und einer hohen elastischen Flexibilität bieten. Ein gängiges Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarzellenabsorber ist das Annealen bei hohen Temperaturen. Im Gegensatz zu dem, was bei Fick'schen Diffusionsprozessen zu erwarten wäre – führt dieses regelmäßig zur Bildung steiler und stabiler Zusammensetzungsgradienten, die oft von den optimalen Profilen für hocheffiziente Absorber abweichen. In dieser Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf den mechanischen Spannungen, die sich im Inneren von Dünnschichten entwickeln, und auf deren Auswirkungen auf Diffusionsprozesse und die mikrostrukturelle Entwicklung des Materials. Es wird gezeigt, dass die Bildung von elastischen Spannungen die endgültigen Elementverteilungen stark beeinflusst und sogar zur Bildung von starken und stabilen Zusammensetzungsgradienten führt. In dieser Arbeit wird weiterhin argumentiert, dass die Wirkung der Spannungen auf die Gleichgewichts-Zusammensetzungsprofile von den mikrostrukturellen Eigenschaften des Materials abhängen kann, insbesondere vom Vorhandensein von Leerstellenquellen. Ein Vergleich numerischer Berechnungen mit Echtzeitdaten der energiedispersiven Röntgenbeugung, die während der Dünnschichtsynthese in-situ erfasst wurden, hilft zu zeigen, dass die so entwickelten Interdiffusionsmodelle die experimentell beobachteten Beugungsspektren und insbesondere die Stagnation der Interdiffusion vor Erreichen der vollständigen Durchmischung teilweise reproduzieren können. / The operational efficiency of compound semiconductors regularly depends on their local elemental composition and on the spatial distribution of contained elements. To optimize the opto-electronic properties of such devices, a detailed understanding and control of compositional gradients is crucial. Industrially important devices are thin-film solar cell absorber layers which deliver high photo-conversion efficiencies in combination with a low demand of material and high elastic flexibility. These materials use local variations in composition to tune their opto-electronic properties. A common fabrication process for thin-film solar cell absorbers involves annealing at high temperatures to achieve specific compositional gradients, which – contrary to what could be expected from simple Fickian diffusion processes – regularly results in the formation of steep and stable compositional gradients, often deviating from the optimal profiles for high-efficiency absorbers. In this work attention is focused especially on mechanical stresses developing inside thin-films and on their effects on diffusion processes and on the material’s micro-structural evolution. It is shown that the formation of elastic stresses strongly influences the final elemental distributions, even leading to the formation of strong and stable final compositional gradients. However, this thesis also argues that their exact effect on equilibrium composition profiles may depend on the detailed micro-structural properties of the material, especially on the presence of vacancy sources and sinks. A comparison of numerical calculations with real-time synchroton-based energy-dispersive X-ray diffraction data acquired in-situ during thin-film synthesis helps to demonstrate that the such developed interdiffusion models can partly reproduce the experimentally observed diffraction spectra and, especially, the stagnation of interdiffusion before total intermixing is achieved.

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Le mélange vertical dans l’océan contribue au maintien de la Cellule Méridienne de Circulation Océanique (MOC) en permettant le renouvellement des eaux profondes. Une coupe transverse d’une partie de la MOC est réalisée par la radiale hydrologique OVIDE qui a lieu tous les 2 ans depuis 2002 entre le Portugal et le Groenland. L’énergie nécessaire au mélange est fournie par les ondes internes générées par le vent et la marée, et des mesures de micro-structure (VMP) en 2008 montrent des valeurs de dissipation Evmp intensifiées dans la thermocline principale et au niveau des topographies. Notre étude se base sur ces observations pour étudier la fine-structure verticale de l’océan et estimer indirectement la dissipation E due aux ondes internes à l’aide de mesures CTD et LADCP. La comparaison au mesures du VMP permet d’optimiser la paramétrisation de E en encadrant les observations par facteur 3 et leurs valeurs moyennes à ±30%. L’application sur l’ensemble des données OVIDE permet d’obtenir une cartographie du mélange a travers le bassin. La distribution géographique de la diffusion verticale K est similaire le long des 5 sections, avec des valeurs de l’ordre de 10−4m2/s dans la thermocline principale, au fond et au niveau des topographies, et de l’ordre de 10−5m2/s dans l’océan intérieur. Des différences régionales sont présentes et K peut être localement proche de 10−3m2/s. L’étude de la section FOUREX 1997 révèle une intensification de K le long de la dorsale médio-Atlantique où les valeurs moyennes sont de 2 à 3 plus fortes que le long des sections OVIDE. La distribution spatiale des échelles de Thorpe LT est corrélée avec celle du mélange. Néanmoins la dissi-pation basée sur LT surestime Evmp d’un facteur 10 à100, ce qui pourrait être dû à une mauvaise représentation de la durée de vie de la turbulence dans l’océan. Certains mécanismes susceptibles de générer des ondes internes sont proposés. Des sites possibles de génération par la marée sont localisés à l’aide d’un modèle simple de la trajectoire des rayons d’ondes. Une corrélation possible entre les mouvements géostrophiques et les ondes internes est envisagée dans la thermocline principale. Enfin l’étude des angles de Turner montre que des instabilités de double-diffusion peuvent être présentes sur une grande partie de la section. / Vertical mixing in the ocean contributes to sustain the Meridionnal Overturning. Circulation (MOC) by allowing the renewal of deep waters. A section across the MOC is performed by the hydrological radial OVIDE repeated every two years between Portugal and Greenland since 2002. The energy required for mixing is provided by internal waves generated by wind and tides and micro-structure measurements(VMP) in 2008 show intensified values of dissipation Evmp in the main thermocline and near topographies. Our study is based on these observations and aims tostudy the vertical fine-scale structure of the ocean. Estimates of the dissipation E due to internal waves are made with CTD and LADCP measurements. The comparison with VMP measurements allow us to optimize the parameterization of E by framing the observations by factor 3 and their mean values at ±30%. The systematic application to the OVIDE dataset provides a mapping of the mixing across the basin. Geographical distribution of the vertical diffusion K is similar along the five sections, with values near10−4m2/s in the main thermocline and at the bottom of topographies, and near 10−5m2/s in the ocean interior. Regional differences are present and K can belocally close to 10−3m2/s. Application to FOUREX1997 datas et reveals an increase of K along the Mid-Atlantic Ridge, where the average values are 2 to 3stronger than along OVIDE sections. The spatial distribution of Thorpe scales LT appears to be correlated with internal waves mixing patterns. Nevertheless dissipation estimates based on LT overestimates Evmp by a 10 to 100 factor, which maybe due to misrepresentation of the stage of turbulence development in the ocean. Some mechanisms that can generate internal waves are proposed. Probable sites where tidal generation could occur are located using a simple model of wave beam trajectory. A possible correlation between geostrophic flows and internal waves is considered in the main thermocline. Finally the study of Turnerangles shows that double-diffusion instabilities may bepresent over a large part of the section.

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich instationäre Plasma- und Fördergasvolumenströme nutzen lassen, um den Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess in seiner Gesamtheit zu beeinflussen. Dabei wurden die Veränderungen in der Lichtbogencharakteristik, der Pulverzuführung und insbesondere dem Schmelzbad analysiert und in einem theoretischen Prozessmodell zusammengefasst. Die gewonnenen Ergebnisse und die aufgezeigten Wirkzusammenhänge konnten in der Folge dazu genutzt werden, die Hartstoffverteilung in Pseudolegierungen und den mikrostrukturellen Aufbau geschweißter konventioneller Hartschichten zu modifizieren. / In the present studies it is examined, how unsteady gas flows can be used to modify the plasma transfer arc welding process in its entirety. In the first step it was analysed in which different ways non-steady-state plasma and transport gas flows influence the arc characteristics, the powder transport and the melt bead properties. With the obtained results a theoretical model was developed, to describe the observed behaviours and understand the coherences. Subsequently the preliminary findings were used to alter the distribution of tungsten-carbide in a welded hardface composite coating and to modify the microstructure of a conventional alloy welded with the plasma transfer arc process.