Nb3Sn Rutherford cables are used in CERN’s superconducting 11 T dipole and MQXF quadrupole magnets, which are proposed for the instantaneous luminosity (rate of particle collisions) upgrade of the Large Hadron Collider (LHC) by a factor of five to a High Luminosity-Large Hadron Collider (HL-LHC). Nb3Sn-based conductors are the key technology for the envisioned Future Circular Collider (FCC) with an operating magnetic dipole field of 16 T. The baseline superconductor of the LHC dipole magnets is Nb–Ti, whereas an operation above 10 T is not possible due to the current carrying performance limitations of this superconductor at higher magnetic fields. Therefore, a superconducting material such as Nb3Sn has to be used with proven performance capabilities of 10 T and above. The conductor choice towards Nb3Sn-based cables affects the magnet manufacturing process, as it requires a heat treatment up to 650°C, an epoxy resin impregnation and introduces mechanical diffculties as the superconducting filaments are brittle and strain sensitive. A mechanical over loading of the filaments lead to irreversible conductor damage. The designs of 11 and 16 T magnets are supposed to push the conductor towards its mechanical and electrical performance limitations. The magnetic field induced forces on the current carrying conductor are balanced by mechanical pre-loading of the magnet. Thereby the highest controlled mechanical pre-load for the 11 T dipole magnet is set at ambient temperature. The mechanical stress limits of Nb3Sn-based cables have been investigated at cryogenic temperatures. The material strength and stiffness of the cable insulation system, formed by glass-fibre-reinforced resin, is increased at low temperatures. The ultimate stress values, determined at cryogenic temperature, are therefore not conservative. The ultimate stress limitation of the insulated conductor is assumed to be lower at ambient temperature. The cable limitations at ambient temperature need to be known for the ongoing magnet manufacturing process and also for future design approaches. Furthermore, the compressive stress–strain behaviour of a coil conductor block at ambient temperature is the key material characteristic, in order to recalculate the stress level in the coil during the assembly process. Existing approaches using an indirect strain measurement method provide uncertainties in the low-strain regime, which is the essential strain range for a material compound consisting of major fractions composed of heat-annealed copper and epoxy resin. Compressive stress–strain data of an impregnated conductor block are required, based on a direct strain measurement system, as available data have been collected on samples based on a different strand type and insulation system. The elaborated direct strain measurements can be correlated to strain gauge data, measured directly on a coil. The stress distribution in a Nb3Sn Rutherford cable need to be understood and validated to understand strain-induced degradation effects in the insulated conductor. This knowledge can also help to optimise the stress distribution envisioned magnet designs. The stress–strain state in the copper and Nb3Sn phase of a loaded conductor block has to be determined experimentally. This dissertation describes a test protocol and first elaborated results on the investigated stress limitations of a Nb3Sn Rutherford cable under homogeneous load applied in transversal direction. The compressive stress–strain behaviour of impregnated Nb3Sn Rutherford cable stacks was investigated experimentally. This includes a detailed report on the sample manufacturing process, measurements performed and validation of results through a comparison with the elaborated data of cable stacks extracted from a coil. The presented results from neutron diffraction measurements of loaded cable stacks allow the determination of the stress–strain level of the copper and Nb3Sn phase in the impregnated conductor. The relevant measured results have been recalculated with numerical calculations based on the Finite Element Method (FEM).:1. Introduction 1 1.1. The LHC and the HL-LHC project 1.2. The FCC study 1.3. Superconducting materials for accelerator magnets 1.4. Multi-filamentary wires and Rutherford cables 1.5. Coil manufacturing process 1.6. Magnet coil assembly 1.7. Objectives of this thesis 2. Theory: fundamental principles 17 2.1. Analytical calculation: sector coil dipole 2.2. Mechanical behaviour of composite materials 2.3. Failure criteria and strength hypotheses for materials 2.4. Compressive tests 2.5. Fundamental principles of Neutron scattering 2.5.1. Test apparatus and measurement method 2.5.2. Lattice plane and Miller indices 2.5.3. Bragg diffraction and interference 2.5.4. Diffraction-based strain calculation 2.5.5. Diffraction-based stress calculation 2.6. Fundamental principles of FEM 3. Homogeneous transversal compression of Nb3Sn Rutherford cables 3.1. Superconducting cable test stations 3.2. The FRESCA test facility and specific sample holder 3.3. The sample description 3.4. Experimental procedure 3.5. Review of existing contact pressure measurement system 3.6. Compressive test station 3.7. Validation of the pressure-sensitive films 3.8. Press punch 3.9. Improvement of the contact stress distribution 3.9.1. First test: cable pressed between the bare tools 3.9.2. Second test: tool shimmed with a soft Sn96Ag4 3.9.3. Third test: tool shimmed with a soft Sn60Pb40 3.9.4. Fourth test: tool shimmed with a soft indium 3.9.5. Fifth test: tool shimmed with a polyimide film 3.10. Test results 3.11. Conclusion 4. Material characterisation by a compression test 4.1. Test set-ups for compressive tests and validation 4.2. Sample preparation 4.3. Compressive stress–strain measurement 4.4. Ten-stack sample stiffness estimation-based composite theories 4.5. Dye penetration test on loaded and unloaded samples 4.6. Conclusion 5. Neutron diffraction measurements 80 5.1. Test set-up for neutron diffraction measurement 5.2. The samples 5.3. Experiment: lattice stress–strain measurements 5.4. Conclusion 6. Simulation and modelling of Nb3Sn cables 6.1. The models 6.2. The 2D simulation results 6.3. The 3D simulation results 6.4. Conclusion 7. Comprehensive summary 7.1. Summary 7.2. Critical review 7.3. Next steps Appendix 113 A. Calculation of the magnetic field components in a sector coil without iron B. Approaches for the determination of diffraction elastic constants C. Manufacturing drawings D. FEM calculation results of the 2D model E. FEM calculation results of the 3D model F. Source Codes Bibliography

The aim of the present work is to characterize a metastable hard magnetic phase referred to as "A1" in Nd-Fe alloys, which forms as a part of the fine eutectic depending on the composition and cooling rate. In order to define the range of composition for the formation of A1, Nd100-xFex (x = 20, 25, 40) alloys are cooled at about 150 K/s. The results indicate that for a cooling rate of 150 K/s, the hypereutectic Nd100-xFex (x = 20) alloys solidify into hard magnetic A1 whilst the hypoeutectic alloys (x = 40) show the formation of Nd2Fe17 crystallites. However, no sample cooled at 150 K/s shows the peaks of Nd5Fe17 as expected from the equilibrium Nd-Fe phase diagram. The effect of cooling rate on the formation of hard magnetic A1 is studied by investigating the Nd80Fe20 alloys cooled at different rates. The microstructure of hard magnetic Nd80Fe20 alloys displays a fine eutectic-like matrix consisting of Nd-richer and Fe-richer regions. The Nd-richer regions are identified as dhcp Nd and fcc Nd-Fe solid solution. However, the Fe-richer regions also referred to as A1, are diffuse and give an average composition of Nd56Fe44. These regions yield complex electron diffraction patterns, which do not match with any known Nd-Fe phase. HRTEM images of the Fe-richer regions reveal the presence of 5-10 nm crystallites embedded in an amorphous phase. Thus the Fe-richer regions of the hard magnetic Nd80Fe20 specimens are not a single homogeneous phase rather they are mixture of finely dispersed nanocrystallites in an amorphous phase. The demagnetization curves the hard magnetic Nd80Fe20 measured at temperatures above 30 K are typical of a hard magnetic material. The coercivity increases from 0.48 to 4.4 T with the temperature decreasing from 300 to 55 K. The demagnetization curves change from single to two-phase type when the temperature approaches 29 K, ordering temperature of fcc Nd-Fe solid solution. The measurements of initial magnetization, field dependence of coercivity, and temperature dependence of coercivity suggest the Stoner-Wohlfarth type magnetization reversal process for the hard magnetic A1. The values of anisotropy constant are estimated by fitting the magnetization data to the law-of-approach to saturation. The temperature dependence of anisotropy constant and the coercivity indicate that the origin of coercivity is magnetic anisotropy. A cluster model with sperimagnetic arrangement of Nd and Fe spins is used to explain the hard magnetic behavior of the mold-cast Nd80Fe20. Structural and magnetic properties of multicomponent Nd60Co30-xFexAl10 (0 < x < 30) alloys are compared with the binary Nd-Fe alloys. Magnetic measurements of the multicomponent alloys show that the magnetic properties are controlled by the fraction of the Fe content. The coercivity of the Nd60Co30-xFexAl10 mold-cast rods does not vary much with the Fe-content for more than 10 at.% Fe but the remanence and the maximum magnetization increase linearly with the Fe content. The temperature dependence of coercivity, effective anisotropy constant, and anisotropy field are identical to those for the binary Nd80Fe20 mold-cast rod. These results clearly suggest that the binary Nd80Fe20 and the multicomponent Nd60Co30-xFexAl10 (x > 5) mold-cast rods are magnetically identical.

Hochfeste Leitermaterialien werden für gepulste Hochfeld-Magnetspulen benötigt, um damit die sehr hohen Magnetfelder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 100 T zerstörungsfrei erzeugen zu können. Cu-Nb-Legierungen besitzen ein hohes Potential, um die widersprüchlichen Anforderungen an das Leitermaterial, wie hohe Festigkeit, hohe Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit, zu erfüllen. Die Herstellung von Cu-Nb-Legierungen ist jedoch auf dem konventionellen Weg der Schmelzmetallurgie aufgrund der vernachlässigbar kleinen gegenseitigen Randlöslichkeit der beiden Komponenten sehr kompliziert. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchengen zur Technologie für die Herstellung von hochfesten Cu-Nb-Leitermaterialien auf der Basis der Pulvermetallurgie. Gleichermaßen ist die Entwicklung der Legierung Kerninhalt der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurden während der einzelnen Prozessschritte sowohl die Entwicklung des Gefüges als auch die für die Anwendung relevanten Eigenschaften der Legierung untersucht und die Beziehungen zwischen Gefüge und mechanischen wie auch elektrischen Eigenschaften ermittelt.

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Hochfeste Leitermaterialien werden für gepulste Hochfeld-Magnetspulen benötigt, um damit die sehr hohen Magnetfelder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 100 T zerstörungsfrei erzeugen zu können. Cu-Nb-Legierungen besitzen ein hohes Potential, um die widersprüchlichen Anforderungen an das Leitermaterial, wie hohe Festigkeit, hohe Leitfähigkeit und gute Verformbarkeit, zu erfüllen. Die Herstellung von Cu-Nb-Legierungen ist jedoch auf dem konventionellen Weg der Schmelzmetallurgie aufgrund der vernachlässigbar kleinen gegenseitigen Randlöslichkeit der beiden Komponenten sehr kompliziert. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchengen zur Technologie für die Herstellung von hochfesten Cu-Nb-Leitermaterialien auf der Basis der Pulvermetallurgie. Gleichermaßen ist die Entwicklung der Legierung Kerninhalt der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurden während der einzelnen Prozessschritte sowohl die Entwicklung des Gefüges als auch die für die Anwendung relevanten Eigenschaften der Legierung untersucht und die Beziehungen zwischen Gefüge und mechanischen wie auch elektrischen Eigenschaften ermittelt.

In this work, mixed alkoxides of general formula [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 and C2H5, x = 1, 4.5 and 9) are obtained. They are used to prepare complex (V/Nb)-pentoxides. Different spectroscopic methods, for example UV/VIS, resonance raman, infrared, temperature dependant 51V NMR and two dimensional 1H or 13C NMR, are used to elucidate structural details. It can be shown that the alkoxide precursor is a mixture of monomers and dimers which exchange very quickly. 2 % [V(O)Nb(OPr)8] (Pr = propyl) exists in a 0.1 molar solution. This complex is in equilibrium with V(O)(OPr)3 and Nb(OPr)5. Nb(OPr)5 itself exchanges with [Nb(OPr)5]2. For nuclear magnetic resonance experiments the exchange has to be slowed down using low temperatures.Controlled hydrolysis at 5 °C of a mixture of V(O)(OPr)3 and [Nb(OEt)5]2 in propanol leads to a clear transparent gel. The ratio of V : Nb is 1 : 1, 1 : 4.5 or 1 : 9, and oxalic acid is used as a chelating agent. Moreover, a dried product of a frozen solution of ammonium vanadate and ammonium oxyoxalatoniobate in water is found to be an appropriate precursor for the fore-mentioned oxides. Thermal decomposition of the gels and of the freeze dried products is monitored thermoanalytically and mass spectrometrically.The compositions of the resulting phases are examined and compared with the composition obtained via conventional synthesis (sintering of powder mixtures). Phases VNbxO(2.5+2.5x) (x = 1, 4.5 and 9) are obtained through the sol-gel technique and freeze drying at distinctly lower temperatures. VNbO5 crystallizes between 400 and 650 °C and V4Nb18O55 between 550 and 750 °C. A clean, non-reduced phase, VNb9O25, crystallizes above 1100 °C in oxygen. Below this temperature, solid solutions of V2O5 in TT- or M-Nb2O5 exist. Conventionally, pure VNbO5 is not obtainable. Some sol-gel synthesized products have the advantage of a more complete phase formation. In this way, a new phase of composition VNb9O25 can be found. The phase is homöotypic to M-Nb2O5.An additional advantage of the sol-gel synthesis lies in relatively high surface areas. Adversely, carbon remaining from the alcohol groups favours the thermodynamically stable phase VNb9O25 over the phase V4Nb18O55. Consequently, the freeze drying method seems to be the best way to get metastable phases in the system V2O5/x·Nb2O5.The formation of the complex oxides is controlled through the thermodynamics at phase boundaries. Therefore, to get mixed phases, structurally similar starting materials are preferred. In other words, using V2O5 and TT-Nb2O5 as starting materials the mixed phase similar to TT-Nb2O5 can be obtained. B-Nb2O5 as precursor yields another mixed phase similar to B-Nb2O5. In this work, this effect is called the "structure directing effect". It is explained through the consumption of free enthalpy at the phase boundaries.As an additional point, catalytic activities of the complex oxides are examined. Because of a synergism of the known good activity of V2O5 and the good selectivity of Nb2O5, a strongly enhanced activity of the mixed oxides is found. Large surface areas further improve the activity. Connections between oxygen partial pressure, band gap and catalytic activity are found. A dilution of V2O5 in Nb2O5 down to 10 mol-% also causes an enhancement of catalytic activity. / In der Arbeit werden durch die Synthese gemischter Alkoxide der Gesamtzusammensetzung [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 und C2H5, x = 1, 4,5 und 9) sowie gefriergetrockneter Pulver Ausgangssubstanzen für gemischte, komplexe Vanadium- und Nioboxide erhalten. Untersuchungen mittels UV/VIS-, Resonanz-Raman- und IR-Spektroskopie sowie temperaturabhängiger 51V- und zweidimensionaler 1H-/13C NMR-Spektroskopie zeigen, dass es sich bei der Alkoxid-Vorstufe um ein Gemisch aus monomeren und dimeren Einheiten handelt, die in schnellem Gleichgewicht miteinander stehen. So liegt [V(O)Nb(OPr)8] als Donorkomplex vor, der im Gleichgewicht mit VO(OPr)3 und Nb(OPr)5 steht. Nb(OPr)5 steht wiederum im Gleichgewicht mit [Nb(OPr)5]2. Die Bildung und der Zerfall des Donorkomplexes erfolgen bei Raumtemperatur so schnell, dass er nur durch UV/VIS- und Resonanz-Raman-Spektroskopie sichtbar wird; bei der Kernresonanzspektroskopie muss der Austausch durch tiefe Temperaturen verlangsamt werden.Mittels kontrollierter Hydrolyse einer Mischung aus VO(OPr)3 und [Nb(OEt)5]2 in Propanol mit Oxalsäure als Chelatbildner und der Verlangsamung der Kondensation über die Erniedrigung der Temperatur wird ein homogenes, transparentes Gel aus V2O5 und Nb2O5 hergestellt. Daneben wird durch eine Lösung aus Ammoniumvanadat und Ammoniumoxyoxalatoniobat ein für die Gefriertrocknung geeigneter Precursor zur Synthese der Oxidphasen gefunden. Die Zersetzung des Gels und der gefriergetrockneten Pulver werden mittels DTA, TG und Massenspektrometrie untersucht und die Phasenausbildung mit der Reaktion von konventionellen Festkörpergemengen verglichen.Die dabei entstehenden metastabilen und thermodynamisch stabilen Phasen VNbxO(2,5+2,5x) (x = 1, 4,5 und 9) sind durch das Sol-Gel-Verfahren sowie durch die Gefriertrocknung bei deutlich niedrigeren Temperaturen und mit geringerem Fremdphasenanteil als bei der konventionellen Synthese erhältlich. VNbO5 existiert bis 650 °C, V4Nb18O55 bis 750 °C, darüber wandelt sich jede Zusammensetzung in VNb9O25 bzw. in verschiedene Nb2O5-Modifikationen und V2O5 um. Die Sol-Gel-Methode liefert im Vergleich zur Gefriertrocknung bei 900-1100 °C den Vorteil der schnelleren Phasenausbildung durch die größere Homogenität der Vorstufe. So erhält man Zwischenstufen, die sonst nur mit Beimengungen zu synthetisieren sind. In diesem Zusammenhang kann erstmalig eine zu M-Nb2O5 homöotype Verbindung der Zusammensetzung VNb9O25 erhalten werden. Ein weiterer Vorteil der Sol-Gel-Synthese ist der Erhalt größerer Oberflächen nach der Zersetzung. Nachteilig erscheinen jedoch bei einer Synthese bei tiefen Temperaturen (500-800 °C) die Alkoholatreste. So entstehen wesentlich eher die thermodynamisch begünstigten Phasen, z. B. VNb9O25 vor V4Nb18O55 und V4Nb18O55 vor VNbO5. Weiterhin macht sich die komplizierte Präparation der Gele bemerkbar; daher stellt im Allgemeinen die Gefriertrockung die Methode der Wahl dar.Die Ausbildung der komplexen Oxide erfolgt stark geprägt durch die Thermodynamik an den Phasengrenzen. Daher erfolgt eine bevorzugte Ausbildung strukturähnlicher Mischphasen. Diese erstmalig in diesem Ausmaß festgestellte Tatsache wird in der Arbeit der Strukturdirigierende Effekt genannt. Eine Erklärung dieses Effektes erfolgt anhand des Verbrauchs der Freien Enthalpie an den Phasengrenzen.Aufgrund eines Synergismus der Eigenschaften von V2O5 und Nb2O5 bei der oxidativen Dehydrierung von Propan zu Propen (relativ hohe katalytische Aktivität von V2O5 und hohe Selektivität von Nb2O5) wird eine überproportional hohe katalytische Aktivität bei den Mischoxiden erhalten. Die durch die unkonventionellen Methoden erhaltenen großen Oberflächen verbessern die Aktivität weiter. Es können Zusammenhänge festgestellt werden zwischen der Sauerstoffabgabetendenz, der Redoxkraft, der Bandlücke der Mischoxide und der katalytischen Aktivität. Die Einzigartigkeit des Nb2O5-Wirtsgitters bewirkt bei der Verdünnung von V2O5 darin eine hohe katalytische Leistungssteigerung.

In this work, mixed alkoxides of general formula [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 and C2H5, x = 1, 4.5 and 9) are obtained. They are used to prepare complex (V/Nb)-pentoxides. Different spectroscopic methods, for example UV/VIS, resonance raman, infrared, temperature dependant 51V NMR and two dimensional 1H or 13C NMR, are used to elucidate structural details. It can be shown that the alkoxide precursor is a mixture of monomers and dimers which exchange very quickly. 2 % [V(O)Nb(OPr)8] (Pr = propyl) exists in a 0.1 molar solution. This complex is in equilibrium with V(O)(OPr)3 and Nb(OPr)5. Nb(OPr)5 itself exchanges with [Nb(OPr)5]2. For nuclear magnetic resonance experiments the exchange has to be slowed down using low temperatures.Controlled hydrolysis at 5 °C of a mixture of V(O)(OPr)3 and [Nb(OEt)5]2 in propanol leads to a clear transparent gel. The ratio of V : Nb is 1 : 1, 1 : 4.5 or 1 : 9, and oxalic acid is used as a chelating agent. Moreover, a dried product of a frozen solution of ammonium vanadate and ammonium oxyoxalatoniobate in water is found to be an appropriate precursor for the fore-mentioned oxides. Thermal decomposition of the gels and of the freeze dried products is monitored thermoanalytically and mass spectrometrically.The compositions of the resulting phases are examined and compared with the composition obtained via conventional synthesis (sintering of powder mixtures). Phases VNbxO(2.5+2.5x) (x = 1, 4.5 and 9) are obtained through the sol-gel technique and freeze drying at distinctly lower temperatures. VNbO5 crystallizes between 400 and 650 °C and V4Nb18O55 between 550 and 750 °C. A clean, non-reduced phase, VNb9O25, crystallizes above 1100 °C in oxygen. Below this temperature, solid solutions of V2O5 in TT- or M-Nb2O5 exist. Conventionally, pure VNbO5 is not obtainable. Some sol-gel synthesized products have the advantage of a more complete phase formation. In this way, a new phase of composition VNb9O25 can be found. The phase is homöotypic to M-Nb2O5.An additional advantage of the sol-gel synthesis lies in relatively high surface areas. Adversely, carbon remaining from the alcohol groups favours the thermodynamically stable phase VNb9O25 over the phase V4Nb18O55. Consequently, the freeze drying method seems to be the best way to get metastable phases in the system V2O5/x·Nb2O5.The formation of the complex oxides is controlled through the thermodynamics at phase boundaries. Therefore, to get mixed phases, structurally similar starting materials are preferred. In other words, using V2O5 and TT-Nb2O5 as starting materials the mixed phase similar to TT-Nb2O5 can be obtained. B-Nb2O5 as precursor yields another mixed phase similar to B-Nb2O5. In this work, this effect is called the "structure directing effect". It is explained through the consumption of free enthalpy at the phase boundaries.As an additional point, catalytic activities of the complex oxides are examined. Because of a synergism of the known good activity of V2O5 and the good selectivity of Nb2O5, a strongly enhanced activity of the mixed oxides is found. Large surface areas further improve the activity. Connections between oxygen partial pressure, band gap and catalytic activity are found. A dilution of V2O5 in Nb2O5 down to 10 mol-% also causes an enhancement of catalytic activity. / In der Arbeit werden durch die Synthese gemischter Alkoxide der Gesamtzusammensetzung [V(O)Nbx(OR)(3+5x)] (R = n-C3H7 und C2H5, x = 1, 4,5 und 9) sowie gefriergetrockneter Pulver Ausgangssubstanzen für gemischte, komplexe Vanadium- und Nioboxide erhalten. Untersuchungen mittels UV/VIS-, Resonanz-Raman- und IR-Spektroskopie sowie temperaturabhängiger 51V- und zweidimensionaler 1H-/13C NMR-Spektroskopie zeigen, dass es sich bei der Alkoxid-Vorstufe um ein Gemisch aus monomeren und dimeren Einheiten handelt, die in schnellem Gleichgewicht miteinander stehen. So liegt [V(O)Nb(OPr)8] als Donorkomplex vor, der im Gleichgewicht mit VO(OPr)3 und Nb(OPr)5 steht. Nb(OPr)5 steht wiederum im Gleichgewicht mit [Nb(OPr)5]2. Die Bildung und der Zerfall des Donorkomplexes erfolgen bei Raumtemperatur so schnell, dass er nur durch UV/VIS- und Resonanz-Raman-Spektroskopie sichtbar wird; bei der Kernresonanzspektroskopie muss der Austausch durch tiefe Temperaturen verlangsamt werden.Mittels kontrollierter Hydrolyse einer Mischung aus VO(OPr)3 und [Nb(OEt)5]2 in Propanol mit Oxalsäure als Chelatbildner und der Verlangsamung der Kondensation über die Erniedrigung der Temperatur wird ein homogenes, transparentes Gel aus V2O5 und Nb2O5 hergestellt. Daneben wird durch eine Lösung aus Ammoniumvanadat und Ammoniumoxyoxalatoniobat ein für die Gefriertrocknung geeigneter Precursor zur Synthese der Oxidphasen gefunden. Die Zersetzung des Gels und der gefriergetrockneten Pulver werden mittels DTA, TG und Massenspektrometrie untersucht und die Phasenausbildung mit der Reaktion von konventionellen Festkörpergemengen verglichen.Die dabei entstehenden metastabilen und thermodynamisch stabilen Phasen VNbxO(2,5+2,5x) (x = 1, 4,5 und 9) sind durch das Sol-Gel-Verfahren sowie durch die Gefriertrocknung bei deutlich niedrigeren Temperaturen und mit geringerem Fremdphasenanteil als bei der konventionellen Synthese erhältlich. VNbO5 existiert bis 650 °C, V4Nb18O55 bis 750 °C, darüber wandelt sich jede Zusammensetzung in VNb9O25 bzw. in verschiedene Nb2O5-Modifikationen und V2O5 um. Die Sol-Gel-Methode liefert im Vergleich zur Gefriertrocknung bei 900-1100 °C den Vorteil der schnelleren Phasenausbildung durch die größere Homogenität der Vorstufe. So erhält man Zwischenstufen, die sonst nur mit Beimengungen zu synthetisieren sind. In diesem Zusammenhang kann erstmalig eine zu M-Nb2O5 homöotype Verbindung der Zusammensetzung VNb9O25 erhalten werden. Ein weiterer Vorteil der Sol-Gel-Synthese ist der Erhalt größerer Oberflächen nach der Zersetzung. Nachteilig erscheinen jedoch bei einer Synthese bei tiefen Temperaturen (500-800 °C) die Alkoholatreste. So entstehen wesentlich eher die thermodynamisch begünstigten Phasen, z. B. VNb9O25 vor V4Nb18O55 und V4Nb18O55 vor VNbO5. Weiterhin macht sich die komplizierte Präparation der Gele bemerkbar; daher stellt im Allgemeinen die Gefriertrockung die Methode der Wahl dar.Die Ausbildung der komplexen Oxide erfolgt stark geprägt durch die Thermodynamik an den Phasengrenzen. Daher erfolgt eine bevorzugte Ausbildung strukturähnlicher Mischphasen. Diese erstmalig in diesem Ausmaß festgestellte Tatsache wird in der Arbeit der Strukturdirigierende Effekt genannt. Eine Erklärung dieses Effektes erfolgt anhand des Verbrauchs der Freien Enthalpie an den Phasengrenzen.Aufgrund eines Synergismus der Eigenschaften von V2O5 und Nb2O5 bei der oxidativen Dehydrierung von Propan zu Propen (relativ hohe katalytische Aktivität von V2O5 und hohe Selektivität von Nb2O5) wird eine überproportional hohe katalytische Aktivität bei den Mischoxiden erhalten. Die durch die unkonventionellen Methoden erhaltenen großen Oberflächen verbessern die Aktivität weiter. Es können Zusammenhänge festgestellt werden zwischen der Sauerstoffabgabetendenz, der Redoxkraft, der Bandlücke der Mischoxide und der katalytischen Aktivität. Die Einzigartigkeit des Nb2O5-Wirtsgitters bewirkt bei der Verdünnung von V2O5 darin eine hohe katalytische Leistungssteigerung.

Ohmic contacts are crucial components in semiconductor devices such as transistors and diodes, and lowering their contact resistance is an important factor in device performance enhancement. This is especially important for low-noise amplifiers (LNAs) where device noise temperature decreases both directly and indirectly with decreasing contact resistance. This becomes relevant in quantum computers operated at cryogenic temperatures as LNAs constitutes the 4 K quantum bit (qubit) readout signal amplification chain. The goal of this project is to investigated the superconducting element niobium (Nb) as contact material for indium phosphide (InP) high-electron-mobility transistors (HEMTs), being the active component in cryogenic high-frequency LNAs. For contact and barrier resistance determination, test structures were fabricated and utilized according to the transfer length method(TLM) and the recess TLM respectively. Measurements were performed in room temperature as well as in cryogenic temperatures below and above Nb’s bulk transition temperature of 9.25 K. The results show low-resistance Nb-based ohmic contacts for n-In0.65Ga0.35As, with the non-alloyed Nb(50 nm)/Au(100 nm) stack yielding a room temperature contact resistivity of (9.4 ± 0.5) × 10−8 Ωcm2. For all contacts the contact resistivity increased moving to cryogenic temperatures, as expected when electron occupation of high-energy states decreases. At cryogenic temperatures nosuperconducting transition was observed, attributed to the Nb layer thickness being roughly equal to its coherence length. Considering the effective barrier resistance, the Ni/Ge/Au/Nb/Au alloyed contact had the lowest room temperature resistance, reporting 143 Ω µm. In cryogenic temperatures the effective barrier resistance unexpectedly decreased in all contacts. The Nb/Au contact showed the best cryogenic performance, with a barrier resistance of 28 − 37 Ω µm. This indicates great potential for non-alloyed Nb/Au contacts in cryogenic InP HEMTs. / Alla halvledarkomponenter, som dioder och transistorer, har ohmska kontakter. Att sänka kontaktresistansen hos de ohmska kontakterna är ett sätt att höja prestandan hos en komponent. Särskilt gäller detta för lågbrusförstärkare, som har en brustemperatur som minskar både direkt och indirekt med avtagande kontaktresistans. För kvantdatorer som måste kylas till kryogena temperaturer för att fungera är detta relevant eftersom förstärkningen av utläsningssignalen från kvantbitar sker via lågbrusförstärkare vid 4 K. Målet för detta examensprojekt är att undersöka ohmska kontakter baserade på det supraledande materialet niobium (Nb) i indiumfosfidbaserade högelektronmobilitetstransistorer, som är den aktivakomponenten i kryogena högfrekvens-lågbrusförstärkare. För bestämning av kontaktoch barriärresistans producerades teststrukturer enligt Transfer Length-metoden (TLM) respektive etsad TLM. Mätningar genomfördes i rumstemperatur samt vid kryogena temperaturer både över och under niobiumets kritiska temperatur på 9.25 K. Resultatet visar låg kontaktresistans för Nb-baserade ohmska kontakter på n-In0.65Ga0.35As. Den icke-legerade Nb(50 nm)/Au(100 nm)-kontakten hade en kontaktresistivitet på (9.4 ± 0.5) × 10−8 Ωcm2 . Vid kryogena temperaturer ökade kontaktresistansen för samtliga Nb-baserade kontakter, vilket är förväntat då färre elektroner fyller högenergitillstånd. Inget supraledande tillstånd observerades vid kryogena temperaturer, vilket kan förklaras av att tjockleken på niobiumlagret var ungefär lika med dess koherenslängd. Lägst barriärresistans vid rumstemperatur hade den legerade Ni/Ge/Au/Nb/Au-kontakten, med ett värde på 143 Ω µm. Vid kryogena temperaturer skedde en oväntad minskning hos barriärsresistansen hos samtliga kontakter, där den lägst barriärsresistans uppmättes på den icke-legerade Nb/Au-kontakten, 28 − 37 Ω µm. Slutsatsen som dras är att det finns stor potential för användning av icke-legerade Nb/Au-kontakter för kryogena lågbrusförstärkare baserade på indiumfosfid.