Die Nutzung fossiler Energieträger hat die wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung der Menschheit bedeutend geprägt. Die Relevanz der verschiedenen Brennstoffe ist dabei stark vom technologischen Niveau abhängig gewesen. Mit der fortschreitenden Entwicklung und dem Aufstreben der Automobilindustrie in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gewann Erdöl als Quelle für verschiedene Kraftstoffe und Grundchemikalien immer größere Bedeutung. Der Energieverbrauch der Industriestaaten ist seit dem stetig gestiegen und zum Ende des 20. Jahrhunderts treten immer mehr Schwellenländer wie China, Indien oder Brasilien mit großem Energiehunger in Erscheinung. Dadurch wurden die Vorkommen fossiler Brennstoffe mit immer höherem Tempo ausgebeutet, sodass Schätzungen davon ausgehen, dass bereits 2030 nur noch 75% des Bedarfs durch bereits erschlossene Lagerstätten gedeckt werden können.[1] Im Gegensatz dazu sind die Reserven an Erdgas noch deutlich größer. Erdgas besteht vor allem aus Methan, welches auch über alternative Methoden z.B. Biofermentation hergestellt werden kann. Neben der Nutzung als primärer Energieträger ist Methan Ausgangsstoff für die Herstellung einer Vielzahl chemischer Produkte, z.B. Methanol oder kurzkettige Olefine[2, 3]. Eine wichtige Zwischenstufe dieser Prozesse stellt die Herstellung von Synthesegas dar, einem Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Die Herstellung erfolgt industriell über die Reaktion von Methan und Wasserdampf, dem Steamreforming. Alternative Verfahren stellen die partielle Oxidation von Methan und das Dry Reforming dar. In dieser Arbeit wurde die Aktivität verschiedener Katalysatorsysteme in der Totaloxidation, der partiellen Oxidation und dem Dry Reforming von Methan untersucht. Zur Synthese der Katalysatoren wurde die von E.Kockrick[4, 5] entwickelte Mikroemulsionsmethode angewandt. Dabei wurde die Abhängigkeit der katalytischen Aktivität von der Zusammensetzung der Komposite und den Synthesebedingungen untersucht. Das modulare Syntheseprinzip der Mikroemulsionsmethode wurde durch die Substitution der katalytisch aktiven Spezies durch verschiedene Übergangsmetalle und Gemische demonstiert. Weiterhin wurde eine neue Methode zur Herstellung makroporöser SiC-Keramiken (Abbildung 1) entwickelt. Dabei wird ein flüssiges Polycarbosilan in einer Emulsion mit besonders hohem Anteil der inneren Phase (high internal phase emulsion = HIPE) polymerisiert und zum SiC umgesetzt. Diese SiC-PolyHIPEs zeichnen sich durch ihre hohe Porosität und geringe Dichte aus. Ausgehend von der Synthesevorschrift nach Schwab et al.,[6] die die Synthese styrolbasierter PolyHIPEs beschreibt, wurde Styrol schrittweise durch SMP-10 ersetzt. Die erfolgreiche Inkorporation wurde durch thermogravimetrische Untersuchungen nachgewiesen. Zur Vernetzung des HIPE wurden verschiedene Initiatoren verwendet. Über den Anteil des SMP-10 am PolyHIPE konnte direkt Einfluss auf den Porenradius und die Dichte genommen werden, wobei die Porosität konstant bei 75% gehalten werden konnte.[7] Das Potential der SiC-PolyHIPEs für den Einsatz als poröser Katalysatorträger konnte durch die Funktionalisierung mit CeO2 und den Einsatz in der temperaturprogrammierten Oxidation von Methan nachgewiesen werden. Bereits durch eine Beladung des SiC-PolyHIPEs mit 30 Gew.% CeO2 konnte die gleiche Umsetzungstemperatur des Methans erreicht werden wie bei reinem CeO2. Eine weitere Strategie zur Erzeugung katalytisch aktiver SiC-Materialien wurde über die Funktionalisierung des Polycarbosilans mit hydrophoben CeO2-Nanopartikeln und Cerkomplexen entwickelt. Dabei zeigte sich, dass durch das Einbringen von 5 Gew.% über Dodecylamin stabilisierter CeO2-Nanopartikel eine ähnliche Aktivität in der Methanoxidation erreicht wurde, wie mit reinem Cerdioxid. Die Funktionalisierung des SMP-10 mit Cerkomplexen ergab für alle Cerkomplexe eine Phasenseparation nach dem Entfernen des Lösungsmittels. Nach der getrennten Pyrolyse der Phasen konnte nur im Pyrolysat der festen Phase Cer nachgewiesen werden, wodurch die Methanoxidation katalysiert wird. Als weitere Methode zur Erzeugung katalytisch aktiver und poröser SiC-Komposite wurde die von E.Kockrick entwickelte inverse Mikroemulsionsmethode[4, 5] verwendet. Die gewonnenen CeO2/Pt-SiCKomposite zeigten spezifische Oberflächen von bis zu 482m²/g bei einer Pyrolysetemperatur von 840 °C. Bei höheren Pyrolysetemperaturen von 1200 bzw. 1500 °C wurden Komposite mit maximal 428 bzw. 87m²/g erhalten. Die katalytischen Untersuchungen der CeO2/Pt-SiC-Komposite erfolgten an einem selbst entwickelten Katalyseteststand mit online-Analytik.[8] Dabei wurden die Totaloxidation, die partielle Oxidation und das Dry Reforming von Methan untersucht. Die Umsetzungstemperatur in der Totaloxidation von Methan konnte um bis zu 443K abgesenkt werden. In der partiellen Oxidation von Methan, wie auch beim Dry Reforming konnte bereits ab einer Reaktortemperatur von 805 °C Umsätze gemäß dem thermodynamischen Gleichgewicht erreicht werden. Die Aktivität in der partiellen Oxidation ist vor allem abhängig vom Platingehalt im Komposit. Die höchste Aktivität war bei den Kompositen mit niedriger Pyrolysetemperatur zu verzeichnen. Nach der Pyrolyse bei 1500 °C hingegen wurden aufgrund der geringeren spezifischen Oberfläche und der damit einhergehenden verminderten Zugänglichkeit der aktiven Zentren geringere Umsätze beobachtet. Einen guten Kompromiss zwischen Oxidationsbeständigkeit und katalytischer Aktivität stellten hier die Komposite dar, die bei 1200 °C pyrolysiert wurden. Mit diesen Kompositen wurden ab 805 °C bis zu 90% Umsatz und 80% Selektivität zu CO in der partiellen Oxidation von Methan und im Dry Reforming erreicht. Beim wiederholten Einsatz der CeO2/Pt-SiC-Komposite in der temperaturprogrammierten Oxidation von Methan konnte nach über 7 Zyklen keine Deaktivierung des Katalysators beobachtet werden. Die Übertragbarkeit der Mikroemulsionsmethode konnte durch den Einsatz verschiedener anderer Katalysatormaterialien gezeigt werden. Die katalytische Aktivität der erhaltenen porösen MI/MII-SiCKomposite wurde in der temperaturprogrammierten Oxidation von Methan mit einer Absenkung der Onsettemperatur um 177K bis 267K bestimmt. Damit stellt die Mikroemulsionsmethode eine flexible und robuste Möglichkeit zur Herstellung poröser SiC-Komposit-Katalysatoren dar. Literatur [1] International Energy Agency; World Energy Outlook, 2010. [2] M. Stöcker, Microporous Mesoporous Mater., 1999, 29(1-2), 3–48. [3] A.P.E. York, T. Xiao, M.L.H. Green, and J.B. Claridge, Catal. Rev. - Sci. Eng., 2007, 49(4), 511 – 560. [4] E. Kockrick, P. Krawiec, U. Petasch, H.-P. Martin, M. Herrmann, and S. Kaskel, Chem. Mater., 2008, 20(1), 77–83. [5] E. Kockrick, R. Frind, M. Rose, U. Petasch, W. Böhlmann, D. Geiger, M. Herrmann, and S. Kaskel, J. Mater. Chem., 2009, 19(11), 1543–1553. [6] M.G. Schwab, I. Senkovska, M. Rose, N. Klein, M. Koch, J. Pahnke, G. Jonschker, B. Schmitz, M. Hirscher, and S. Kaskel, Soft Matter, 2009, 5(5), 1055. [7] R. Frind, M. Oschatz, and S. Kaskel, J. Mater. Chem., 2011, (in Revision). [8] R. Frind, L. Borchardt, E. Kockrick, L. Mammitzsch, U. Petasch, M. Herrmann, and S. Kaskel, Appl. Catal., A, 2011, (in Revision).

In a worldwide pursuit for more Accident Tolerant nuclear Fuel (ATF), the quest to obtain and certify alternative nuclear fuel cladding tubes for light-water nuclear power reactors is still a key challenge. One of the facets in this program to develop more ATF is the heat transfer evaluation between the various proposed clad tubes manufactured from suitable replacement materials and the current problematic zirconium-alloy based clad tubes used in nuclear power reactors. For the heat transfer analysis, the accurate measurement of the temperature on the heat transfer surface of heated tubes to be tested was one of the important objectives for the effective analysis of the heat transfer characteristics to the water coolant. After extensive investigations, a suitable technique was developed and validated against recognised forced-convection heat transfer correlations. The results showed that this technique was well suited for external forced convection heat transfer studies from heated surfaces exposed to forced convection water coolants. / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2019. / Mechanical and Aeronautical Engineering / MSc (Applied Science - Mechanics) / Unrestricted

High temperature gas cooled nuclear reactors often make use of Tristructural Isotropic (TRISO) coated fuel particles. In these particles, a layer of silicon carbide plays the key role of providing mechanical strength and acting as a diffusion barrier so preventing the release of fission products. TRISO particles are produced by a chemical vapor deposition (CVD) process in a spouted bed coater. Operating conditions of chemical vapor deposition processes are known to influence the properties of the deposited material. In the case of silicon carbide deposited by pyrolysis of methyltrichlorosilane (MTS) in a hydrogen atmosphere, process parameters that may influence the properties of the silicon carbide deposited include deposition temperature, MTS concentration and hydrogen flow rates. In this study the coating process was investigated using a laboratory scale spouted bed CVD coater. In all the test work conducted, carbon coated zirconia particles were used as a starting material. Only silicon carbide was deposited during these trials. Process parameters investigated were temperature, MTS concentration and hydrogen flow rate. The range investigated was 1250 °C to 1550 °C for temperature, 0.5 % to 2.5 % for MTS concentration and 10.0 l.minute-1 to 15.0 l.minute-1 for hydrogen flow. This covered the range that is typically used for small-scale production coaters. Two different gas inlet configurations, a conventional water cooled inlet and an inlet without any cooling, were used in the investigation. Properties of the coating process, such as the deposition rate and coating efficiency, as well as material properties were measured. Material properties investigated included: density, crush strength, micro-hardness, fracture toughness, nano-hardness, Young’s modulus, elemental composition, phase composition and microstructure. It was found that, of the variables investigated, temperature had the strongest effect while hydrogen flow rate had the least effect on material properties. There was considerable variability in all measured parameters; this introduced considerable uncertainty into the predicted effects of process conditions on material properties. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2012. / Materials Science and Metallurgical Engineering / unrestricted

This paper describes the development of an experiment to test the characteristics and functionality of Silicon Carbide (SiC) components in a space environment. The experiment is a part the "Miniature Student Satellite" (MIST) project, and the "Work on Venus" project, both situated at KTH, Stockholm, Sweden The paper primarily covers the development and implementation of the experiments microcontroller and its software, whilst the construction and development of the test circuit for the transistors is carried out at the same time by another team, and therefore described in a separate paper. A microcontroller is selected for this experiment after consideration is taken to both the Low Earth Orbit environment where the experiment will take place, end the power consumption restrictions due to the limited amount of power available at the satellite itself. The software on the microcontroller is then developed to read temperature and voltage input from the different transistors under test, and transform the input data to a readable format sent to the satellites On Board Computer, which can then communicate the readings to the Earth Base Station. Apart from the software of the SiC experiment, a similar software solution on a similar microcontroller is developed for another experiment called MOREBAC, which will be placed on the same satellite. The main difference between the MOREBAC project and SiC in Space will be the type of data read on the input, the number of inputs and the format of the package sent to the On Board Computer. The final stage of the work for this thesis is the design and construction of a Printed Circuit Board. The board contains the microcontroller and connected components, the transistors to be tested, as well as power supplying components, covered in yet another thesis work. / Den här rapporten beskriver utvecklingen av ett experiment vars uppgift är att testa karaktäristiken och funktionaliteten hos Kiselkarbid(SiC)-komponenter i rymden. Experimentet, som går under namnet SiC in Space, är en del av "Minitature Student Satellite"-projektet (MIST), samt projektet "Working on Venus", vilka båda utförs på KTH, Stockholm, Sverige. Rapporten avhandlar huvudsakligen utvecklingen och implementationen av experimentets mikrokontroller samt den tillhörande mjukvaran, samtidigt som testkretsen för den transistor som undersökts utvecklades i ett annat projekt, och är således avhandlat i en annan rapport. En mikrokontroller valdes ut för projektet baserat både klimatet i "Low Earth Orbit" där satelliten kommer att befinna sig, samt de krav som ställdes på strömförbrukningen baserat på den begränsade strömförsörjningen på själva satelliten. Mjukvaran på mikrokontrollern utvecklades sedan för att avläsa temperaturvärden och spänningsnivåer vid testpunkter på transistorerna, för att sedan översätta denna data till ett läsbart format samt skicka den till satellitens omborddator, som i sin tur kan skicka datan till basstationen på jorden. Utöver den mjukvara som utvecklats till SiC in Space, utvecklades även en liknande lösning för ett annat experiment på satelliten, kallat MOREBAC. Den huvudsakliga skillnaden mellan de två mjukvarulösningarna är att de testpunkter som ska läsas av på MOREBAC skiljer sig både i antal och i utförande från de testpunkter som ska läsas på SiC in Space, samt det datapaket som sedan skickas till omborddatorn. Det slutgiltiga steget under detta projekt var sedan att designa och konstruera ett kretskort (PCB). Kretskortet innehåller både den mikrokontroller som avhandlas i denna rapport, transistorerna som ska testas, samt en strömförsörjningslösning som utvecklats i ytterligare ett parallellt projekt.

Since the first commercial silicon carbide (SiC) transistor was released, the interest in SiC has grown exponentially [1]. The wide energy band gap, high critical electric field and thermal conductivity of silicon carbide allow it to withstand higher voltage/current gains than conventional semiconductor materials [2]. The electrical properties of SiC enable integrated devices and circuits to operate at higher voltages and temperatures. One of the most attractive applications for SiC is in inverters for photovoltaic systems, where switching time is of great importance. This thesis presents the study of two bipolar junction transistors (BJT), FSICBH15A120 of SiC and BUV48A of conventional silicon (Si). The transistors were simulated and validated experimentally, then tested in a DC/AC pv inverter with a polycrystalline solar module of 36 solar cells as power source. The simulation results showed high efficiency and low power losses. / Sedan den första kommersiella transistorn av kiselkarbid (SiC) släpptes har intresset för SiC ökat exponentiellt [1]. Det breda energibandgapet, höga kritisk elektriska fältstyrkan och termiska ledningsförmågan i SiC gör att den klarar en högre kombination av spänning/strömförstärkning än konventionella halvledarmaterial [2]. De elektriska egenskaperna av SiC gör det möjligt för integrerade komponenter och kretsar att arbeta i högre spänningar och temperaturer. Ett av de största användningsområdena för SiC är i växelriktare för solceller, där switch-tid har stor betydelse. I detta examensarbete presenteras studien av två bipolära transistorer (BJT), FSICBH15A120 av SiC och BUV48A av konventionellt kisel (Si). Transistorerna simulerades och valideras experimentellt, och slutligen jämfördes med varandra i en DC/AC-omvandlare med en polykristallin solpanel av 36 solceller som strömkälla. Hög verkningsgrad och låga energiförluster påvisades.

Using inelastic electron scattering in combination with dielectric theory simulations on differently prepared graphene layers on silicon carbide we demonstrate that the coupling between the 2D plasmon of graphene and the surface optical phonon of the substrate cannot be quenched by modifcation of the interface via intercalation. The intercalation rather provides additional modes like, e.g., the silicon-hydrogen stretch mode in the case of hydrogen intercalation or the silicon-oxygen vibrations for water intercalation that couple to the 2D plasmons of graphene. Furthermore, in the case of bilayer graphene with broken inversion symmetry due charge imbalance between the layers, we observe a similar coupling of the 2D plasmon to an internal infrared-active mode, the LO phonon mode. The coupling of graphene plasmons to vibrational modes of the substrate surface and internal infrared active modes is envisioned to provide an excellent tool for tayloring the plasmon band structure of monolayer and bilayer graphene for plasmonic devices such as plasmon flters or plasmonic wave guides. The rigidity of the effect furthermore suggest that it may be of importance for other 2D materials as well.

The doping of quasi-freestanding graphene (QFG) on H-terminated, Si-face 6H-, 4H-, and 3C-SiC is studied by angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) close to the Dirac point. Using semi-insulating as well as n-type doped substrates we shed light on the contributions to the charge carrier density in QFG caused by i) the spontaneous polarization of the substrate, and ii) the band alignment between the substrate and the graphene layer. In this way we provide quantitative support for the previously suggested model of polarization doping of graphene on SiC [Phys. Rev. Lett. 108, 246104 (2012)].

Damage to the central nervous system (CNS) leads to the generation of an immune response which culminates with the encapsulation of the damaged area. The encapsulation, known as a glial scar, essentially breaks neural signal pathways and blocks signal transmissions to and from the CNS. The effect is the loss of motor and sensory control for the damaged individual. One method that has been used successfully to treat this problem is the use of a brain-machine interface (BMI) which can intercept signals from the brain and use these signals to control a machine. Although there are many types of BMI devices, implantable devices show the greatest promise with the ability to target specific areas of the CNS, with reduced noise levels and faster signal interception, and the fact that they can also be used to send signals to neurons. The largest problem that has plagued this type of BMI device is that the materials that have been used for their construction are not chemically resilient, elicit a negative biological response, or have difficulty functioning for extended periods of time in the harsh body environment. Many of these implantable devices experience catastrophic failure within weeks to months because of these negative factors. New materials must be examined to advance the future utilization of BMI devices to assist people with CNS damage or disease. We have proposed that two semiconductor materials, cubic silicon carbide (3C-SiC) and nanocrystalline diamond (NCD), which should provide solutions to the material biocompatibility problems experienced by implantable BMI devices. We have shown in this study that these two materials show chemical resilience to neuronal cellular processes, and we show evidence which indicates that these materials possess good biocompatibility with neural cell lines that, in the worst case, is comparable to celltreated polystyrene and, in most cases, even surpasses polystyrene. We have utilized 3C-SiC within an electrode device and activated the action potential of differentiated PC12 cells. This work details our initial efforts to modify the surfaces of these materials in order to improve cellular interaction and biocompatibility, and we examine our current and future work on improving our implantable BMI devices.

Les défauts ponctuels dans les matériaux à grande bande interdite font l’objet de nombreuses recherches, compte tenu des perspectives d’applications en technologie quantique. La réalisation de qubits et de capteurs quantiques a échelle nanomètres à l’aide du centre NV– a suscité la recherche de défauts ayant des propriétés magnéto-optiques similaires, mais dans un matériau technologiquement plus mûr tel que le carbure de silicium (SiC). Le SiC se présente sous différentes structures cristallographiques, notamment cubique (3C) et hexagonales (4H et 6H). Cette propriété permet d’obtenir une plus grande variété de défauts ponctuels profonds. Dans cette thèse, j'ai établi présence du défaut azote-lacune (NCVSi) de spin S=1 dans un échantillon de 4H-SiC irradié par des protons, en réalisant la spectroscopie d'excitation de la photoluminescence à la température cryogénique et en comparant les résultats à des calculs ab initio. J'ai également développé un dispositif qui m'a permis de détecter optiquement la résonance magnétique de spin S=1 (ODMR) de la bilacune (VCVSi) dans un échantillon de 3C-SiC et d'étudier son interaction hyperfine avec des spins nucléaires d’atome de carbone et de silicium voisins. / Point-like defects in wide-bandgap materials are attracting intensive research attention owing to prospective applications in quantum technologies. Inspired by the achievements obtained with the NV– center in diamond for which qubit and nanoscale quantum sensors have been demonstrated, the search for high spin color centers with similar magneto-optical properties in a more technological mature material such as silicon carbide (SiC) had a renewed interest. Indeed, SiC exhibits polymorphism, existing for instance with cubic (3C polytype) or hexagonal (4H and 6H polytypes) crystalline structures. Such property provides a degree of freedom for engineering a rich assortment of intrinsic and extrinsic atomic-like deep defects. In this thesis using photoluminescence excitation spectroscopy at cryogenic temperature and a comparison to ab initio calculations I have evidence the presence of nitrogen-vacancy spin S=1 (NCVSi) defect in proton irradiated 4H-SiC. I have also developed a setup that allowed me to detect optically the S=1 spin magnetic resonance (ODMR) of the divacancy (VCVSi) in 3C-SiC, and study its hyperfine interaction with nearby carbon and silicon nuclear spins.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19722号 / 工博第4177号 / 新制||工||1644(附属図書館) / 32758 / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 木本 恒暢, 教授 髙岡 義寛, 教授 山田 啓文 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM