Diploma thesis deals with the methodology of preparation of Alit – the main clinker mineral. The content of this work involves design and optimization of the methodology of preparation of pure Alit polymorphs, analysis of their properties by available analytical methods and evaluation of the change of crystallinity in the process of preparation of these polymorphs by XRD-analysis.

Die vorliegende Promotion beinhaltet die Untersuchung von irregulären Kohlenstoff-Nanostrukturen, die mittels Hochenergie-Kugelmahlen hergestellt wurden. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht darin, die strukturelle Vielfalt dieser Nanostrukturen experimentell zu erfassen, zu klassifizieren und bezüglich ausgewählter Eigenschaften zu bewerten, sowie mit den Herstellungsparametern in Zusammenhang zu bringen. Die Pulver konnten nach den Mahlungen hinsichtlich ihrer Struktur in zwei grundsätzliche Typen eingeteilt werden: (I) ein Nanopulver, das aus graphitischen Stapelpaketen besteht, welche in eine amorphe Matrix eingebettet sind, (II) ein vollständig amorphisiertes Pulver. Die Strukturanalyse in Bezug auf die Mahlbedingungen (Mahlatmosphäre, Mahltemperatur) zeigt, dass die Dauer der Nanostrukturierung sowie die Anzahl und Größe von graphitischen Stapelpaketen gezielt beeinflusst werden kann. Außerdem konnten Hinweise gefunden werden, die darauf hindeuten, dass Mahlen bei tiefen Temperaturen oder unter Wasserstoffatmosphäre die Agglomeration der Nanopartikel verringern kann. Das Kugelmahlen ermöglicht es ebenfalls, die spezifische Oberfläche des Graphitpulvers von 5,5 m2/g auf 725 m2/g innerhalb von fünf Mahlstunden zu erhöhen. Der Anteil der Verunreinigungen (Fe) liegt dabei nicht höher als 0,05 wt%. Es ist jedoch zu beachten, dass sämtliche Eigenschaften stark von den verschiedenen Mahlparametern (Mahltemperatur, Mahlmaterial) abhängen. Die für Adsorptionsuntersuchungen optimalen Eigenschaften (große spezifische Oberfläche, erhöhte Reaktivität, geringe Verunreinigungen) werden schon nach kurzer Mahldauer erreicht. Wiederholungsmahlungen und Wiederholungsmessungen verschiedener Eigenschaften (spezifische Oberfläche, Verbrennungstemperatur) machen deutlich, dass die Ergebnisse reproduzierbar sind, und dass keine Alterungserscheinungen während der Lagerung unter Argonatmosphäre im Zeitraum von einem Jahr auftreten. Die Wasserstoffspeicherung an nanostrukturierten Kohlenstoffpulvern konnte nachgewiesen werden. Die maximalen Speicherkapazitäten für Temperaturen nahe 77 K lagen bei 1,5 wt%. Für niedrigere Temperaturen Tist = 35 K zeigten sich höhere Speicherkapazitäten von bis zu 5 wt%. Die Korrelation der ermittelten Speicherkapazitäten mit den theoretisch erreichbaren Werten in Bezug auf die Oberfläche der Proben zeigt, dass im Experiment deutlich höhere Werte erhalten werden. Dies lässt den Schluss zu, dass neben der Speicherung an der Oberfläche der Pulver ein weiterer Speichermechanismus innerhalb der Mikroporen der Proben stattfindet.

Physikalische und chemische Charakterisierung von Lithiumionenzellen

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung selektiver Si1-xCx-Prozesse, die eine mechanische Zugspannung im Kanal von NMOS-Transistoren erzeugen, und so durch eine gezielte Änderung der Bandstruktur die Elektronenbeweglichkeit und damit auch die Leistungsfähigkeit der Bauteile erhöhen soll. In der vorliegenden Arbeit werden die wichtigsten Fragestellungen zum Wachstum der Si1-xCx-Schichten näher beleuchtet. Dabei werden zwei Methoden zum Wachstum der Schichten charakterisiert. Neben einem disilanbasierten UHV-CVD-Verfahren wird ein LP-CVD-Verfahren unter der Verwendung von Trisilan herangezogen. Für beide Prozessvarianten konnten mithilfe einer zyklischen Prozessführung selektive, undotierte und in-situ phosphordotierte Abscheidungen realisiert werden. Es wird gezeigt, dass die Disilanprozesse aufgrund ihrer geringen Wachstumsraten einen hohen Anteil interstitiellen Kohlenstoffs bedingen. Durch FT-IR-Analyse konnte belegt werden, dass sich während des Wachstums Siliziumkarbid-präzipitate bilden, die das epitaktische Wachstum nachhaltig schädigen können. Erweiterte man das Wachstum infolge der Zugabe von German zum ternären System Si1-x-yCxGey (y=0,05…0,07) wurde ein starker Anstieg der Wachstumsraten festgestellt. Die Aktivierungsenergie für das epitaktische Wachstum sinkt durch die Zugabe von German und der substitutionelle Kohlenstoffgehalt kann erhöht werden. Es wird gezeigt, dass German nicht nur für die Unterstützung des Ätzprozesses hilfreich ist, sondern im LP-CVD-Verfahren zur Unterstützung des HCl-basierten Ätzprozesses dienen kann. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Abscheidung und Charakterisierung in-situ phosphor-dotierter Schichten. Es wird nachgewiesen, dass Phosphor die Wachstumsrate erhöht und dass Phosphor und Kohlenstoff in Konkurrenz um substitutionelle Gitterplätze stehen. Phosphor ist außerdem auch die Spezies, für die die größte Anisotropie hinsichtlich des Einbaus auf Si(110) im Vergleich zu Si(001) beobachtet wurde: Je nach Prozessführung wird auf Si(110)-Ebenen nahezu doppelt so viel Phosphor eingebaut wie auf Si(001). Dieser Effekt ist insofern von großer Relevanz, als dass ein steigender Phosphoranteil auch die thermische Stabilität der Schichten herabsetzt. Die Relaxationsvorgänge basieren bei Si1-xCx-Schichten auf Platzwechselvorgängen substitutioneller Kohlenstoffatome zu interstitiellen Silizium-Kohlenstoff-Hanteldefekten unter der Bildung einer Leerstelle. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, nach dem Phosphor durch die Entstehung von PV-Komplexen diese Reaktion begünstigt, wodurch die Relaxationsvorgänge beschleunigt werden. Infolge einer dreidimensionalen Atomsondenanalyse kann der Endzustand der Relaxation – die Bildung stöchiometrischen Siliziumkarbids – belegt werden. In-situ phosphordotierte Si1-xCx-Schichten mit ca. 4*1020 at/cm³ Phosphorgehalt und 1,8 at.% Kohlenstoff wurden erfolgreich in NMOS-Transistoren der 45 nm Generation integriert und mit ebenfalls im Rahmen der Dissertation entwickelten Si:P-Rezepten verglichen. Die höchste Leistungssteigerung von 10 % konnte durch die Kombination aus beiden Prozessen erzielt werden, bei dem auf die spannungserzeugende Si1-xCx-Schicht zur Senkung des Silizidwiderstandes eine Si:P-Kappe aufgebracht wird. Die Einprägung einer Zugspannung in den Transistorkanal wurde mittels Nano beam diffraction nachgewiesen und wurde auf Basis des piezoresistiven Modells mit SiGe-PMOS-Transistoren verglichen.

Cement production is responsible for around 7% of the global anthropogenic carbon dioxide emissions. More than half of these emissions are due to the unavoidable release of carbon dioxide upon thermal decomposition of the main raw material limestone. Many different options for carbon capture are currently being investigated to lower emissions, and one potential route to facilitate carbon capture could be the implementation of an electrified separate calcination step. However, potential effects on the phase composition of cement clinker need to be investigated, which is the aim of the present study. Phases of special interest are alite, belite, aluminate, ferrite, calcite, and lime.  The phase composition during clinker formation was examined through HT-XRD lab-scale experiments, allowing the phase transformations to be observed in situ. Two different methods of separate calcination were investigated, one method in which the raw meal was calcined separately, and one method where the limestone was calcined separately. The former yielded an alite amount similar to that of the reference experiments, whereas the latter method yielded a lower amount. It could, unfortunately, not be excluded that the difference was due to poor experimental conditions, and additional experiments are needed to investigate the matter further. The study does, however, indicate that a calcined raw meal might be used to produce a clinker of similar phase composition concerning major phases belite, aluminate, ferrite, alite, and free lime. A raw meal containing calcined limestone might, however, need longer residence time at clinkering temperature too obtain similar phase composition. In addition, a raw meal containing calcined limestone was observed to be carbonated to a greater extent upon reheating than a calcined raw meal. Further experiments are needed to fully understand the effects on clinker composition of an electrified separate calcination step, and several improvements to the experimental method are given in the study.

Synthese und Charakterisierung (SC-XRD, P-XRD, IR, NMR, QCC) metall-organischer Komplexe tetravalenter Actinide Th, U, Np, Pu mit Liganden Salen und Derivat Salpn im Festkörper und in Lösung.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Jingyu Lin / III-nitride nanostructures and devices were synthesized by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) for their applications in various photonic, optoelectronic, and energy devices such as deep ultraviolet (DUV) photodetectors, solar cells, visible emitters, thermometric (TE) power generators, etc. Structural and optical properties in thicker AlN epilayers were found to be better than those in thinner AlN epilayers. Full-width at half maxima (FWHM) of x-ray diffraction (XRD) rocking curves as small as 63 and 437 arcsec were measured at (002) and (102) reflections, respectively in a thick AlN epilayer (4 m). The dark current of the fabricated AlN detectors decreases drastically as AlN epilayer thickness increases. DUV photoluminescence (PL) spectroscopy and x-ray diffraction (XRD) measurements were employed to study the effect of biaxial stress in AlN epilayers grown on different substrates. Stress-induced band gap shift of 45 meV/GPa was obtained in AlN epilayers. The potential of InGaN alloys as TE materials for thermopower generation has been investigated. It was found that as In content increases, thermal conductivity decreases and power factor increases, which leads to an increase in the TE figure of merit (ZT). The value of ZT was found to be 0.08 at 300 K and reached 0.23 at 450 K for In0.36Ga0.64N alloy, which is comparable to that of SiGe based alloys. Single phase InxGa1−xN alloys inside the theoretically predicted miscibility gap region (x = 0.4 to 0.7) were successfully synthesized. A single peak of XRD -2 scans of the (002) plane in InGaN alloys confirms that there is no phase separation. Electrical properties and surface morphologies were found to be reasonably good. It was found that growth rate should be high enough (>400 nm/hr) to achieve high quality and single phase InxGa1−xN alloys in this miscibility gap region. Mg-doped InxGa1-xN alloys were synthesized and characterized by Hall-effect and PL measurements for their application as visible emitters. P-type conductivity was measured up to x = 0.35 with accepter activation energy as low as 43 meV, which is about 4 times lower than that of Mg-doped p-type GaN. Resistivity as low as 0.4 -cm with a free hole concentration as high as 5x1018 cm-3 was measured in Mg-doped In0.22Ga0.78N. PL intensity decreased ~3 orders in magnitude when x increased from 0 to 0.22 in Mg-doped InxGa1-xN alloys.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης περιγράφεται η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νέων μεσοπορωδών βιοενεργών υλικών. Παρουσιάζονται οι συσχετιζόμενες με τα πορώδη/μεσοπορώδη υλικά έννοιες, οι ιδιότητες τους και διάφοροι τρόποι σύνθεσης τους. Εν συνεχεία, αναλύονται θέματα βιουλικών, δίνοντας έμφαση στις βιοϋάλους και τις ιδιότητες τους, και ειδικότερα στη βιονεργότητα, που αποτελεί την πιο χαρακτηριστική ιδιότητα αυτών, ενώ δίνεται έμφαση, επίσης στις διάφορες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την σύνθεση τους. Στην συνέχεια αναλύονται οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό των προαναφερθέντων υλικών καθώς και ο τρόπος λειτουργίας της κάθε τεχνικής. Επίσης, γίνεται αναφορά στα διαφορετικά χαρακτηριστικά των υλικών που μπορούν να μελετηθούν για κάθε τεχνική ξεχωριστά. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία διεξαγωγής των πειραμάτων, οι διάφοροι τρόποι σύνθεσης που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς και σχολιασμός των αποτελεσμάτων. Τέλος, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τα πειραματικά αποτελέσματα για την παρούσα μεταπτυχιακή εργασία. Επίσης γίνεται αναφορά και σε μελλοντικές κατευθύνσεις που περιλαμβάνουν την χρήση αυτών των υλικών σε σύνθετα υλικά για παλμική εναπόθεση με Laser και τεχνικές εναπόθεσης λεπτού υμενίου. / In this master thesis the synthesis and characterization of novel bioactive mesoporous materials is being reported. The notions related to porous/mesoporous materials, their properties and various synthetic methods are being discussed. Subsequently, the notion of “biomaterials” is further analyzed, focusing on bioglasses and their properties. The meaning of bioactivity is also analyzed as the most characteristic feature of bioglasses while various methods used for the synthesis of these are discussed. Following the techniques used to characterize these materials as well as the operating mode of each technique is discussed. In the last chapter, the experimental processes are reported as well as the results are being discussed. Finally, the conclusions of all the experiments and analysis are reported. Also, future directions include the usage of these materials in composite materials for laser ablation and thin film deposition techniques are mentioned.

This thesis investigated the impact of aluminum (Al) substitution in ferrihydrite (FH) on both its chemical and physical properties. Al was coprecipitated with FH under controlled hydrolysis conditions to yield various % mol substitutions. Sulfate adsorption was measured across pHs to examine any changes in surface reactivity. The samples’ morphology, specific surface areas (SSAs), crystallinity, and phase transformation upon heating were evaluated and parameterized to allow conclusions on the role of Al on the physical properties. Sulfate sorption diminished across pHs for all Al saturation levels. X-ray Diffraction revealed goethite (GT) presence was negatively influenced by Al. The SSAs of samples increased non-linearly with increasing % mol Al, indicating a decreasing particle size with more Al content. Transmission Electron Microscopy micrographs showed the FH nanoparticles transformed to acicular/blocky laths of GT crystals and lenticular/platy hematite (HM) crystals with occasional grainy appearance at both room temperature and upon active heating. The phase transformation alongside the derived aspect ratios (length/width) of the GT crystals were retarded by the Al substitution.

PVDF, Poly(vinylidene fluoride), is a polymer that has been studied for over four decades due to its good electromechanical properties, stability, and durability in various environments. Currently, PVDF is the only commercially available piezoelectric polymer. PVDF is a polymorph, which indicates the presence of several crystalline phases such as α, β, γ, and δ-phase. Oriented β-phase PVDF exhibits ferroelectric properties and displays the largest piezoelectricity amongst the four phases, which makes it the most desirable phase. Preparing oriented β-phase PVDF is a multi-step process, which is cost intensive, due to the time, labor and energy utilized. The main goal of this work is to prepare oriented β-phase PVDF using the electrospraying technique in a one step process. During the electrospraying process a polymer jet is ejected. This jet disintegrates into droplets due to overwhelming surface tension, resulting in a sprayed coating on the collector substrate. Because of the combination of jet ejection and the high voltage applied between the needle tip and the substrate, the droplets can be stretched and the polymer chains can be oriented. Both the stretching and the high electric field are required for the transformation of α-phase to the oriented β-phase. This study proposes that by using the electrospraying technique it is possible to transform the α-phase to the β-phase in a one step process starting from solution. This research focuses on the processing and characterization of electrosprayed PVDF as well as electrosprayed PVDF/carbon nanotubes (PVDF/CNT) nanocomposites. The specific tasks are to determine the changes to the PVDF phases due to the electrospraying technique, and to determine the changes in the PVDF morphology due to the addition of carbon nanotubes to the polymer matrix.PVDF with two different molecular weights were electrosprayed using different solvents and parameters. Initial observations after electrospraying were that, high boiling point solvents resulted in the spraying of the solution and forming films, whereas a low boiling point volatile solvent such as acetone resulted in the spinning of the solution thus forming non-woven fiber mats. The thermal and electrical properties of the electrosprayed PVDF and PVDF/CNT composites are measured using several characterization techniques, including Modulated Differential Scanning Calorimetry (MDSC), Dielectric spectroscopy, Thermally Stimulated Current (TSC), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), and X-Ray Diffraction (XRD). MDSC results show that electrosprayed PVDF has a lower melting point temperature than that of PVDF commercially available pellets. In addition, electrosprayed PVDF/CNT nanocomposites show a linear increase in the percentage of crystallinity with the increase of CNT concentration in the composite. Dielectric spectroscopy results indicate that by increasing the CNT concentration in the composite, the dielectric constant and the polymer conductivity increase.From the four characterizing techniques used, two of them, FT-IR and XRD, show that it is possible to transform α-phase to β-phase PVDF in a one-step process using electrospraying. The other two techniques, TSC and dielectric spectroscopy, show α-phase for the electrosprayed samples without CNT, and some β-phase formation with samples electrosprayed with CNT. These last two techniques; TSC and dielectric spectroscopy have results that differ from the FT-IR and XRD techniques. This contradiction may be a result of the small amounts of β-phase in the sample, which cannot be detected using these techniques. Another reason may be due to the difference in the probing levels between these techniques. XRD and FT-IR probe at the molecular level, whereas TSC and dielectric probe at a much larger scale, which may make it hard to detect small amounts of β-phase.