Bei der Vertical Gradient Freeze-Züchtung von Halbleiterkristallen bis zu einem Durchmesser von 2″ wurde in einer speziell entwickelten Anlage die Beeinflussung des Wärme- und Stofftransports in der Schmelze durch ein rotierendes Magnetfeld (RMF) untersucht. An GaAs- und Ge-Kristallen konnte bei Einwirkung des RMF eine verminderte Durchbiegung der Phasengrenze aufgrund geringerer radialer Temperaturgradienten festgestellt werden. Die Analyse der Segregationsprozesse ergab unter RMF-Einfluss signifikante Änderungen der Ausdehnung der Diffusionsgrenzschicht vor der Phasengrenze. Dies spiegelte sich in einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung in den Kristallen wider. Die kritische magnetische Taylor-Zahl, die den Übergang von stationärer zu instationärer RMF-Konvektion charakterisiert, konnte für verschiedene Geometrieverhältnisse der Schmelze experimentell bestimmt werden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kristallzüchtung von Verbindungen, die extreme Bedingungen erfordern und deren Optimierung. Neben qualitativ hochwertigen Ausgangssubstanzen kommen dabei die Verweindung von Gasgemischen und von Hochdruck in der Kristallzüchtungskammer sowie geringe Ziehgeschwindigkeiten im Bereich von <0,4 mm/h zum Einsatz. Der Effekt von Hochdruck, insbesondere Sauerstoffhochdruck bis zu 150 bar, wurde während der Züchtung von Oxiden mit dem tiegelfreien Zonenschmelzverfahren, auf die Zusammensetzung und Kristallqualität untersucht. Im Gegensatz zu anderen Verfahren kommt es bei dieser Methode zu keinen Verunreinigungen durch Tiegelmaterial. Des Weiteren steht die Schmelze in direktem Kontakt zur Atmosphäre und kann mit dieser wechselwirken. Trotz der großen und interessanten Veränderungen die sich dadurch ergeben, gibt es hierzu bisher sehr wenige Forschungsaktivitäten. Dies kann damit erklärt werden, dass bisher die Möglichkeiten fehlten, solche Experimente durchzuführen. Um die genannten Züchtungsbedingungen zu realisieren, müssen entsprechende Anlagen bereitstehen. Ein Bestandteil dieser Arbeit war die Mitarbeit am Design sowie an den Messungen und der Erprobung von Funktionselementen für eine neu konzipierte Kristallzüchtungsanlage für Hochdruckversuche bis 150 bar.

Heusler compounds are cubic intermetallics with a wide range of interesting properties, which are closely related to the structure of the material. In addition, several exotic physical phenomena have been predicted for different compositions in the family, but have not been experimentally realized. By and large, the lack of success in realization of various properties are due to the issues with intrinsic material attributes, which have been difficult to resolve as the relationship between them is not well understood. The aim of this work has been to unravel the entanglement between the intrinsic material attributes of cobalt-based quaternary Heusler compounds such as the structure, defects (disorder), chemical inhomogeneities etc., and the resulting physical properties.

Erstmalig wurden für die VGF-Züchtung von GaAs-Kristallen die verschiedenen Möglichkeiten der Beeinflussung der Kohlenstoffkonzentration untersucht und Möglichkeiten zu deren zielstrebigen Einstellung aufgezeigt. Dies eröffnet auch für die so gezüchteten Kristalle den semi-isolierenden Widerstandsbereich bei niedrigkompensiertem GaAs technologisch sicher einstellen zu können. Anhand umfangreicher experimenteller Daten und thermodynamischer Betrachtungen werden die komplexen Zusammenhänge untersucht und Lösungswege für die technologische Beherrschung aufgezeigt. Das auf die experimentellen Daten angewendete Modell erzeugte die notwendigen Regelparameter für einen gradientenfreien Verlauf der Kohlenstoffkonzentration entlang der Kristallachse. Die Ergebnisse der Dissertation konnten in eine industrielle Fertigungstechnologie übertragen werden.

Die Arbeit befasst sich mit der Herstellung massiver Halbleitereinkristalle nach der Vertical Gradient Freeze (VGF) – Technologie unter dem Einfluss eines kombinierten magnetischen Gleich- und Wechselfeldes. Konkret wurden ein axial statisches und ein wanderndes Magnetfeld eingesetzt, um eine maßgeschneiderte Strömung in der Halbleiterschmelze zu erzeugen. Die Eigenschaften der Strömung wurden anhand von isothermalen Modellexperimenten detailliert untersucht. Des Weiteren wurden numerische Modelle der experimentellen Anordnungen entwickelt und umfangreiche Simulationen zu den auftretenden Magnet-, Strömungs-, Temperatur- und Spannungsfeldern durchgeführt. Der Arbeitsschwerpunkt lag auf der Optimierung der Kristalleigenschaften bei der Züchtung von GaAs- und Ge-Einkristallen. Durch den Einsatz der kombinierten Magnetfelder konnte eine signifikante Verringerung der Durchbiegung der Phasengrenze Schmelze/Kristall und der damit verbundenen thermischen Spannungen im Kristall gezeigt werden. Gleichzeitig wurde eine sehr homogene makroskopische Dotierstoffverteilung ohne auftretende Mikrosegregation erreicht.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kristallzüchtung von Verbindungen, die extreme Bedingungen erfordern und deren Optimierung. Neben qualitativ hochwertigen Ausgangssubstanzen kommen dabei die Verweindung von Gasgemischen und von Hochdruck in der Kristallzüchtungskammer sowie geringe Ziehgeschwindigkeiten im Bereich von <0,4 mm/h zum Einsatz. Der Effekt von Hochdruck, insbesondere Sauerstoffhochdruck bis zu 150 bar, wurde während der Züchtung von Oxiden mit dem tiegelfreien Zonenschmelzverfahren, auf die Zusammensetzung und Kristallqualität untersucht. Im Gegensatz zu anderen Verfahren kommt es bei dieser Methode zu keinen Verunreinigungen durch Tiegelmaterial. Des Weiteren steht die Schmelze in direktem Kontakt zur Atmosphäre und kann mit dieser wechselwirken. Trotz der großen und interessanten Veränderungen die sich dadurch ergeben, gibt es hierzu bisher sehr wenige Forschungsaktivitäten. Dies kann damit erklärt werden, dass bisher die Möglichkeiten fehlten, solche Experimente durchzuführen. Um die genannten Züchtungsbedingungen zu realisieren, müssen entsprechende Anlagen bereitstehen. Ein Bestandteil dieser Arbeit war die Mitarbeit am Design sowie an den Messungen und der Erprobung von Funktionselementen für eine neu konzipierte Kristallzüchtungsanlage für Hochdruckversuche bis 150 bar.

In dieser Arbeit wurden Segregationen, die bei der Z"uchtung einkristalliner Fasern von Oxidmischkristallsystemen mittels der Micro-Pulling-Down Methode auftreten, experimentell und theoretisch untersucht. Dazu wurden Fasern von hochschmelzenden Oxidmischkristallsystemen mit unterschiedlichen Gleichgewichtsverteilungskoeffizienten gezüchtet. Es wurde gezeigt, dass die Dotierstoffprofil von dem Gleichgewichtsverteilungskoeffizienten, der Ziehgeschwindigkeit, dem Sauerstoffpartialdruck der Züchtungsatmosphäre sowie der Meniskushöhe abhängt. Ein analytisches und ein numerisches Modell wurden erstellt um den Segregationsprozess zu beschreiben. Ein Modell basierend auf der irreversiblen Thermodynamik wurde zur Berechnung der Thermodiffusionskoeffizienten mittels Enthalpie und Entropie hergeleitet. Ausserdem wurden mechanische Spannungen, die durch die Segregationen erzeugt werden, untersucht. LiYF4 wurde erfolgreich gezüchtet. Für diesen Fall wurde die Notwendigkeit einer reinen Züchtungsatmosphäre sowie eines reinen Ausgangsmaterials in Bezug auf Wasser- und Sauerstoffverunreinigungen, gezeigt. / Within this study segregations, which occur during micro-pulling-down growth of single-crystal fibers of oxide solid solutions, have been analyzed in an experimental and theoretical manner. Single-crystal fibers of high melting point oxide solid solutions with different equilibrium distribution coefficient have been grown. It has been shown, that the dopant distribution depends on the equilibrium distribution coefficient of the dopant, the pulling speed, the oxygen partial pressure of the growth atmosphere and the meniscus height. An analytical and a numerical model have been established to describe the segregation process. A theoretical model based on irreversible thermodynamics to calculate the thermodiffusion factors using the enthalpy and entropy was derived. Also mechanical stresses induced by the segregation have been analyzed. LiYF4 has been grown successfully. In this case the necessity of a very high purity atmosphere and source material in terms of water and oxygen trace impurities has been shown.

In dieser Arbeit wurde die Ausgangsverbindung der eisenbasierten Supraleiter, LaFeAsO, durch die Synthese und Charakterisierung von poly- und einkristallinen Proben untersucht. Supraleitung kann in den eisenbasierten Supraleitern durch Elektronen- oder Lochdotierung hervorgerufen werden. Die Substitution von Eisen durch Mangan, formal eine Lochdotierung, hat hingegen einen destruktiven Effekt auf die Supraleitung. Dieser ist bei optimal fluordotiertem LaFeAs(O,F) um Größenordnungen stärker ausgeprägt als bei Nd- oder Sm-FeAs(O,F). Indem Lanthan partiell durch das kleinere Yttrium substituiert wurde, konnte gezeigt werden, dass diese unterschiedlich starke Mangantoleranz durch die Unterschiede im Seltenerdmetall-Ionenradius bedingt ist. Weiterhin finden sich Anzeichen, dass die Unterdrückung der Supraleitung durch Mangan mit Elektronenlokalisierung korreliert ist. Das Fehlen von großen dreidimensionalen Einkristallen der SEFeAsO-Verbindungsklasse stellt ein großes Hindernis in der Erforschung der elektronischen Eigenschaften der eisenbasierten Supraleiter dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Verfahren der Festkörper-Einkristallzüchtung ein geeignetes Mittel darstellt, um große, facettierte SEFeAsO-Einkristalle mit ausgeprägtem Wachstum in c-Richtung zu erhalten. Mit diesem neu entwickelten Einkristallzüchtungsverfahren konnte ein aktualisiertes Phasendiagramm von La(Fe,Co)AsO erstellt werden. Die Substitution von Eisen durch Cobalt entspricht einer Elektronendotierung und führt zu Supraleitung mit einer maximalen Sprungtemperatur von 12 K. Die Ausgangsverbindung LaFeAsO zeigt bei etwa 156 K einen strukturellen Phasenübergang von einer tetragonalen zu einer orthorhombischen Struktur, weiterhin tritt unterhalb von etwa 138 K eine Spindichtewelle auf. In Einklang mit dem bekannten Phasendiagramm werden mit Cobaltdotierung die beiden Übergänge unterdrückt, mit höheren Cobaltkonzentrationen kommt es zu Supraleitung. Anders als beim bekannten Phasendiagramm kann eine deutliche Aufspaltung zwischen magnetischem und strukturellen Übergang bei kleinen Cobaltkonzentrationen beobachtet werden. Außerdem findet sich eine Region der Koexistenz zwischen Supraleitung und Spindichtewelle. Bisher konnte ein solcher Zustand im SE(Fe,Co)AsO-System nicht beobachtet werden.

Melt flow plays an important role in directional solidification of multicrystalline silicon influencing the temperature field and the crystallization interface as well as the transport of impurities. This work investigates the potential of a traveling magnetic field (TMF) for an active control of the melt flow. A system of 3D numerical models was developed and adapted based on open-source software for calculations of Lorentz force, melt flow, and related phenomena. Isothermal and non-isothermal model experiments with a square GaInSn melt were used to validate the numerical models by direct velocity measurements. Several new 3D flow structures of turbulent TMF flows were observed for different melt heights. Further numerical parameter studies carried out for silicon melts showed that already a weak TMF-induced Lorentz force can stir impurities near to the complete mixing limit. Simultaneously, the deformed temperature field leads to an increase of the deflection of crystallization interface, which may exhibit a distinct asymmetry. The numerical results of this work were implemented in a research-scale silicon crystallization furnace. Scaling laws for various phenomena were derived allowing a limited transfer of the results to the industrial scale.

In der vorliegenden Arbeit wird die Einkristallzüchtung nach dem Czochralskiverfahren von GdCa4O(BO3)3 (GdCOB) beschrieben. Aus insgesamt 18 Zuchtversuchen, bei denen auch die Ziehgeschwindigkeit zwischen 1 und 3mm/h variiert wurde, wurden erfolgreich nahezu perfekte Einkristalle gewonnen. In einigen Kristallen traten jedoch auch Risse oder Einschlüsse auf. Diese enthielten neben Iridium vom Tiegelmaterial auch andere Phasen des Gd2O3–B2O3–CaO-Systems, sowie P und Yb, deren Herkunft unklar ist. Als Hauptziehrichtung wurde die kristallographische b-Achse gewählt, ergänzt durch einige Experimente in der c-Richtung. In den drei kristallographischen Hauptrichtungen wurden die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von GdCOB bestimmt. Diese können in zwei nahezu lineare Bereiche unterteilt werden: von Zimmertemperatur bis etwa 850° C und von 850 bis 1200° C, wobei die Koeffizienten im Hochtemperaturbereich deutlich höher sind (unter 850° C: alpha_a=11.1, alpha_b=8.6, alpha_c=13.3 10^-6/K, oberhalb 850° C: alpha_a=14.1, alpha_b=11.7, alpha_c=17.8 10^-6/K). Daraus ergibt sich, dass ein Phasenübergang höherer Ordnung vorliegen muss. Als mögliche Ursache wurde mittels HT-Raman Spektroskopie ein Ordnungs-Unordnungs-Übergang identifiziert, während dessen die BO3-Gruppen in der Struktur leicht rotieren. Weitere Untersuchungen mittels thermodynamischer Methoden führten zu schwachen, aber eindeutigen Signalen, die diesem Effekt ebenfalls zuzuordnen sind. Obwohl das Material ein vielversprechender Kandidat für piezoelektrische Anwendungen im Hochtemperaturbereich ist, wurde dieser Effekt bisher unzureichend beschrieben. Dieses Verhalten, kombiniert mit den anisotropen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, könnte eine der Ursachen für das Vorkommen von Rissen in den Kristallen während der Synthese darstellen. Spektroskopische Untersuchungen ergaben einen großen Transparenzbereich von 340 bis 2500nm (29 400–4000 cm^-1), was für optische Anwendungen von großer Bedeutung ist. / In a series of 18 growth experiments, GdCa4O(BO3)3 (GdCOB) single crystals were successfully grown by the Czochralski method. They have a well-ordered structure, as revealed by single crystal structure analysis. Although the main growth direction was along the crystallographic b-axis, some experiments were conducted using the cdirection. Pulling velocities were varied between 1 and 3mm/h. Except for a few crystals with cracks or elongated "silk-like" inclusions consisting of multiphase impurities, most of the obtained crystals are of good quality. Those inclusions contain iridium, deriving from the crucible, P and Yb with unclear source, and other phases from the system Gd2O3–B2O3–CaO. Thermal expansion coefficients of GdCOB were determined in the directions of the crystallographic axes and found to be approximately linear in two temperature ranges: from 25° C to around 850° C, and from 850 to 1200° C, with the latter range showing significantly higher coefficients (below 850° C: alpha_a=11.1, alpha_b=8.6, alpha_c=13.3 10^-6/K, and above 850° C: alpha_a=14.1, alpha_b=11.7, alpha_c=17.8 x10^-6/K). This sudden increase of thermal expansion coefficients indicates a phase transition of higher order. An order-disorder transition in form of the rotation of BO3-triangles in the structure was made tentatively responsible for this transition, as revealed by HT-Raman spectroscopy. This transition was also detected by DSC-methods but appeared to result in very weak effects. Although the material is thought to represent a promising candidate for high temperature piezoelectric applications (noncentrosymmetric space group Cm), this effect of change in specification has not been described and it is unknown whether it has influence on the piezoelectric properties. Furthermore, this characteristic behaviour in combination with anisotropic coefficients may be the reason for the development of cracks during cooling of crystals, making the growth difficult. Spectroscopic investigation revealed a wide transparency range from 340 to 2500nm (29 400–4000 cm^-1) of GdCOB, which is a very important property for optical applications.