Die Motivation der vorliegenden Arbeit ist es, einen geeigneten Mehrzonenofen für die Kristallzüchtung zu bauen, welcher für den Einsatz unter Mikrogravitations-Bedingungen im Orbit (Internationale Raumstation ISS) geeignet ist. In dieser Arbeit wird ein Überblick über Kristallzüchtungsverfahren aus der Schmelze, allgemeine Anforderungen an Kristallzüchtungsöfen, elektrische Beheizungssysteme, geeignete Messsysteme und einsetzbare Materialien gegeben, sowie die Auswahl der Konstruktionsprinzipien und Gestaltung anhand geometrischer, thermischer und atmosphärischer Randbedingungen festgelegt. Die Auslegung und die Dimensionierung des Kristallzüchtungsofens (Energiebedarf, Wärmeverluste, Kühlung) und mechanischen (Spannung, Biegemoment, Festigkeit) werden für geeignetes Optimum gefunden. Die Konstruktionsprinzipien, Gestaltung, Auslegung und Dimensionierung werden am Beispiel FMF durchgeführt. Die Fertigstellung von Konstruktionsunterlagen und Dokumentationen wird ergänzt.

Nichtmetallische Einschlüsse üben normalerweise auf die Gebrauchseigenschaften von Stählen einen schädlichen Einfluss aus. Sie können aber unter gewissen Bedingungen positiv sein. Hohe Gebrauchseigenschaften von Stählen können garantiert werden, wenn die Größe nichtmetallischer Einschlüsse unter einem kritischen Niveau gehalten wird. Die vorliegende Studie dient dem Zweck, die Verfahrenstechnik zur Erzeugung feiner Oxidteilchen nahe oder unter 1 mm Durchmesser, die als Keime für die Bildung feinverteilten Ferrits und feinverteilter Ausscheidungen dienen, zu entwickeln. Alternative Desoxidationstechniken sind ein erfolgversprechender Ansatz, die genannten Wirkungen zu erreichen. Die Einflüsse von Desoxidationsmitteln wie Al, Ti, Zr und Mn sowie der Abkühlungsgeschwindigkeit auf die Oxideinschlüsse sowie deren Größe, Verteilung und Anzahl werden untersucht. Die Keimbildungsmechanismen feinverteilten Ferrits und feinverteilter Ausscheidungen werden vorgestellt. Der physikalische Mechanismus des Nozzle Cloggings wird vorgestellt und quantativ interpretiert. Eine gute Vergießbarkeit wird durch die Erzeugung von feinverteilten sphärischen Einschlüssen mit glatter Oberfläche, hoher Dichte und kleinem Benetzungswinkel garantiert. Desweiteren wird auch ein modifizierter e-Formalismus zur exakten thermodynamischen Analyse metallischer Schmelzen und ein Modell zur Berechnung des Wachstums von Oxideinschlüssen in Stahlschmelzen während der Erstarrung entwickelt.

Anorganische Salzhydrate sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Schmelzwärmen als Phase-Change-Materials(PCM) für Latentwärmespeicher favorisiert. Die Unterkühlung der Salzhydratschmelzen stellt oftmals ein besonderes Problem bei technischen Anwendungen dar. Erstmalig wurden kombinatorische Methoden zur strukturell unspezifischen Suche nach Keimbildnern genutzt. Das hier entwickelte Verfahren erlaubt es, thermische Kristallisationseffekte zwischen 10°C und 170°C zu untersuchen. Bis zu 2025 Materialkombinationen können sowohl parallel synthetisiert als auch analysiert werden. Die Synthese der Keimbildner erfolgte durch Verhältnisvariation gelöster Salze mittels automatisierter Dosierung auf Trägerplatten und anschließendem Tempern. Die aktiven Kombinationen wurden durch zeitaufgelöste Thermographie identifiziert. Die Schlüssigkeit des gesamten Verfahrens konnte durch das erfolgreiche Screening zweier PCM mit unterschiedlichen Schalttemperaturen (NaCH3COO*3H2O; Fp=58°C und LiNO3*3H2O; Fp=29°C) nachgewiesen werden.

Mit Hilfe von phosphathaltigen Inhibitoren ist es möglich, hoch übersättigte Gipslösungen über einen vorgegebenen Zeitraum zu stabilisieren, und anschließend, zu einer definierten Zeit, Gips auszufällen. Damit können derartige Lösungen zur Permeabilitätsreduzierung von Grundwasserleitern eingesetzt werden. Untersuchungen zum Verlauf der Kristallisation zeigten die Abhängigkeit der Induktionszeit der Gipsbildung von pH-Wert, Temperatur, anwesenden Feststoffen und von der Übersättigung der Lösung. Die Wechselwirkungen zwischen Inhibitor und übersättigter Lösung, Gipskristallen und Sand werden sowohl durch Polyphosphathydrolyse als auch durch Adsorption des Inhibitors und Absorption im entstehenden Kristallisat bestimmt. In Säulenversuchen gelang es, in weiten Bereichen Gips abzuscheiden und die Porösität zu reduzieren. Ausgehend von den Untersuchungen zur Injektionsmethodik in den Säulenversuchen konnten im Feldtest technologische und geotechnische Parameter praxisnah getestet werden. Die Permeabilität des Grundwasserleiters wurde erfolgreich reduziert. Damit wurde ein weiteres niedrig viskoses Injektionsmittel zur Permeabilitätsreduzierung in Sedimenten mit niedrigen kf-Werten gefunden.

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.

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.

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 Entdeckung der eisenbasierten Supraleiter, eine neue Klasse der Hochtemperatur-Supraleiter, erregte weltweit große Aufmerksamkeit. Durch intensive Untersuchungen an dieser Materialklasse sehen viele Wissenschaftler die Möglichkeit, weitere Anhaltspunkte für mikroskopische Modelle der Hochtemperatur-Supraleitung zu erhalten, deren Ursprung auch nach intensiver Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten noch nicht vollständig geklärt werden konnte. Voraussetzung dieser Untersuchungen ist die Züchtung reiner, möglichst defektfreier Kristalle. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den Bereich der Kristallzüchtung eisenbasierter Supraleiter wissenschaftlich zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit ausgewählten Kristallzüchtungsverfahren zur Herstellung eisenbasierter Supraleiter. Dabei waren neben der Optimierung von Prozessparametern zur reproduzierbaren Probenherstellung weitere Schwerpunkte, die Untersuchung von Schmelz- und Erstarrungsprozessen des Materials sowie die Charakterisierung gezüchteter Kristalle hinsichtlich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften. Der erste Teil dieser Arbeit führt wesentliche Ergebnisse der Kristallzüchtung von BaFe2As2 sowie der Cobalt-substituierten Verbindung Ba(Fe1-xCox)2As2 mit xNom = 0.025, 0.05, 0.07, 0.10 und 0.20 auf. Hierzu wurde eine Versuchsdurchführung für das vertikale Bridgman-Verfahren konzipiert, mit welcher erfolgreich Kristalle dieser Zusammensetzungen gezüchtet wurden. Das Erreichen einer hohen Probenqualität konnte durch verschiedene physikalische Untersuchungen nachgewiesen werden. In den Cobalt-substituierten Verbindungen wurden durch Messungen der Suszeptibilität sowie des spezifischen Widerstandes Supraleitung mit Sprungtemperaturen von bis zu 26.1 K bzw. 27.3 K für Kristalle mit xNom = 0.07 (xEDX = 0.09) beobachtet. Durch verschiedene Versuchsdurchführungen konnten optimale Prozessparameter für das Bridgman-Verfahren ermittelt werden. Dabei wurden unter anderem verschiedene Tiegelmaterialien hinsichtlich ihrer Eignung als Schmelztiegel getestet. Demnach sind Materialien aus Al2O3 vorzugsweise einzusetzen. Die durchgeführten EDX-Analysen an gezüchteten Kristallen belegten eine gute Übereinstimmung der Zusammensetzungen mit den nominalen Einwaagen sowie eine homogene Verteilung des Cobalt-Substituenten. Die rasterelektronenmikroskopischen sowie thermoanalytischen Untersuchungen zum Schmelz- und Erstarrungsverhalten von BaFe2As2 brachten neue Erkenntnisse hervor, welche in der bisher verfügbaren Literatur noch nicht diskutiert wurden. So konnte eine horizontale Schichtung des Materials im Schmelztiegel während des Aufschmelzens der Ausgangsmaterialien beobachtet werden. Dabei nimmt eine Fe-reiche Schmelze infolge einer Schwerkraftseigerung den unteren Tiegelbereich ein. Eine Ba-reiche Schmelze befi ndet sich aufgrund dessen im oberen Tiegelbereich. Die Erstarrungsbahnen dieser unterschiedlichen Schmelzbereiche müssen danach unabhängig voneinander betrachtet werden. Dabei setzt mit dem Absenken des Schmelztiegels aus der heißen Zone in den kühleren Bereich der Bridgman-Anlage zunächst in der Fe-reichen Schmelze des unteren Tiegelbereichs die Ausbildung höher schmelzender BaFe2As2-Primärphasen ein. Nach weiterem Absenken des Tiegels wird die Erstarrungstemperatur von BaFe2As2 bei T ~ 1330 °C auch im oberen Tiegelbereich erreicht, wodurch dort schlagartig die Keimbildung dieser Phase in der Ba-reichen Schmelze einsetzt und ein kongruentes Erstarrungsverhalten von BaFe2As2 bestätigt. Die Keimbildung findet dabei heterogen an verschiedenen Nukleationspunkten der Tiegelwand sowie an BaFe2As2-Primärphasen statt. Das Wachstum der Kristalle erfolgt daraufhin entgegen dem Temperaturgradienten, so dass diese schlussendlich mit ihrer ab-Ebene nahezu parallel orientiert zur Tiegelwand vorliegen. Bei weiterer Abkühlung kristallisiert schließlich die Fe-reiche Schmelze im unteren Tiegelbereich aus. Das dabei erstarrende Gefüge zeichnet sich durch primäre Fe2As-Mischkristalle sowie einem Eutektikum aus Fe2As und ff-Fe aus. Obwohl die Keimbildung und das Kristallwachstum der BaFe2As2-Phase nicht in der Tiegelspitze einsetzt, stellt das Bridgman-Verfahren eine vorteilhafte Methode dar, mittels des eingestellten Temperaturgradienten die Ba-reiche Schmelze im oberen Tiegelbereich gerichtet erstarren und die Kristalle weitestgehend orientiert im Tiegel wachsen zu lassen. Des Weiteren ist es mit dem Bridgman-Verfahren möglich, das Schmelz- und Erstarrungsverhalten des Materials zu analysieren. Hierzu bieten die in diesem Teil der Arbeit erzielten Ergebnisse eine gute Grundlage für weitere Untersuchungen. Der zweite Teil dieser Arbeit enthält wesentliche Ergebnisse zur Kristallzüchtung von LiFeAs sowie der Nickel-substituierten Verbindung Li1-δFe1-xNixAs mit xNom = 0.015, 0.025, 0.05, 0.06, 0.075 und 0.10. Hierfür wurde erfolgreich eine Versuchsdurchführung für das Schmelz fluss-Verfahren entwickelt. Untersuchungen bezüglich geeigneter Schmelztiegel belegten, dass Materialien aus Al2O3 zur Kristallzüchtung dieses Materialsystems geeignet sind, jedoch ist das Aufbringen einer inerten BN-Innenschicht für das Vermeiden heftiger Reaktionen unerlässlich. Mithilfe der ICP-OES-Analysen von gezüchteten Kristallen der Nickel-substituierten Verbindung konnten signi kante Abweichungen in den Lithium-Gehalten festgestellt werden. Dabei konnten drei Probentypen unterschieden werden, die sich je nach Lithium-Gehalt supraleitend (Li ~ 1.04), komplex paramagnetisch (Li ~ 0.97) oder ferromagnetisch (Li ~ 0.64) verhielten. Dieses Verhalten stellte sich dabei unabhängig vom Nickel-Gehalt ein. In den ferromagnetischen Proben wurden mittels der ICP-OES-Analysen neben einem deutlichen Lithium-Unterschuss von ~ 0.64 auch höhere Eisen-Gehalte von ~ 1.22 ermittelt. Diese Beobachtungen wurden durch Analysen an ferromagnetischen Proben der Zusammensetzung Li1-yFe1+yAs mit yNom = 0.02, 0.20 und 0.25 unterstützt, bei denen gleichermaßen ein leichter Lithium-Unterschuss von ~ 0.94 sowie erhöhte Eisen-Gehalte von ~ 1.07, ~ 1.11 und ~ 1.12 festgestellt wurden. Ob diese Beobachtungen signi kant sind, ist in weiteren Untersuchungen zu klären. In den Nickel-substituierten Verbindungen wurde ferromagnetisches Verhalten für Proben mit einem deutlichen Lithium-Unterschuss (Li ~ 0.64) beobachtet. Hingegen führten in Li1-yFe1+yAs mit yNom = 0.02, 0.20 und 0.25 bereits geringfügige Abweichungen im Lithium-Gehalt (Li ~ 0.94) zu ferromagnetischem Verhalten. Möglicherweise sind mit der Substitution von Eisen durch Nickel höhere Abweichungen des Lithium-Gehalts von der stöchiometrischen Zusammensetzung nötig, um Ferromagnetismus im System LiFeAs zu induzieren. Genauere Interpretationen der bisherig gewonnenen Ergebnisse sind nur durch weiterführende chemische Analysen sowie Strukturuntersuchungen möglich. In der vorliegenden Arbeit konnte aufgezeigt werden, dass mit den konzipierten Versuchsanordnungen eine erfolgreiche Kristallzüchtung eisenbasierter Supraleiter möglich ist. Jedoch sind die thermodynamischen Phasendiagramme, als unabdingbare Hilfsmittel für die Kristallzüchtung der untersuchten Materialsysteme, in ihrer Komplexität noch nicht eindeutig verstanden. Hierfür sowie für weitere Untersuchungen bietet die vorliegende Arbeit eine gute Grundlage.

In dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Additive (Carbonsäuren, Phosphonsäuren und Retardan P) auf die einzelnen Teilprozesse des Abbindens von Gips an technischen und synthetischen Halbhydraten unter vergleichbaren Bedingungen untersucht. Vorrangig bei der Keimbildung und beim Kristallwachstum wurde ein Einfluss der Additive beobachtet. Das pH-abhängige Wirkungsoptimum kann mit der Speziation der Additive erklärt werden. Ihre Wirkung wird durch Adsorption auf CaSO4-Oberflächen verursacht. Die Untersuchungen ergaben eine bevorzugte Ca-Affinität mit den Flächen (120) und (001) zunehmend von Citronensäure über Weinsäure, HEDP zu HDTMP. Die in verdünnten homogenen Lösungen erhaltenen Ergebnisse sind nicht direkt auf den Abbindeprozess in Pasten übertragbar. In-situ Ramanspektroskopie und Auswaschexperimente weisen in Pasten auf irreversible Adsorption und ein Überwachsen der Additive hin, was zur Abnahme ihrer Wirkung führt. Auf die Festigkeit der abgebundenen Gipskörper zeigen die Additive kaum Einfluss.