Prediction of contaminant transport and fate relies on robust delineation of hydrogeologic units (HGUs), which serve as the framework for all conceptual and numerical models. In layered sedimentary rock systems, contrasts in bulk vertical hydraulic conductivity (Kv) are expected to refract groundwater flow lines and be indicative of distinct HGUs. However, HGU delineation typically relies on data indirectly related to hydraulic properties or hydraulic data insensitive to contrasts in Kv. Flow system theory shows that the distribution of hydraulic head reflects contrasts in Kv. Therefore, depth-discrete and detailed (i.e. high resolution) hydraulic head profiles should identify contrasts in Kv in layered systems. This research develops, applies, and tests a high resolution head/vertical gradient profile approach to HGU delineation for sedimentary rock groundwater systems. First, the repeatability and characteristics of head profiles in sedimentary rocks were evaluated by collecting data from three contaminated field sites with contrasting geologic and flow system conditions. The shapes of the head profiles were reproducible in time and geometric in nature. The head profiles displayed thick zones with no or minimal vertical gradient separated by thinner zones with large vertical gradient indicating contrasts in Kv that did not coincide with lithostratigraphic units. Next, the method was applied at the plume scale to a site in Wisconsin with seven vertical gradient profiles collected along two cross-sections. The vertical gradient cross-sections revealed nine laterally extensive zones with contrasting Kv. The contrasts in Kv were closely associated with key sequence stratigraphic units and integration of the two data sets resulted in delineation of eight HGUs for the site. Last, comparison of these HGUs to the site contaminant mass and phase distributions, including detailed rock core contaminant profiles, provided additional verification for the HGU delineation and added insight regarding important flow and contaminant migration pathways. Application of the high resolution head/vertical gradient profile method at the Wisconsin site resulted in hydraulic measurement based, geologically integrated, and more accurately delineated HGUs. The revised hydrogeologic unit conceptual model will improve predictions of contaminant transport and fate and evaluation of remediation system designs.

In der vorliegenden Arbeit werden wissenschaftlich-technologische Untersuchungen zur wandabgelösten VGF-Züchtung von Germanium präsentiert. Dazu wurden zwei Varianten mit Hinblick auf die Etablierung und Stabilisierung bestimmter Druckverhältnisse angewendet: (i) Beim passiven dVGF-Verfahren erfolgt die Erzeugung der Druckdifferenz über die thermische Beeinflussung des Inertgases Ar, und (ii) beim erstmals gezeigten aktiven dVGF-Verfahren über eine temperaturkontrollierte, separate Zn-Dampfdruckquelle. Ge-Einkristalle mit einem Durchmesser bis zu 3 Zoll wurden nahezu vollständig ohne Tiegelkontakt gezüchtet. Der Effekt der Wandablösung wird anhand der mikroskopischen Charakterisierung der Kristalloberfläche, der Durchbiegung der Phasengrenze sowie der etch pit density (EPD), ein Maß für die Versetzungsdichte gezeigt. Im Vergleich zu konventionell gezüchteten VGF-Kristallen zeigen die detached gezüchteten Kristalle eine hohe strukturelle Qualität. Dies wird auf reduzierte thermische und thermo-mechanische Spannungen bei der wandabgelösten Züchtung zurückgeführt.

In der vorliegenden Arbeit werden wissenschaftlich-technologische Untersuchungen zur wandabgelösten VGF-Züchtung von Germanium präsentiert. Dazu wurden zwei Varianten mit Hinblick auf die Etablierung und Stabilisierung bestimmter Druckverhältnisse angewendet: (i) Beim passiven dVGF-Verfahren erfolgt die Erzeugung der Druckdifferenz über die thermische Beeinflussung des Inertgases Ar, und (ii) beim erstmals gezeigten aktiven dVGF-Verfahren über eine temperaturkontrollierte, separate Zn-Dampfdruckquelle. Ge-Einkristalle mit einem Durchmesser bis zu 3 Zoll wurden nahezu vollständig ohne Tiegelkontakt gezüchtet. Der Effekt der Wandablösung wird anhand der mikroskopischen Charakterisierung der Kristalloberfläche, der Durchbiegung der Phasengrenze sowie der etch pit density (EPD), ein Maß für die Versetzungsdichte gezeigt. Im Vergleich zu konventionell gezüchteten VGF-Kristallen zeigen die detached gezüchteten Kristalle eine hohe strukturelle Qualität. Dies wird auf reduzierte thermische und thermo-mechanische Spannungen bei der wandabgelösten Züchtung zurückgeführt.

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.

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.

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The semiconducting compounds CdTe and CdZnTe have important applications in high-energy radiation detectors and as substrates for infrared devices. The materials offer large band gaps, high resistivity, and excellent charge transport properties; however all of these properties rely on very precise control of the material composition. Growing bulk crystals by the travelling heater method (THM) offers excellent compositional control and fewer defects compared to gradient freezing, but it is also much slower and more expensive. A particular challenge is the current need to grow new crystals onto existing seeds of similar size and quality. Simulations and experiments are used in this work to investigate the feasibility of growing these materials by THM without the use of large seed crystals. A new fixed-grid, multiphase finite element model was developed based on the level set method and used to calculate the mass transport regime and interface shapes inside the growth ampoule. The diffusivity of CdTe in liquid tellurium was measured through dissolution experiments, which also served to validate the model. Simulations of tapered THM growth find conditions similar to untapered growth with interface shapes that are sensitive to strong thermosolutal convection. Favourable growth conditions are achievable only if convection can be controlled. In preliminary experiments, tapered GaSb crystals were successfully grown by THM and large CdTe grains were produced by gradient freezing. Beginning with this seed material, 25 mm diameter CdTe and CdZnTe crystals were grown on 10 mm diameter seeds, and 65 mm diameter CdTe on 25 mm seeds. Unseeded THM growth was also investigated, as well as ampoule rotation and a range of thermal conditions and ampoule surface coatings. Outward growth beyond one or two centimeters was achieved only at small diameters and included secondary grains and twin defects; however, limited outward growth of larger seeds and agreement between experimental and numerical results suggest that tapered growth may be achievable in the future. This would require active temperature control at the base of the crystal and reduction of convection through thermal design or by rotation of the ampoule or applied magnetic fields. / Graduate / 0346 / 0794 / 0548 / jordan.roszmann@gmail.com