Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3838
Main Title: Fiber crystal growth of cerium doped calcium scandate, strontium yttrium oxide, and tristrontium silicate
Translated Title: Faserkristallzüchtung von Cer-haltigem Calciumscandat, Strontium-Yttriumoxid und Tristrontiumsilikat
Author(s): Philippen, Jan
Advisor(s): Klimm, Detlef
Referee(s): Lerch, Martin
Klimm, Detlef
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Arbeit umfasst die Faserkristallzüchtung von Calciumscandat, Strontium-Yttriumoxid und Tristrontiumsilikat. Züchtungsmethoden sind die laser-heated pedestal growth- sowie die micro-pulling-down-Methode. Alle drei Materialien verbinden ein hoher Schmelzpunkt und ihre Untersuchung als LED-Lichtkonverter. Es werden Cer-haltige einkristalline Fasern hergestellt und im Hinblick auf Lumineszenz-Eigenschaften und Anwendungspotential als Lasermaterial untersucht. Unterschiede zwischen beiden Faserzüchtungsmethoden werden analysiert; dabei stehen der Gleichgewichtszustand (steady-state) und der Massenfluss im Vordergrund. Mittels thermischer Analyse und Röntgenbeugung werden Phasenbeziehungen untersucht, die als Grundlage für die Züchtungsexperimente dienen. Darüber hinaus wird das Phasensystem Calciumoxid-Scandiumoxid, das bisher nicht veröffentlicht wurde, ermittelt. Weitere Kenntnisse über sinnvolle Kristallzüchtungsparameter werden anhand von thermodynamischen Gleichgewichtsberechnungen abgeleitet. Fugazitäten von während der Züchtung abdampfenden Komponenten werden berechnet und experimentell, durch Hochtemperatur-Massenspektrometrie, optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma und energiedispersive Röntgenspektroskopie experimentell bestätigt. Die Evaporation von Komponenten kann durch eine geeignete Wahl der Züchtungsparameter, sowie einer Züchtungsatmosphäre, minimiert werden. Die Züchtungsatmosphäre beeinflusst die Valenz des Cer-Ions. Der Zusammengang zwischen Atmosphäre und Valenz kann mit thermodynamischer Gleichgewichtsberechnung vorhergesagt und experimentell anhand von Lumineszenz-Messungen veranschaulicht werden. Es zeigt sich, dass Züchtung in Stickstoffatmosphäre ein geeigneter Kompromiss zwischen reduzierter Evaporation und Stabilisierung von dreiwertigem Cer darstellt. Cer(III)-haltiges Calciumscandat ist ein vielversprechendes Material für einen möglichen Festkörperlaser im sichtbaren Spektralbereich. Der Gleichgewichtszustand, beeinflusst durch Evaporation und Segregation, ist je nach Wahl der Züchtungsmethode sowie des Materials verschieden. So zeigt sich, dass die micro-pulling-down-Methode die besseren Ergebnisse für die Züchtung von Tristrontiumsilikat erzielt, während die laser-heated pedestal growth-Methode für die Züchtung von Calciumscandat sinnvoller ist. Transmissionselektronenmikroskopie, optische Spektroskopie und hochauflösende Röntgenbeugung bestätigen ein Modell für den Einbau von dreiwertigem Cer in das Calciumscandat-Gitter. Die gute Qualität der Tristrontiumsilikat-Fasern ermöglicht eine Einkristall-Strukturverfeinerung. Während der laser-heated pedestal growth-Züchtung von Calciumscandat begrenzt zeitabhängige Thermokapillarkonvektion den Gleichgewichtszustand. Eine vorläufige numerische Analyse der Strömungsverhältnisse deutet auf einen möglichen Zusammenhang zwischen dem Auftreten dieser zeitabhängigen Strömung in Abhängigkeit der Evaporation von Calciumoxid hin.
An experimental approach to three new materials crystallized with laser-heated pedestal growth and micro-pulling-down method is given. Calcium scandate, strontium yttrium oxide, and tristrontium silicate are related high-melting oxides, which have been investigated as light phosphors in the last decade. In this work cerium doped single crystalline fibers are fabricated. Their luminescence properties and possible application as laser materials are investigated. Differences between both fiber growth techniques are revealed with respect to the mass flow and steady state conditions. Phase relations are determined by thermal analysis and X-ray diffraction. They provide boundary conditions for the growth experiments and reveal the hitherto unknown phase system calcium oxide--scandium oxide. Thermodynamic equilibrium calculation of the growth conditions gives further information on suitable growth parameters. Calculated fugacities of evaporating species are confirmed by high-temperature mass spectrometry, inductively coupled plasma optical emission spectrometry, and energy-dispersive X-ray spectroscopy. The evaporation can be minimized by a reasonable choice of growth parameters and atmosphere. Moreover, the atmosphere influences the cerium valence. This dependency is thermodynamically calculated and experimentally demonstrated by optical spectroscopy. Fibers crystallized in nitrogen atmosphere show the best results with respect to the crystal quality and cerium luminescence. Calcium scandate, doped with trivalent cerium, is promising for laser applications. Steady state conditions, influenced by segregation and evaporation, are focused with respect to the different materials and growth techniques. The micro-pulling-down method is suitable for crystallization of tristrontium silicate. Calcium scandate will show superior quality, if crystallized with the laser-heated pedestal growth technique. Transmission electron microscopy, optical spectroscopy, and high-resolution X-ray diffraction confirm an assumed model for the cerium incorporation into calcium scandate. Single crystal structure determination of tristrontium silicate is performed. During laser-heated pedestal growth, the steady state is limited by oscillatory thermocapillary convection. Preliminary numerical investigation reveals a possible correlation of evaporation and oscillatory thermocapillary convection.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-42673
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4135
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3838
Exam Date: 24-Sep-2013
Issue Date: 23-Oct-2013
Date Available: 23-Oct-2013
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Kristallzüchtung
Lumineszenz-Materialien
Calciumscandat
Strontium-Yttriumoxid
Tristrontiumsilikat
Calcium scandate
Crystal growth
Luminescence materials
Strontium yttrium oxide
Tristrontium silicate
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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