Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4796
Main Title: Single crystal growth of high melting oxide materials by means of induction skull melting
Translated Title: Einkristallzüchtung von hochschmelzenden Oxidmaterialien mittels Skull-Schmelz-Verfahren
Author(s): Paun, Matthias Stephan
Advisor(s): Lerch, Martin
Referee(s): Bickermann, Matthias
Mühlberg, Manfred
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Verschiedene hochschmelzende Oxid Eiskristalle wurden mithilfe der Induktions-Skull-melting Methode gezüchtet. Die Methode besteht aus einer Kombination von Induktionsheizung und wassergekühlten Tiegel. Es wurden Einkristalle aus drei verschiedenen Systemen gezüchtet: Erdalkali Zirkonate, Titan Dioxide mit Übergangsmetall Dotierung und Yttrium Stabilisierte Zirkonium Dioxide (YSZ) mit Seltenen Erd Dotierungen. Die gezüchteten Erdalkali Zirkonate sind CaZrO3, SrZrO3 und BaZrO3 und gehören dem Strukurtyp der Perowskite an. CaZrO3 und SrZrO3 besitzen beide eine Orthorhombische Verzerrung und haben die Raumgruppe Pnma während BaZrO3 die Raumgruppe Pm3 ̅m besitzt. Die beiden orthorhombischen Einkristalle weisen Verzwillingungen auf. Die Zwillinge entstanden durch die Phasentransformation der Einkristalle von Kubisch zu Orthorhombisch und den daraus resultierenden Symmetrieverlust. Die SrZrO3 wurden zweimal gezüchtet, jeweils unter einer Luft und Stickstoff Atmosphäre. Die UV-Vis. Reflektionsmessungen der beiden Kristalle zeigen dass die Absorbanz sich stark unterscheiden. SrZrO3 weist ebenfalls Lumineszenz Effekte, bei einer Anregungswellenlänge von 260 nm auf. Die Emissionspektren unterscheiden sich ebenfalls sehr stark. Es wird vermutet dass der Unterschied durch den Einbau von geringen Mengen Stickstoff hervorgerufen wird. CaZrO3 wurde als Substrat für die Abscheidung von multiferroischen Materialien benutzt. Es wurden K0.8Na0.2NbO3 schichten erfolgreich auf das CaZrO3 abgeschieden. Durch die vorhandenen Zwillinge weist das CaZrO3 Substrat allerdings erhebliche defekte auf, die Einfluss auf die schlechte Qualität des multiferroischen Materials hatten. Es wurden fünf Titan Dioxid Einkristalle mit unterschiedlichen Übergangsmetall Dotierungen (Ni, Fe, Co, Mn, Nb) gezüchtet. Alle Kristalle weisen eine tetragonale Rutil Struktur auf und haben die Raumgruppe P42/mnm. Optische Reflektionsmessungen, in Kombination mit dem Kubelka-Munk Model zeigen eine Erfolgreiche Reduzierung der optischen Bandlücke. Die ICP-OES Messungen zeigen eine gute Korrelation der mit der theoretischen Stöchiometrie. Es wurden vier verschiedene Seltenen Erd (ko-)dotierte (Eu, Er, Yb, Tb, Tm) YSZ Einkristalle zum ersten mal gezüchtet. Die Kristalle haben eine kubische Struktur und besitzen die Raumgruppe Fm3 ̅m (CaF2 Stukturtyp). Alle Kristalle weisen Fluoreszierende Effekte unter UV Licht. Darüber hinaus weist Tb:YSZ einen ausgeprägten Thermochromie Effekt auf. Die Hochtemperatur UV/Vis. Messungen zeigen für Tb:YSZ eine höhere optische Absorbanz bei höheren Temperaturen. Diese Absorbanz bleibt auch bei erneuten abkühlen der Probe, im Vergleich zur Ausgangslage,erhöht.
Various high melting oxide single crystals were grown by implementation of the induction skull melting technique. This technique can be described of a combination of high frequency induction heating and a water cooled crucible. Various single crystals were successfully grown; alkaline earth zirconates, transition metal doped titania and rare earth element (REE) doped yttrium stabilized zirconium dioxide (YSZ). The grown alkaline earth zirconate single crystals are CaZrO3, SrZrO3 and BaZrO3 and belong all to the perovskite structure type. CaZrO3 and SrZrO3 exhibit both an orthorhombic distortion and they crystalize in space group Pnma while BaZrO3 is belonging to the cubic aristotype Pm3 ̅m. The two orthorhombic zirconate crystals are featuring twins. The twinning emerged through the transformation from cubic to orthorhombic and the loss of symmetry. SrZrO3 single crystals were grown twice; under air and nitrogen atmosphere. The UV-Vis. reflection spectroscopy measurements revealed that the absorbance of both SrZrO3 samples differ from each other, especially at lower wavenumbers. SrZrO3 also shows luminescence effects when excited at approximately 260 nm. The emission spectra also differ between the two SrZrO3 samples. It is suggested that a small amount of nitrogen incorporated in the lattice is responsible for this effect. CaZrO3 was used as substrate for the growth of multiferroic materials carried out at the Institute of Crystal Growth in Berlin (IKZ). K0.8Na0.2NbO3 layers were successfully grown on CaZrO3. However, the twinning present above described resulted in an overall poor quality of the multiferroic material. TiO2 single crystals with five different transition metal dopants (Ni, Fe, Co, Mn, Nb) were successfully grown. The doping should ensure a decrease in optical band-gap of the host material (~ 3 eV). All titania crystals have a tetragonal rutile structure and belong to the space group P42/mnm. Optical reflectance measurements, in combination with the Kubelka-Munk model, revealed a successful decrease of the optical band-gap compared to the undoped host material. The ICP-OES measurements show an overall good correlation with the theoretical composition. Several yttrium stabilized zirconium dioxide (YSZ) single crystals with various REE (co-)dopants (Eu, Er, Yb, Tb, Tm) were successfully grown for the first time as part of this work. All phases are cubic and belong to the space group Fm3 ̅m (CaF2 structure type). The crystals feature a fluorescence effect by UV light due to the REE doping as well as a thermochromic effect in the case of Tb:YSZ. The high temperature UV-Vis. spectroscopy showed that Tb doped YSZ was also the only sample which has a higher optical absorbance at higher temperatures. The absorbance remained at a higher magnitude even after the cooling.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-73618
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5093
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4796
Exam Date: 29-Oct-2015
Issue Date: 4-Nov-2015
Date Available: 4-Nov-2015
DDC Class: 546 Anorganische Chemie
Subject(s): Einkristallzüchtung
Einkristalle
Skull-Schmelz-Verfahren
Single crystal growth
single crystals
skull-melting method
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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