In situ Untersuchungen von Kristallwachstums- und Reinigungsprozessen im System Al-N-O-C-H

In situ investigations during crystal growth and purification processes in the system Al-N-O-C-H

  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige thermoanalytische Hochtemperatur-Systeme für gleichgewichtsnahe und kinetisch orientierte Prozesse entwickelt. Durch einen für kinetische Untersuchungen optimierten Messaufbau mit Einsatz eines kapillar-gekoppelten Massenspektrometers konnten karbothermische Reduktionsprozesse in situ kinetisch untersucht werden. Mit dieser Methode ist es gelungen, grundlegende Untersuchungen zur Reinigung von Al2O3-kontaminiertem AlN über verschiedene Reinigungsmethoden Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige thermoanalytische Hochtemperatur-Systeme für gleichgewichtsnahe und kinetisch orientierte Prozesse entwickelt. Durch einen für kinetische Untersuchungen optimierten Messaufbau mit Einsatz eines kapillar-gekoppelten Massenspektrometers konnten karbothermische Reduktionsprozesse in situ kinetisch untersucht werden. Mit dieser Methode ist es gelungen, grundlegende Untersuchungen zur Reinigung von Al2O3-kontaminiertem AlN über verschiedene Reinigungsmethoden durchzuführen und die kinetischen Daten zu erhalten. Die abgeleiteten kinetischen Modelle ermöglichen es, Vorhersagen zum Reinigungsfortschritt in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur durchzuführen und das AlN-Kristallwachstum bei der karbothermischen Reduktion von Al2O3 kinetisch zu beschreiben. Sie gestatten gleichzeitig Vorhersagen bezüglich des transienten Sauerstoffeinbaus während der Sublimationszüchtung (PVT-Verfahren) von AlN, ohne dass eine Vielzahl von weiteren Experimenten durchgeführt werden muss. Das entwickelte multifunktionelle Hochtemperatur-Massenspektrometer (MF-HT-MS) ermöglicht es kondensierbare und nicht kondensierbare Gasphasenspezies während der Sublimation von AlN zu registrieren und liefert wichtige Rückschlüsse über die Al-katalysierte Bildung von Al2O während der Reinigung von AlN. Ein besonderes Augenmerk wurde bei der Entwicklung der Anlage darauf gelegt, dass die Gasphasencharakterisierung bei unterschiedlichen Prozessbedingungen möglich ist. Das schließt die kinetisch orientierte freie Verdampfung unter Hochvakuum-Bedingungen, Studien unter thermodynamischen Gleichgewichtsbedingungen und die Möglichkeit der Charakterisierung von Gasphasenspezies unter züchtungsnahen Bedingungen ein. Für die letztgenannte Anwendung bedarf es weiterführender Arbeiten, um die in der Literatur postulierte Existenz von AlxNy-Spezies unter Züchtungsbedingungen endgültig zu klären. Durch Modifizierungen am Züchtungsaufbau, die Verwendung von deutlich größeren und aus Wolfram gefertigten Tiegeln sowie durch Veränderungen der Züchtungsprozedur und der Züchtungsbedingungen (Temperatur und Übersättigung) konnten facettierte isometrische AlN-Einkristalle sowohl durch gezielte Kornvergrößerung als auch durch spontane Kristallisation gewachsen werden. In der neuartigen Züchtungsanordnung findet die Kristallisation nahe der Quelle oberhalb eines Wolfram-Podestes statt, ohne dass Diaphragmen oder spezielle konische Blenden eingesetzt werden. Die Fremdstoffgehalte der kritischen Elemente O, Si und C in den AlN-Einkristallen konnten auf die Werte von 6 ppm, 15 ppm und 30 ppm reduziert werden.show moreshow less
  • Within the scope of the dissertation, novel thermoanalytical high temperature systems for investigation of equilibrium and kinetic processes are developed to give insights into the mechanisms during AlN purification and crystal growth. In situ kinetic investigations of carbothermal reduction processes are conducted within a specially designed and optimized setup. This setup consists of an inductively heated furnace in combination with a capillary coupled mass spectrometer. The application of thiWithin the scope of the dissertation, novel thermoanalytical high temperature systems for investigation of equilibrium and kinetic processes are developed to give insights into the mechanisms during AlN purification and crystal growth. In situ kinetic investigations of carbothermal reduction processes are conducted within a specially designed and optimized setup. This setup consists of an inductively heated furnace in combination with a capillary coupled mass spectrometer. The application of this method allows for fundamental investigations in respect to the purification of Al2O3-contaminated AlN. The kinetic parameters could be estimated and verified. Kinetic models developed within this work allow for the prediction of the reaction progress in dependence of time and temperature for different purification strategies. A kinetic description of AlN crystal growth during carbothermal reduction and nitridation processes was possible. Moreover, the transient incorporation of oxygen during single crystal growth processes by sublimation-recondensation (PVT method) can be predicted by using the obtained kinetic data. An in-house developed Multi Functional High Temperature Mass Spectrometer (MF-HT-MS) system is developed to analyze condensable and non-condensable gaseous species during sublimation of AlN. Measurements of Al2O3-contaminated AlN show that gaseous Al acts as catalyst for Al2O production. The mass spectrometer opens up the possibility to study gaseous species under kinetic oriented vaporization conditions, thermodynamic equilibrium conditions by using a Knudsen cell, and under typical growth conditions. Regarding the latter, the postulation of the existence of AlxNy-species might be clarified with further work. After modifying the graphite based growth setup, changing the growth procedure, and adjusting growth conditions (temperature and supersaturation), facetted isometric AlN single crystals could be grown by seed enlargement and by spontaneous nucleation in partially open tungsten crucibles. Within the novel growth arrangement, the crystallization takes place on top of a tungsten pedestal without diaphragms or conical orifices. The impurity content in the grown crystals decreases significantly to values of 6 ppm, 15 ppm, and 30 ppm for O, Si, and C, respectively.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christo Guguschev
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-36351
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Matthias Bickermann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/09/28
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/07/20
Release Date:2012/09/28
Tag:Aluminiumnitrid; Kinetik; Kristallzüchtung; Massenspektrometrie; PVT-Verfahren
PVT method; aluminium nitride; crystal growth; kinetic investigation; mass spectrometry
Institutes:Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)