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    <id>450</id>
    <completedYear>2007</completedYear>
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    <completedDate>2008-11-28</completedDate>
    <publishedDate>--</publishedDate>
    <thesisDateAccepted>2007-11-14</thesisDateAccepted>
    <title language="eng">Electro-optical properties of dislocations in silicon and their possible application for light emitters</title>
    <title language="deu">Elektro-optischen Eigenschaften von Versetzungen in Silizium und deren mögliche Anwendung für Licht-Emitter</title>
    <abstract language="eng">This thesis addresses the electro-optical properties of silicon, containing dislocations. The interest in those properties is driven mainly by two practical reasons. One is the optical characterisation of multicrystalline silicon for solar cells, and the other is the design of light emitting diodes based on silicon by enhancement of silicon radiative properties via introduction of dislocations. The work demonstrates that dislocation specific radiation may provide a means for optical diagnostics of solar cell grade silicon. It provides insight into the mechanisms governing the dislocation recombination activity, their radiation, and how are they influenced by other defects present in silicon. We demonstrate that photoluminescence mapping is useful for monitoring the recombination activity in solar cell grade silicon and can be applied for identification of contaminants, based on their photoluminescence signatures. It is shown that the recombination at dislocations is strongly influenced by the presence of metals at the dislocation sites. The dislocation radiation activity correlates with their electrical activity. Thus, photoluminescence mapping at room temperature may provide a means for revealing and characterising of dislocation-rich regions in multicrystalline silicon. It is shown that the dislocation and band-to-band luminescence are essentially anti-correlated. The band-to-band intensity being related to the diffusion length of minority carriers can be used for measurements of diffusion length, as long as the surface recombination rate is controlled. Moreover, photoluminescence mapping can be used for the detection of optically active defects in solar grade materials. Thus, betaFeSi2 precipitates, with a luminescence at 0.8 eV, were detected within the grains of block cast materials. They exhibit a characteristic feature of quantum dots, namely blinking. The second aspect of the thesis concerns the topic of silicon based light emitters for on-chip optical interconnects. The goal is an enhancement of sub-band-gap or band-to-band radiation by controlled formation of dislocation-rich areas in microelectronics-grade silicon as well as understanding of the processes governing such enhancement. For light emitters based on band-to-band emission it is shown, that internal quantum efficiency of nearly 2 % can be achieved, but the emission is essentially generated in the bulk of the wafer. On the other hand, light emitters utilizing the emission from dislocation-rich areas of a well localized wafer depth were explored. Three different methods for reproducible formation of a dislocation-rich region beneath the wafer surface were investigated and evaluated in view of their room temperature sub-band-gap radiation: (1) silicon implantation and annealing, (2) epitaxially grown SiGe buffer, and (3) direct wafer bonding. The most promising dislocation-based emitter appears the utilization of a dislocation network produced by wafer bonding. It is shown, that monochromatic D1 radiation (wavelength 1.5 µm) can be generated in a well localised depth of the wafer. The radiation is not absorbed in silicon and such localized emitter can, potentially, be coupled with silicon waveguides and Ge-based detectors for optical interconnects.</abstract>
    <abstract language="deu">Diese Dissertation befasst sich mit den elektro-optischen Eigenschaften von Silizium mit Versetzungen. Das Interesse an den Versetzungseigenschaften beruht vor allem auf zwei praktischen Gründen: Die versetzungsspezifische Lumineszenz erlaubt einerseits optische Charakterisierung von multikristallinen Silizium für Solarzellen und anderseits die Entwicklung einer Silizium-basierten Leuchtdiode. Die Arbeit untersucht zunächst den Einsatz der Versetzungs-spezifische Lumineszenz für die optische Diagnostik von multikristallinen (Versetzungsreichen) Silizium für Solarzellen. Sie liefert Erkenntnisse über die Mechanismen für die versetzungsbedingte Rekombination, Versetzungsstrahlung, und darüber, wie diese durch andere Defekte im Silizium beeinflusst werden. Es wird gezeigt, dass Photolumineszenz-Mapping anwendbar ist für eine großflächige Analyse der Rekombination in Solarzellen-Silizium und für die Identifizierung von Verunreinigungen angewendet werden kann. Es wird gezeigt, dass metallische Verunreinigungen starken Einfluss auf die Rekombination im Bereich der Versetzungen haben und dass die Strahlungsaktivität mit ihrer elektrischen Aktivität korreliert. Versetzungs- und Band-Band-Lumineszenz sind im Wesentlichen antikorrelieret. Die Band-Band-Intensität ist abhängig von der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger. Daher kann Band-Band Strahlung als Maß für die Diffusionslänge benutzt werden, sofern die Oberflächenrekombination bekannt ist. Darüber hinaus kann Photolumineszenz-Mapping auch für den Nachweis von optisch aktiven Defekten in Solarzellen-Silizium verwendet werden. So wurden betaFeSi2 Ausscheidungen, mit einer Strahlungsenergie von 0,8 eV, innerhalb der Körner von Blockguss Silizium nachgewiesen. Sie zeigen ein charakteristisches Merkmal von Quantenpunkten, das sogenannte Blinken. Der zweite Aspekt der Forschung steht im Zusammenhang mit der Suche nach Silizium-basierten Licht-Emittern für On-Chip optische Interconnects. Das Ziel ist, durch kontrollierte Bildung von versetzungsreichen Gebieten in der Silizium Wafer eine Erhöhung des Sub-Bandgap oder Band-Band-Strahlung zu erreichen und die Prozesse, welche für eine solche Erhöhung verantwortlich sind zu verstehen. Es wird gezeigt, dass Band-Band Licht-Emittern eine interne Quanten-Effizienz von fast 2% erreichen können, aber die Emission entsteht im Wesentlichen im gesamten Volumen des Wafers. Licht Emitter, welche die Emission von versetzungsreichen Gebieten ausnutzen, können dagegen in einer definierten Tiefenschicht eingeschränkt werden. Drei verschiedene Methoden zur reproduzierbaren Bildung der versetzungsreiche Regionen unterhalb der Wafer-Oberfläche wurden untersucht und im Hinblick auf ihre Raumtemperatur Sub-Bandgap-Strahlung bewertet: (1) Silizium-Implantation und Ausheilen, (2) epitaktisch gewachsene SiGe-Puffer, und (3) direktes Wafer-Bonding. Wafer-Bonding erscheint am besten geeignet für versetzungsbasierte Lichtemitter. Es wird gezeigt, dass monochromatische D1-Strahlung (Wellenlänge 1,5 mm) erzeugt werden kann in einer gut lokalisierten Tiefe der Wafer. Die Strahlung wird nicht in Silizium absorbiert und solche lokalisierten Emitter sind möglicherweise geeignet für die Kopplung mit einem Silizium-Wellenleiter und Ge-Detektor für eine optische Interconnects.</abstract>
    <identifier type="urn">urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5837</identifier>
    <identifier type="opus3-id">583</identifier>
    <author>Tzanimir Vladimirov Arguirov</author>
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      <value>Silicium</value>
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      <value>Lumineszenz</value>
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      <value>Lumineszenz</value>
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      <value>Luminescence</value>
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      <value>Silicon</value>
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    <collection role="ddc" number="530">Physik</collection>
    <collection role="collections" number="">Wiss. Publikationen</collection>
    <collection role="old_institute" number="">LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften</collection>
    <collection role="institutes" number="1504">FG Experimentalphysik und funktionale Materialien</collection>
    <thesisPublisher>BTU  Cottbus - Senftenberg</thesisPublisher>
    <thesisGrantor>BTU Cottbus - Senftenberg</thesisGrantor>
    <file>https://opus4.kobv.de/opus4-btu/files/450/Arguirov.pdf</file>
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    <id>6743</id>
    <completedYear>2023</completedYear>
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    <completedDate>2024-06-03</completedDate>
    <publishedDate>--</publishedDate>
    <thesisDateAccepted>2024-03-20</thesisDateAccepted>
    <title language="eng">The influence of the early relaxation phase on the threading dislocation density in strain relaxed Si₁₋ₓGeₓ  buffer layers on Si(001) substrates</title>
    <title language="deu">Der Einfluss der frühen Relaxationsphase auf die Durchstoßversetzungsdichte in Spannungs-relaxierten Si₁₋ₓGeₓ Pufferschichten auf Si(001) Substraten</title>
    <abstract language="eng">The integration of germanium (Ge) on silicon (Si) for microelectronics applications requires strain-relaxed SiGe buffer layers (SRB) as virtual substrates. However, the presence of threading dislocations in these layers remains a challenge, as they can affect device performance. Existing methods achieve threading dislocation densities (TDD) around 1 x 10⁵ cm⁻², but a further reduction is desired for industrial applications. A SiGe backside deposition technique originally intended to compensate for wafer bowing surprisingly improves the TDD. The underlying physics remained poorly understood until now. In this work it is shown, that the SiGe backside deposition leads to a parasitic SiGe layer at the edge of the wafer. Partial relaxation of this layer generates dislocations, which fundamentally change the relaxation mechanism of subsequently deposited SiGe layers on the front side. These preexisting dislocations glide from the edge to the center of the wafer, preventing the formation of dislocation bundles and pile-ups. As a result, the TDD decreases significantly for layers with low Ge content. Adjusting the growth conditions and dislocation glide kinetics optimizes early relaxation, achieving a TDD reduction to 4x10⁴ cm⁻² for 25% Ge buffer layers. Additionally, a novel ring deposition technique provides controlled preexisting dislocations at the wafer’s edge, offering better control over the dislocation reservoir than uncontrolled parasitic deposition. Although initial results show promising results, further optimization is needed due to localized mechanical damage during processing. In summary, this research provides insights into strained SiGe layer relaxation,  dislocation physics, and their impact on the TDD. By understanding these mechanisms, an enhancement of established buffer approach can be achieved and novel strategies for further TDD reduction can be developed.</abstract>
    <abstract language="deu">Die Integration von Germanium (Ge) auf Silizium (Si) für mikroelektronische Anwendungen erfordert spannungs-relaxierte SiGe-Pufferschichten als virtuelle Substrate. Allerdings stellen Durchstoßversetzungen in diesen Schichten eine Herausforderung dar, da sie die Leistung von Bauelementen beeinträchtigen können. Bestehende Methoden zur Versetzungsreduktion erreichen Versetzungsdichten (TDD) von etwa 1 x 10⁵ cm⁻², aber eine weitere Reduzierung ist für die industrielle Anwendung wünschenswert. Ein Verfahren zur SiGe-Rückseitenabscheidung, das ursprünglich die Waferverbiegung kompensieren sollte, verbessert überraschenderweise die TDD. Die zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge waren bisher nur unzureichend bekannt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die SiGe-Rückseitenabscheidung zu einer parasitären SiGe Schicht am Rande des Wafers führt. Die partielle Relaxation dieser Schicht erzeugt Versetzungen, die den Relaxationsmechanismus der nachfolgend auf der Vorderseite abgeschiedenen SiGe-Schichten grundlegend verändern. Diese bereits vorhandenen Versetzungen gleiten vom Rand des Wafers zum Zentrum, wodurch Versetzungsbündel und lokale Anhäufungen verhindert werden. Infolgedessen kann die Versetzungsdichte bei Schichten mit geringem Ge-Gehalt deutlich reduziert werden. Durch Anpassung der Wachstumsbedingungen und der Kinetik des Versetzungsgleitens kann die frühe Relaxationsphase optimiert werden und somit eine Reduzierung der TDD auf 4x10⁴ cm⁻² für 25% Ge-Pufferschichten erreicht werden. Darüber hinaus wurde eine neuartige Ringdepositionstechnik entwickelt, um für mehr Kontrolle über die Versetzungen am Rande des Wafers zu sorgen als unkontrollierte parasitären Abscheidung. Obwohl erste Ergebnisse vielversprechend sind, ist eine weitere Optimierung aufgrund lokaler mechanischer Schäden während der Verarbeitung notwendig. Zusammenfassend liefert diese Arbeit Einblicke in die Relaxation von verspannten SiGe-Schichten, Versetzungsphysik und deren Auswirkungen auf die TDD. Durch das Verständnis dieser Mechanismen kann der etablierte Pufferansatz verbessert und neue Strategien zur weiteren TDD-Reduzierung entwickelt werden.</abstract>
    <identifier type="doi">10.26127/BTUOpen-6743</identifier>
    <identifier type="urn">urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67431</identifier>
    <enrichment key="opus.source">publish</enrichment>
    <licence>Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International</licence>
    <author>Lucas Becker</author>
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      <value>Silicon</value>
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      <value>Germanium</value>
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      <value>Epitaxy</value>
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      <value>Dislocation</value>
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      <value>Versetzungen</value>
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      <value>Versetzung &lt;Kristallographie&gt;</value>
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    <collection role="ddc" number="537">Elektrizität, Elektronik</collection>
    <collection role="collections" number="">Wiss. Publikationen</collection>
    <collection role="institutes" number="1504">FG Experimentalphysik und funktionale Materialien</collection>
    <thesisPublisher>BTU  Cottbus - Senftenberg</thesisPublisher>
    <thesisGrantor>BTU Cottbus - Senftenberg</thesisGrantor>
    <file>https://opus4.kobv.de/opus4-btu/files/6743/Becker_Lucas.pdf</file>
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    <id>3155</id>
    <completedYear>2014</completedYear>
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    <completedDate>2014-09-24</completedDate>
    <publishedDate>--</publishedDate>
    <thesisDateAccepted>2014-09-01</thesisDateAccepted>
    <title language="deu">Die Versetzungsstruktur von multikristallinem Silicium aus der industriellen VGF-Blockkristallisation</title>
    <title language="eng">The dislocation structure of multicrystalline silicon made by industrial block casting</title>
    <abstract language="deu">Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Struktur und der Entwicklung von Versetzungen in multikristallinen Siliciumblöcken aus der gerichteten Blockkristallisation. Versetzungen können für die Rekombination von Ladungsträgern verantwortlich sein und damit den Wirkungsgrad von Solarzellen und -modulen mindern. Die experimentelle Arbeit gliedert sich bezüglich ihrer Fragenstellung und der Methodenwahl in drei Teile und wird in den Kapiteln 2 bis 4 behandelt.&#13;
In Kapitel 2 wird die Defektstruktur vieler Siliciumblöcke mittels automatisierten Verfahren untersucht. Die Analysemethoden umfassen dabei die Auswertung der Wafertextur und der Infrarot-Durchlichtbilder sowie Ätzgrubendichtezählung (EPD) und Photolumineszenz (PL). Der Betrachtungsabstand ist makroskopisch und die Ergebnisse geben das Verhalten von vielen Versetzungen wieder.&#13;
Die Versetzungsstruktur in multikristallinem Silicium ist geprägt durch scharf abgegrenzte Bereiche mit sehr hoher Versetzungsdichte. Diese sog. Versetzungscluster bestehen aus einem Netzwerk aus Versetzungs-Pile-ups (Kleinwinkelkorngrenzen) und können in sogenannte leichte und dichte Cluster unterschieden werden. Die Versetzungscluster haben im Siliciumblock einen Ausgangspunkt, von dem aus sie sich ausbreiten. Dieser befindet sich hauptsächlich an Korngrenzen und generiert sich spontan während der Erstarrung in der Nähe der Phasengrenze. Das Auftreten von leichten und dichten Clustern ist abhängig von der Kornorientierung parallel zur Wachstumsrichtung. Körner mit Orientierungen nahe &lt;111&gt;, &lt;211&gt; und &lt;311&gt; neigen dazu leichte Cluster auszubilden, während Körner mit Orientierungen um &lt;110&gt;, &lt;331&gt; und &lt;531&gt; eher dichte Cluster ausbilden. Kornorientierungen um &lt;100&gt; und &lt;511&gt; sind unauffällig bzgl. der Ausbildung von Versetzungsclustern. Der Zusammenhang liegt in der Orientierung der Gleitebenen begründet. &#13;
Kapitel 3 behandelt die strukturelle Untersuchung der Versetzungen mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie der Synchrotron- Röntgentopographie (WB-XRT). Die Versetzungen formen streng geordnete Pile-ups, welche letztendlich Kleinwinkelkorngrenzen entlang der Wachstumsrichtung ausbilden. Der Versetzungsabstand beträgt etwa 30 bis 800 nm, was mit einer Verkippung in der Kristallorientierung von 0,3 bis 0,07 ° korrespondiert. Die Rotation der Kristallorientierung verläuft hauptsächlich um eine Achse parallel zur Wachstumsrichtung. Anhand dieser Beobachtungen wurde ein Modell zur Abschätzung der Versetzungsdichte aufgestellt. Für die leichten Cluster beträgt diese ca. 2*10^5 cm^2 und für die dichten Cluster etwa 3*10^7 cm^2. &#13;
Die Auswirkungen der Versetzungsstruktur auf die elektrischen Eigenschaften werden in Kapitel 4 behandelt. Mit Electron Beam Induced Current (EBIC) und Dunkel-Lock-In-Thermographie (DLIT) wurde herausgestellt, dass vor allem solche Versetzungen elektrisch aktiv sind, welche sich zu Kleinwinkelkorngrenzen angeordnet haben. Ein niedriger Versetzungsabstand innerhalb der Subkorngrenzen  scheint nur eine Bedingung für eine elektrische Aktivierung zu sein. Ein Zusammenhang zwischen dem Betrag der Verkippung einer Subkorngrenze und dem EBIC-Kontrast konnte nicht hergestellt werden.&#13;
In der abschließenden Diskussion (Kap. 5) wird ein Modell zur Entstehung und Evolution von Versetzungsclustern vorgeschlagen. Die Versetzungscluster generieren sich hauptsächlich an Korngrenzen. Dabei werden die Kleinwinkelkorngrenzen durch die Restrukturierung von Versetzungen sekundär gebildet. Die Ergebnisse legen nahe, dass dies während der Erstarrung unmittelbar nach der Phasengrenze geschieht. Die treibenden Kräfte sind demnach thermische Spannungen an der Erstarrungsfront. Die Versetzungen und damit die Subkorn-Strukturen erreichen die Phasengrenze und bleiben bei der weiteren Kristallisation erhalten, sodass die kontinuierlich auftretenden thermischen Spannungen mit neuen Versetzungen und damit mit erneuter Bildung von Versetzungen und Subkorngrenzen abgebaut werden müssen. Durch diesen Vererbungseffekt erhöht sich die Versetzungsdichte stetig mit steigender Blockhöhe. &#13;
Im Abschluss werden Maßnahmen zur Reduktion der Versetzungsdichte im Kristallisationsprozess diskutiert. Beim Ankeimen am Tiegelboden oder während der Erstarrung sollten geeignete Kornorientierungen bevorzugt werden. Eine weitere Maßnahme ist die Reduktion der radialen thermischen Spannungen während der Kristallisation. Unbekannt bleibt die genaue, atomare Ursache der erhöhten Versetzungsgeneration an Korngrenzen und die damit verbundene spontane Bildung von Versetzungsclustern. Weiterhin bleibt offen, ob und in welchem Umfang Lomer-Cottrell-Versetzungen innerhalb der Subkorngrenzen gebildet werden und welchen Einfluss diese auf die elektrische Aktivität haben.</abstract>
    <abstract language="eng">This work deals with the structure and evolution of dislocations in multicrystalline silicon ingots made by industrial block casting. Dislocations can act as recombination active centres and therefore be detrimental for the solar cell efficiency. Concerning the topics the experimental work can be divided into three parts treated in chapter 2 to 4.&#13;
In chapter 2, the defect structure is investigated in dependence of the grain structure by automatized methods. These are the analysis of texture and IR-transmission pictures as well as etch pit density measurements and photoluminescence. The macroscopic viewing distance provides information about the behaviour of many dislocations.&#13;
The dislocation structure is characterized by regions of high dislocations density lying site by site to regions with low dislocation densities. These so called dislocation clusters are made of a network of pile-up (low angle subgrain-boundaries) and can be divided into two types, called light clusters and dense clusters. The clusters are formed spontaneously mostly at grain boundaries in the vicinity of the liquid-solid interface during the crystallization. The occurrence of the two types of clusters depends on the crystal grain orientation parallel to the growth direction. Grains with orientations near &lt;111&gt;, &lt;211&gt; and &lt;311&gt; tend to build light clusters, whereas grains with orientations near &lt;110&gt;, &lt;331&gt; and &lt;531&gt; tend to build dense clusters. Grains with orientations near &lt;100&gt; and &lt;511&gt; appear to have a small tendency to build clusters at all. This correlation may be explained by the orientations of the slip systems. If two independent {111} glide planes are oriented parallel or nearly parallel to the growth direction a tendency to build dense cluster is given. With higher deviation from this condition the grains tend to build light clusters. &#13;
Chapter 3 deals with the structural investigation by means of transmission electron microscopy and white-beam X-ray topography. It is shown that dislocations arrange into up pile ups and eventually build up subgrain boundaries lying along growth direction. The dislocation distances within the subgrain boundaries ranges from 30 to 800nm which corresponds to a rotation in the crystal orientation from 0.3 to 0.07 °. The rotation axis lies parallel to the growth direction. With these observations, an estimation of the dislocation density within the subgrain boundaries has been developed. The dislocation densities amount to 2*10^5 cm^2 for light clusters and 3*10^7 cm^2 for dense clusters, respectively.&#13;
The impact of the dislocation structure on the electrical properties is treated in chapter 4. It is shown by means of electron beam induced current (EBIC) and dark lock-in thermography (DLIT) that subgrains within the dislocations clusters are the main recombination active defects. Regions of low dislocation density have no electrical effect for photovoltaic application. A small dislocation distance within the subgrains seems to be only one condition for the electrical activity. A correlation between the misorientation due to the subgrain and the EBIC-contrast could not be found. A decoration of the dislocations by impurities (in particular transition metals) is necessary as well. Furthermore, the influence of Lomer-Cottrell dislocations is discussed.&#13;
A model for the generation and evolution of a dislocation cluster is given. These clusters are mainly generated at grain boundaries, although the exact source could not be identified. It is evidenced by the experimental results that the dislocations build up subgrain boundaries in the vicinity of the phase boundaries. The driving force for the dislocation generation is the thermal stress at the interface. During the crystallization, the dislocations reach the interface and are forced to growth further due to the proceeding interface. Thus the thermals stresses at the interface have to be released by the generation of new dislocations and subgrain boundaries. Due to this inheritance effect the dislocation density increases continuously during the crystallization. In the final part, methods for the reduction of the dislocation density are discussed. During seeding and crystallization the grain orientation along growth direction should be influenced. Grains growing in orientations near h100i are recommended, but grains with orientations about h110i should be avoided. A further method to reduce the dislocations density is to avoid radial thermal stresses.&#13;
This work and its classification of dislocations clusters is a basis for further investigations. Extensive investigations by means of TEM and WB-XRT would be necessary to obtain closer information of the composition of subgrain boundaries. The nature of the source of dislocation clusters within the grain boundaries remains unexplained. Furthermore, it might be an interesting question how much Lomer-Cottrell dislocations play a role regarding the electrical activity of subgrain boundaries.</abstract>
    <identifier type="urn">urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31553</identifier>
    <licence>Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.</licence>
    <author>Daniel Oriwol</author>
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      <value>Multikristallines Silicium</value>
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      <value>Gerichtete Erstarrung</value>
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      <value>Synchrotron Röntgentopographie</value>
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      <value>Transmissionselektronenmikroskopie</value>
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      <value>Synchrotron X-Ray topography</value>
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    <collection role="ddc" number="500">Naturwissenschaften und Mathematik</collection>
    <collection role="ddc" number="670">Industrielle Fertigung</collection>
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    <thesisPublisher>BTU  Cottbus - Senftenberg</thesisPublisher>
    <thesisGrantor>BTU Cottbus - Senftenberg</thesisGrantor>
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