TY - THES A1 - Ganie, Umar Bashir T1 - Thermal analysis of lithium niobate tantalate bulk mixed crystals T1 - Thermische Analyse von Lithium-Niobat-Tantalat-Mischkristallen N2 - This study comprehensively investigated the thermal properties and phase behavior of lithium niobate-tantalate (𝐿𝑖𝑁𝑏𝑥𝑇𝑎1−𝑥𝑂3, LNT) solid solutions. The research used experimental techniques to explore the variation of the ferroelectric Curie temperature (Tc) as a function of composition. LNT single crystals were grown using the Czochralski method. The elemental composition of niobium (Nb) and tantalum (Ta) in these crystals was determined using X-ray fluorescence (XRF) analysis. Small, compositionally homogeneous samples were then selected for differential scanning calorimetry (DSC) measurements to determine specific heat capacities (Cp). The DSC measurements revealed a linear decrease in Tc with increasing Ta concentration in the LNT solid solution crystals. Additionally, the ferroelectric transition width was observed to be narrower in mixed crystals compared to pure LT. Differential Thermal Analysis (DTA) and crystal growth experiments were performed further to understand the phase behavior of LNT solid solutions. The heats of fusion for the end members, LN and LT, were measured using DTA, yielding values of 103 kJ/mol at 1531 K for LN and 289 kJ/mol at 1913 K for LT. These values were used as input parameters in a thermodynamic solution model implemented in the Factsage software. The solution model enabled the calculation of a phase diagram for LNT solid solutions, which was further optimized in the Calphad Factsage. Thermodynamic parameters for the Gibbs free energy of mixing of the solid solution were also generated. The resulting phase diagram showed good agreement with the experimental data. Additionally, the temperature-dependent thermal conductivity of pure LN, LT, and LNT solid solutions and selected doped LN and LT crystals (Mg, Zn) was investigated. Measurements were conducted across a temperature range from 300 K to 1300 K. The findings indicated that thermal conductivity increases with temperature, especially above 800 K, with a more pronounced effect in tantalum-rich solutions. The interplay of the Nb/Ta ratio and doping effects was particularly significant at high temperatures. These insights into the thermal conductivity of LNT and doped LN and LT crystals are crucial for optimizing growth conditions. Understanding thermal conductivity helps ensure homogeneous crystallization during the growth process, which remains a challenge in the production of LNT single crystals. N2 - Diese Arbeit führte eine umfassende Studie zur Untersuchung der thermischen Eigenschaften und Phasenverhalten von Lithiumniobat-Tantalat (𝐿𝑖𝑁𝑏𝑥𝑇𝑎1−𝑥𝑂3, LNT) Mischkristalle durch. Die Forschung nutzte experimentelle Techniken, um die Variation der ferroelektrischen Curie-Temperatur (Tc) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung zu untersuchen. LNT-Einkristalle wurden mit der Czochralski-Methode gezogen. Die Elementzusammensetzung von Niob (Nb) und Tantal (Ta) in diesen Kristallen wurde mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF) bestimmt. Kleine Proben mit homogener Zusammensetzung wurden dann für Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC)-Messungen ausgewählt, um die spezifischen Wärmekapazitäten (Cp) zu bestimmen. Die DSC-Messungen zeigten eine lineare Abnahme der Tc mit zunehmender Ta-Konzentration in den LNT-Festlösungskristallen. Zusätzlich wurde beobachtet, dass die ferroelektrische Übergangsbreite in Mischkristallen enger war als in reinem LT. Differenzielle Thermoanalyse (DTA) und Kristallwachstumsexperimente wurden durchgeführt, um das Phasenverhalten von LNT-Festlösungen weiter zu verstehen. Die Schmelzwärme der Endglieder LN und LT wurde mittels DTA gemessen und ergab Werte von 103 kJ/mol bei 1531 K für LN und 289 kJ/mol bei 1913 K für LT. Diese Werte wurden als Eingabeparameter in ein thermodynamisches Lösungsmodell verwendet, das in der Factsage-Software implementiert ist. Das Lösungsmodell ermöglichte die Berechnung eines Phasendiagramms für LNT-Festlösungen, das weiter in Calphad Factsage optimiert wurde. Thermodynamische Parameter für die freie Mischungsenthalpie der Mischkristallen wurden ebenfalls generiert. Das resultierende Phasendiagramm zeigte eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Zusätzlich wurde die temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit von reinem LN, LT und LNT-Festlösungen sowie ausgewählten dotierten LN- und LT-Kristallen (Mg, Zn) untersucht. Messungen wurden über einen Temperaturbereich von 300 K bis 1300 K durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur zunimmt, insbesondere über 800 K, mit einem ausgeprägteren Effekt in tantalreichen Lösungen. Das Zusammenspiel des Nb/Ta-Verhältnisses und der Dotierungseffekte war bei hohen Temperaturen besonders signifikant. Diese Erkenntnisse zur Wärmeleitfähigkeit von LNT- und dotierten LN- und LT-Kristallen sind entscheidend für die Optimierung der Wachstumsbedingungen. Das Verständnis der Wärmeleitfähigkeit trägt dazu bei, eine homogene Kristallisation während des Wachstumsprozesses sicherzustellen, was nach wie vor eine Herausforderung bei der Herstellung von LNT-Einkristallen darstellt. KW - Thermal conductivity KW - Lithium niobate tantalate KW - Mixed crystals KW - Crystal growth KW - Thermal analysis KW - Phase diagram KW - Mischkristalle KW - Kristallzüchtung KW - Thermische Analyse KW - Phasendiagramm KW - Wärmeleitfähigkeit KW - Tantalate KW - Lithium KW - Niob KW - Mischkristall KW - Phasendiagramm KW - Temperaturabhängigkeit KW - Phasengleichgewicht Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-69813 ER -