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Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin. Das Ziel der Arbeit war Bedingungen zu definieren, unter denen CuAlO2-Einkristalle aus dem Eigenfluss gezüchtet werden können. Zusätzlich wurden Untersuchungen zum Mischkristallsystem CuAlO2-CuFeO2 gemacht. Mithilfe thermodynamischer Messungen (DTA-TG) und Modellierungen mittels FactSage konnte das ternäre System Al2O3-Cu-CuO sowie das pseudobinäre System Cu2O-Al2O3 neu kalkuliert werden. Außerdem wurde erstmals das ternäre System Cu2O-Fe2O3-Al2O3 und das Mischkristallsystem CuAlO2-CuFeO2 berechnet. Für die Erstellung der Phasendiagramme wurden im Programm FactSage eigene Datenbanken angelegt, in denen vorhandene Daten an gewonnene Messdaten angeglichen und nicht existierende Phasen erstellt werden konnten. Der Züchtungsbereich des CuAlO2-Delafossits konnte zwischen etwa 1-2mol% Al2O3 in Cu2O eingegrenzt werden. Anhand der Ergebnisse aus den DTA-TG-Messungen konnten außerdem Aussagen zu einer geeigneten Züchtungsatmosphäre getroffen werden. Es zeigte sich, dass kupferoxidreiche Schmelzen in Platintiegeln stabil gehalten werden können, wenn in der Atmosphäre 15-21% Sauerstoff vorhanden ist. Bei niedrigeren Sauerstoffpartialdrücken wird zu viel elementares Kupfer gebildet und der Tiegel wird aufgrund einer Kupfer-Platin-Legierung angegriffen. Höhere Sauerstoffpartialdrücke führen zu einer Kristallisation des Spinelltyps CuAl2O4 anstelle von CuAlO2. Im Falle einer (CuAlxFe1-x)1-yO2+y-Mischkristallzüchtung müssen bei der Wahl der Atmopshäre neben den Oxidationszuständen des Kupferoxids (Cu2O und CuO) ebenfalls die des Eisenoxids (FeO, Fe2O3, Fe3O4) beachtet werden. An Luft ist hier die Spinellphase anstelle der Delafossitphase stabil, daher sollten reduzierendere Bedingungen als bei der reinen CuAlO2-Züchtung verwendet werden. Vorteilhaft bei der Mischkristallzüchtung ist, dass sich zum einen der Züchtungsbereich vergrößert und zum anderen der Schmelzpunkt der Delafossitphase herabgesetzt wird. Für die Züchtung der Materialien kamen verschiedene Kristallzüchtungsmethoden zum Einsatz. Die Züchtung in Tiegeln erfolgte mit (Czochralski/Top Seeded Solution Growth-Methode) und ohne Keimvorgabe (Spontane Kristallisation durch Abkühlen der Schmelzlösung im Muffelofen). Als tiegelfreie Alternative wurde eine Optical Floating Zone-Anlage gewählt. Die bisher größten CuAlO2-Einkristalle konnten in dieser Arbeit gezüchtet werden. Ausschlaggebend dafür war, dass die Züchtung unter den in dieser Arbeit optimierten Bedingungen erfolgte. Die plättchenförmigen Kristalle haben eine Größe von 5mm in [100] bzw. [010] und wurden durch spontane Kristallisation in einem Platintiegel an Luft gezüchtet. Die Züchtung mittels Keimvorgabe nach Czochralski/TSSG und auch die OFZ-Züchtung gestaltet sich aufgrund des kleinen CuAlO2-Züchtungsfensters als schwierig. In diesen Experimenten konnten keine größeren Kristalle erzielt werden. Die (CuAlxFe1-x)1-yO2+y-Mischkristallzüchtung in der OFZ-Anlage scheint aufgrund vereinfachter Züchtungsbedingungen (breiteres Züchtungsfenster bei niedrigerer Temperatur) vielversprechender zu sein., This thesis summarizes the results of my work as a PhD student at the Leibniz institute for crystal growth. The aim was to define conditions under which CuAlO2 single crystals can be grown from self-flux. In addition, investigations were carried out on the mixed crystal system CuAlO2-CuFeO2. Using thermodynamic measurements (DTA-TG), the ternary phase diagram Al2O3-Cu-CuO and its isopleth section Cu2O-Al2O3 were redeterminded. Besides the ternary system Cu2O-Fe2O3-Al2O3 and the mixed crystal system CuAlO2-CuFeO2 were calculated for the first time. The phase diagram calculations were done with the program FactSage in which own databases were created and the existing data was adapted to measurement data. The measurements revealed that solution growth should be carried out with 1-2 mol% Al2O3 in Cu2O. Moreover it could be shown that the copper oxide rich melts can be held stable in platinum crucibles that contain a sufficient oxygen concentration. 15-21% are the optimum compromise between the formation of too much metallic copper at lower oxygen partial pressures (from which the crucible will be destroyed because of Cu-Pt-alloy formation) and the crystallization of the spinel CuAl2O4 instead of CuAlO2 at higher oxygen partial pressures. In case of the (CuAlxFe1-x)1-yO2+y crystal growth, in addition to the oxidation states of the copper oxide (Cu2O und CuO), those of the iron oxide (FeO, Fe2O3, Fe3O4) must also be considered. In air, the spinel phase is stable instead of the delafossite phase. Therefore more reducing conditions should be used than for pure CuAlO2 crystal growth. The advantage for the mixed crystal growth is that on the one hand the growth area is enlarged and on the other hand the melting point of the delafossite phase is lowered. For the crystal growth different growth methods were used. The growth in platinum crucibles was carried out with the top seeded solution growth method, with the czochralski method and with spontaneous crystallization during cooling. As an alternative and crucible-free method the optical floating zone technique was used. Millimeter sized crystals (5mm in [100]/[010]) were grown in Pt-crucibles in air as a result of spontaneous crystallization. The growth using Czochralski/TSSG or OFZ is difficult because of the small CuAlO2 growth window. Due to the lower melting point and enlarged growth area, (CuAlxFe1-x)1-yO2+y crystal growth is more promising.

Strontiumtitanat (SrTiO3) ist ein wichtiges Substratmaterial für die Epitaxie und essenziel für fast alle bekannten oxidbasierten zweidimensionalen Elektronengassysteme. Diese Systeme haben viele mögliche Anwendungen, sind aber anfällig für Versetzungen im Substrat, weswegen das volle Potential mit den kommerziell verfügbaren Kristallen nicht erreicht werden kann. Um die Qualität zu erhöhen, müssen bessere Züchtungsmethoden gefunden werden wozu Verständnis der temperaturabhängigen Materialeigenschaften unerlässlich ist. Für viele Oxide können sehr gute Kristalle mit der Czochralski Methode hergestellt werden. Diese Methode erfordert einen guten Wärmetransport durch den wachsenden Kristall. Ein sehr niedriger Wärmetransport führt zu instabilem Wachstum und manchmal zu Spiralbildung. Weil SrTiO3 einen hohen Schmelzpunkt von ca. 2350 K hat, dominiert der Strahlungswärmetransport. IR-Spektren bei hoher Temperatur zeigen eine starke Absorption an freien Ladungsträgern. UV/VIS-Spektren zeigen, dass die Bandlücke stark temperaturabhängig ist, was zu einer hohen Dichte an freien Ladungsträgern führt. Da die IR-Absorption stark mit der Temperatur zunimmt, bietet Kristallzüchtung bei niedrigeren Temperaturen mehr Kontrolle. Dies kann mit der „top-seeded solution growth“-Methode (TSSG) erreicht werden. Viele der gezüchteten Kristalle zeigen starke Verfärbungen. Die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften von der Züchtungsatmosphäre wurde systematisch untersucht. Eine Atmosphäre mit sehr geringer Sauerstoffkonzentration führt zu einer schwarz-blauen Verfärbung und leitfähigen Kristallen, während zu viel Sauerstoff zu einer Braunen Farbe führt. Mit dem richtigen Sauerstoffgehalt ist es möglich farblose Kristalle zu züchten. Die braune Verfärbung in nahezu stoichiometrischen TSSG-Kristallen konnte auf Nanometer große Hohlräume in den Kristallen zurückgeführt werden die das Licht streuen. Diese Nanohohlräume entstehen wahrscheinlich durch die Kombination von Punktdefekten., Strontium titanate (SrTiO3) is an important epitaxy substrate material which is an essential component in almost all oxide based two-dimensional free electron gas systems. These systems offer many potential applications, but are very sensitive to dislocations in the substrate and their full potential cannot be reached with the commercially available material. To improve crystal quality, alternative growth methods are necessary and to find these, knowledge about the temperature dependent material properties is crucial. For many oxides, high-quality crystals can be produced by using the Czochralski method. For this method, a sufficiently high heat transport through the growing crystal is highly important. Very low heat transport will lead to unstable growth, often resulting in spiraling. Because SrTiO3 has a very high melting point of about 2350 K, radiative heat transport dominates. High temperature IR-spectra show that free charge carriers cause the low radiative heat transport. Temperature dependent UV/VIS spectra show that the band gap shifts strongly with temperature, causing the high free carrier concentration. Since the IR absorption depends heavily on the temperature, growth at lower temperatures is easier to control. This is possible using top seeded solution growth (TSSG). Many of the crystals produced by the growth methods investigated here show strong colorations. The dependence of the color on the growth atmosphere was investigated. Atmospheres with a low oxygen concentration led to blue/black conducting crystals and a high oxygen concentration led to brownish crystals. With the correct oxygen concentration, colorless crystals can be grown. The brown coloration in nearly stoichiometric TSSG crystals was found to be due to light scattering at nanometer sized voids in the crystals. These nano-voids are probably formed by the combination of vacancies.

Es wurde der Einfluss der Sauerstoffaktivität auf Phänomene bei der Kristallzüchtung von Oxiden aus ihren Schmelzen untersucht. Mittels thermochemischer Rechnungen wurden die Stabilitätsbereiche der eingesetzten Oxide berechnet und darauf aufbauend Züchtungsexperimente konzipiert und durchgeführt. Zum Einsatz kamen speziell angepasste Gasmischungen mit Redoxpaaren, die eine über mehrere Größenordnungen einstellbare, temperaturabhängige Fugazität aufweisen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Züchtung von Wüstit-Einkristallen (FeO) aus der Schmelze. In thermoanalytischen Messungen und Kristallzüchtungsexperimenten konnte gezeigt werden, dass die Sauerstofffugazität einer Gasmischung aus 10 Vol-% CO2, 5 Vol-% CO und Ar über einen weiten Temperaturbereich innerhalb des Stabilitätsbereichs des Eisen(II)oxids liegt und somit zur Kristallisation des Wüstits führt. Wüstitkristalle wurden nach dem micro-pulling-down-Verfahren hergestellt und mittels Röntgenbeugung untersucht. Bei hinreichend hoher Wachstumsgeschwindigkeit von 50 mm/min und damit verbundener hoher Abkühlgeschwindigkeit konnte der eutektoide Zerfall der Kristalle in Magnetit und α-Eisen bei ca. 560°C unterdrückt und phasenreine Wüstitkristalle hergestellt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss der Sauerstofffugazität auf die Chromverteilung in schmelzgezüchteten Rubinen untersucht. Unter für die Züchtung hochschmelzender Oxide typischen Versuchsbedingungen liegt ein erheblicher Teil des Chroms in der Schmelze in Form des Chrom(II)oxids vor. Im Gegensatz zu Chrom(III)oxid wird dieses praktisch nicht in den Kristall eingebaut. Daraus ergibt sich die Abhängigkeit der effektiven Chromsegregation vom Sauerstoffgehalt der Atmosphäre über der Schmelze. Diese Abhängigkeit wurde aus dem simulierten ternären Phasendiagramm des Systems Al2O3–Cr2O3–CrO berechnet und experimentell bestätigt. In einer Atmosphäre mit einer Sauerstofffugazität von ca. 3×10-5 bar am Schmelzpunkt des Rubins (ca. 2053°C) wird der Verteilungskoeffizient des Chroms zu 1, d.h. die Chromsegregation verschwindet. Nach der Czochralski-Methode in einer derart angepassten Atmosphäre gezüchtete Kristalle zeigen eine nahezu homogene Chromverteilung. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten der Züchtung von Kristallen aus Zinkoxid (ZnO) aus der Schmelze. Eine ZnO-Schmelze ist bei Temperaturen oberhalb 1975°C und Drücken über 1,06 bar stabil. Jedoch schränkt der zur Unterdrückung der Dissoziation in die Elemente notwendige Sauerstoffdruck die Auswahl kompatibler Tiegelmaterialien erheblich ein. Thermochemische Rechnungen zeigen, dass eine CO2-haltige Atmosphäre eine Sauerstofffugazität aufweist, die bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt die Dissoziation des Zinkoxids weitgehend unterdrückt, gleichzeitig aber Iridium nicht oxidiert. So gelang erstmals die Züchtung großer Zinkoxid-Einkristalle nach dem Bridgman-Verfahren aus Iridiumtiegeln. Within the scope of this dissertation, the influence of oxygen activity on phenomena during melt growth of oxide crystals has been investigated. Based on thermochemical calculations of stability diagrams of the deployed metals and their oxides, crystal growth processes were designed and carried out. Gas mixtures containing redox pairs yielding a temperature-dependent oxygen fugacity that can be tuned over several orders of magnitude were extensively exploited. The first part deals with the growth of wüstite (FeO) single crystals from the melt. In thermoanalytic measurements and crystal growth experiments it could be verified that an ambient composed of 10 vol% CO2, 5 vol% CO, and Ar yields an oxygen fugacity that lies inside the stability range of iron(II) oxide over a wide temperature range. Wüstite single crystals were grown by the micro-pulling-down technique and characterized by X-ray diffraction technique. Applying a sufficiently high pulling rate of 50 mm/min allowed to suppress the eutectoid decomposition at 560°C and to obtain crystals without magnetite precipitations. The influence of oxygen fugacity on chromium distribution in melt-grown ruby (Cr:Al2O3) crystals is subject of the second part. In ambient conditions typical for the growth of high melting point oxides, a significant part of chromium occurs in the form of chromium(II) oxide which, in contrast to chromium(III) oxide, is practically not incorporated into the growing ruby crystal. As a result, the effective chromium segregation can be controlled by the oxygen partial pressure in the growth ambient. A quantitative relation of the chromium effective distribution coefficient on oxygen fugacity was derived from the calculated Al2O3–Cr2O3–CrO ternary phase diagram and confirmed in crystal growth experiments. An optimized growth ambient was identified for which the effective chromium segregation vanishes, i.e. for which the distribution coefficient becomes unity. Crystals grown in such conditions exhibited an exceptionally homogeneous chromium macro- and micro-distribution. The last part is focused on the feasibility of crystal growth of zinc oxide (ZnO) from the melt. A ZnO melt is stable above the triple point which occurs at 1975°C and 1.06 bar. The oxygen pressure needed to suppress dissociation into the elements drastically reduces the choice of compatible crucible materials. Equilibrium calculations showed that an atmosphere composed of CO2 yields an oxygen fugacity that can greatly reduce the ZnO dissociation but still does not oxidize iridium. With that knowledge large ZnO crystals could be grown using the Bridgman technique for the first time.

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.