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Phasenbildung und Nanostrukturen in den Systemen In2O3-R2O3-ZnO (R ∈ {Al, Fe, Ga}) und SnO2-ZnO

dc.contributor.advisorMader, Werner
dc.contributor.authorSchaan, Gunnar
dc.date.accessioned2020-04-24T08:56:36Z
dc.date.available2020-04-24T08:56:36Z
dc.date.issued15.09.2017
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/20.500.11811/7257
dc.description.abstractIn dieser Arbeit wird versucht, die Mechanismen der Bildung und des Wachstums von Inversionsdomänengrenzflächen (IDBs) in Verbindungen verschiedener Stoffsysteme In2O3-R2O3-ZnO (R ∈ {Al, Fe, Ga}) und SnO2-ZnO aufzuklären. Dazu wurden eindimensionale Nanostrukturen der jeweiligen Verbindungen mit Hilfe verschiedener Verfahren hergestellt und mit Methoden der Elektronenmikroskopie charakterisiert.
ZnO-Nanostrukturen wurden hergestellt, indem ein Gemisch von ZnO und Graphit bei 1000 °C zur Reaktion gebracht wird. Die entstehenden Reaktanden werden in einem Strom des Trägergases Argon zur Oberfläche eines Substrats transportiert. Dort reagiert gasförmiges Zn an Gold-Nanopartikeln auf der Oberfläche des Substrats mit O2 erneut zu ZnO. Das Trägergas wird durch anodische Oxidation von konzentrierter Schwefelsäure mit einem definierten O2-Gehalt angereichert. Die Geschwindigkeit des Längenwachstums der Nanowires wird vom O2-Gehalt des Trägergases beeinflusst und erreicht bis zu 27 nm/s. Aufgrund des schnellen Wachstums wird angenommen, dass Zn und O2 nur an der Oberfläche und nicht im Volumen des Partikels zu ZnO reagieren.
Durch Reaktion mit Sesquioxid-Nanopartikeln auf ihrer Oberfläche können ZnO-Nanostrukturen zu Verbindungen InRO3(ZnO)m reagieren. Binnen weniger Minuten wird die Bildung basaler und pyramidaler IDBs beobachtet. Mit Hilfe ortsaufgelöster Röntgenspektroskopie kann gezeigt werden, dass die enthaltenen Kationen von Beginn der Reaktion an die für sie geeignetsten Lagen im Kristall besetzen. Die pyramidale IDB hat zunächst eine planare Gestalt parallel zur basalen IDB und entwickelt sich sukzessive zu einer gewinkelten Grenzfläche. Basale IDBs bilden sich bevorzugt auf reaktiven +c-{0001}- und {10-11}-Facetten der Nanostruktur, wobei diese durch eine Inversion der oberflächennahen ZnO4-Tetraeder in unreaktive Facetten umgewandelt werden. Im Laufe des Einwachsens der basalen IDB in die Nanostruktur werden zwei Atomlagen ZnO abgebaut und die angrenzenden Kationenlagen um bis zu 0,9 Å verformt. Das Anionengitter bleibt während dieses Prozesses weitestgehend unverändert.
In2O3(ZnO)m-Nanostrukturen können durch Zersetzung der Zielverbindung direkt aus der Gasphase abgeschieden werden. Hohe Substrattemperaturen ermöglichen die Bildung der Verbindung mit m = 2, die im massiven Festkörper nicht bekannt ist. Durch Unterschreiten der Liquidustemperatur einer Au-In-Legierung am Ende des Abscheidungsvorgangs werden große Mengen an gelöstem In aus dem Goldpartikel ausgeschieden, die mit Zn und O2 zu In2O3(ZnO)2 reagieren.
Nanostrukturen der im F2 estkörper nicht bekannten Verbindungen SnZnO3(ZnO)m mit einem Sn-Gehalt von bis zu 2,1 % können durch Verdampfen und Abscheiden eines Gemischs von ZnO, Sn und Graphit hergestellt werden. Mit Hilfe von EDX-Elementverteilungskarten und durch quantitative Auswertung von annular dark field-Aufnahmen kann gezeigt werden, dass Sn und Zn nicht nur die basalen, sondern unerwarteterweise auch die pyramidalen IDBs im Verhältnis 1:1 besetzen.
dc.description.abstractPhase formation and nanostructures in the systems In2O3-R2O3-ZnO (R ∈ {Al, Fe, Ga}) and SnO2-ZnO
This thesis tries to elucidate the formation and growth mechanisms of inversion domain boundaries (IDBs) in compounds of the general formula In2O3-R2O3-ZnO (R ∈ {Al, Fe, Ga}) und SnO2-ZnO. One-dimensional nanostructures of the respective compounds were synthesized via different routes and investigated by electron microscopy methods.
ZnO nanostructures were synthesized by reaction of a mixture of ZnO and graphite at 1000 °C. The reagents were transported towards the surface of a substrate in a stream of the carrier gas argon. Gaseous Zn reacts with O2 at gold nanoparticles to form ZnO again. The carrier gas is infused with a controlled partial pressure of O2 via anodic oxidation of neat sulfuric acid. The rate of the growth of the nanostructures is strongly influenced by the oxygen content of the carrier gas and reaches up to 27 nm/s. Due to the fast growth, it is assumed that Zn and O2 react exclusively at the surface of the gold particle and not inside its bulk.
Via a reaction with sesquioxide nanoparticles on their surface, ZnO nanostructures can react to compounds of the general formula RO3(ZnO)m. Within few minutes, the formation of basal and pyramidal IDBs is observed. Spatially resolved X-ray spectroscopy shows that all cations occupy those sites most energetically suitable for them from the onset of the reaction. The pyramidal IDB is planar and parallel to the basal IDB in the beginning and evolves to a zigzag-shaped interface. Basal IDBs are preferentially formed at reactive +c-{0001}- und {10-11} facets of the nanostructures, whereupon these facets are transformed into unreactive facets by an inversion of the ZnO4 tetrahedra close to the surface. In the course of the IDB's growth into the bulk of the nanostructure, two layers of ZnO are removed while adjacent cation layers are deformed by up to 0.9 Å.The anion lattice remains mostly unaffected during this process.
Nanostructures of In2O3(ZnO) m are yielded via a direct decomposition and vapor-phase disposition of the product. High substrate temperatures allow for the formation of In2O3(ZnO)2, which is unknown as a bulk material. By falling below the solidus temperature of an Au-In alloy at the end of the deposition process, large amounts of previously dissolved In are released from the gold particle and react with Zn and O2, forming In2O3(ZnO) 2.
Nanostructures of compounds with the general formula SnZnO3(ZnO)m, which are unknown as a bulk material, can be synthesized by evaporating and depositing a mixture of ZnO, Sn metal and graphite. The relative Sn content reaches up to 2.1 %. EDS elemental mapping and quantitative analysis of annular dark field images reveal that Sn and Zn occupy not only the basal IDB, but unexpectedly the pyramidal IDB as well, in a 1:1 ratio.
dc.language.isodeu
dc.rightsIn Copyright
dc.rights.urihttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
dc.subjectZinkoxid
dc.subjectHalbleiter
dc.subjectIGZO
dc.subjectStrukturchemie
dc.subjectFestkörperchemie
dc.subjectNanostrukturen
dc.subjectNanowires
dc.subjectElektronenmikroskopie
dc.subjectTEM
dc.subjectzinc oxide
dc.subjectsemiconductor
dc.subjectstructural chemistry
dc.subjectsolid state chemistry
dc.subjectnanostructures
dc.subjectelectron microscopy
dc.subject.ddc540 Chemie
dc.titlePhasenbildung und Nanostrukturen in den Systemen In2O3-R2O3-ZnO (R ∈ {Al, Fe, Ga}) und SnO2-ZnO
dc.typeDissertation oder Habilitation
dc.publisher.nameUniversitäts- und Landesbibliothek Bonn
dc.publisher.locationBonn
dc.rights.accessRightsopenAccess
dc.identifier.urnhttps://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-48326
ulbbn.pubtypeErstveröffentlichung
ulbbnediss.affiliation.nameRheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
ulbbnediss.affiliation.locationBonn
ulbbnediss.thesis.levelDissertation
ulbbnediss.dissID4832
ulbbnediss.date.accepted2017-07-06
ulbbnediss.instituteMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät : Fachgruppe Chemie / Institut für Anorganische Chemie
ulbbnediss.fakultaetMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
dc.contributor.coRefereeBeck, Johannes


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