Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
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On the effect of secondary phases on gasifier slag behavior
Get PDFBy analyzing process samples full and pilot scale gasifiers, the main influences affecting their slag are identified. Based on this knowledge as well as the current literature, the effect of crystallization was identified as crucial for understanding slag behavior and is analyzed during cooldown. Finally, the emerging interest in sewage sludge upcycling via gasification necessitated an investigation on the influence of adding P2O5 as slag constituent. All conclusions concerning the full scale gasifier slags were based on XRF, XRD, and SEM-EDX analyses coupled with thermodynamic equilibrium calculations via FactSage. The subsequently presented research on crystallization and the effect of P2O5 was centered on conducting slag viscosity measurements, recreating the conditions of said measurement in a quench oven, and analyzing the resulting quench samples via the mentioned analysis methods. Special focus was put on the phase evolution, its governing factors, and the effect on slag viscosity.:1. INTRODUCTION 1
2. FUNDAMENTALS IN SLAG BEHAVIOR CHARACTERIZATION 3
2.1. BASE TO ACID RATIO AS KEY FIGURE FOR SLAG CHARACTERIZATION 7
2.2. VISCOSITY ALTERING SECONDARY PHASES IN SLAGS 9
2.2.1. The effect of crystallization on slag flow 10
2.2.2. Modelling and measuring crystallization in slags 11
2.3. CRITICAL VISCOSITY 13
2.4. PHOSPHOROUS OXIDE IN SLAGS 15
2.4.1. Behavior of P2O5 within slags 16
2.4.2. Phase separation in melts containing P2O5 17
2.4.3. Effect on slag viscosity 22
3. ANALYTICAL METHODS 26
3.1. SAMPLE PRETREATMENT 26
3.2. ASH FUSION TEMPERATURE 28
3.3. X-RAY FLUORESCENCE MEASUREMENT (XRF) 30
3.4. X-RAY DIFFRACTION 31
3.5. VISCOSITY MEASUREMENT 32
3.6. DIFFERENTIAL THERMAL ANALYSIS (DTA) 36
3.7. QUENCH APPARATUS 37
3.8. SEM-EDX 39
3.9. THERMODYNAMIC EQUILIBRIUM CALCULATIONS 40
4. CHARACTERIZATION OF SLAGS FROM FULL OR PILOT SCALE GASIFIERS 42
4.1. SLAG FROM GENERAL ELECTRICS GASIFIER IN TAMPA 43
4.1.1. Analysis of the suspending main phase 45
4.1.2. Analysis of the silica phase 50
4.1.3. Analysis of the metal enclosures 51
4.1.4. Analysis of the vanadium-rich particles 53
4.1.5. Summary of the analysis of the General Electrics gasifier slag 55
4.2. SLAG FROM GSP GASIFIER 57
4.2.1. NCPP slag 57
4.2.2. Huainan Anhui slag 64
4.2.3. Genesee slag 70
4.2.4. Hambach-Garzweiler 50:50 slag 75
4.2.5. Summary of the analysis of the GSP slags 86
4.3. SLAG FROM BRITISH GAS/LURGI (BGL) GASIFIER 88
4.3.1. Summary and conclusions of the analysis of the BGL slag 99
5. CHARACTERIZING CRYSTALLIZATION DURING SLAG VISCOSITY MEASUREMENTS 102
5.1. EXPERIMENTAL PROCEDURE 103
5.1.1. Sample preparation 107
5.1.2. Viscosity measurement 108
5.1.3. Differential thermal analysis (DTA) 108
5.1.4. Quench oven 108
5.1.5. XRD, XRF, SEM-EDX, and FactSage calculations 109
5.2. RESULTS AND DISCUSSION 109
5.2.1. Slag 1 (CO/CO2 atmosphere) 110
5.2.2. Slag 2 (CO/CO2 atmosphere) 112
5.2.3. Slag 3 (air atmosphere) 116
5.2.4. Slag 3 (CO/CO2 atmosphere) 119
5.3. CONCLUSION AND SUMMARY OF THE STUDY OF CRYSTALLIZATION IN SLAGS DURING COOLDOWN 122
6. THE EFFECT OF PHOSPHOROUS OXIDE ON SLAGS 125
6.1. PRELIMINARY SEWAGE SLUDGE SLAG INVESTIGATION 126
6.1.1. Conclusion and summary sewage slag investigation 136
6.2. EXPERIMENTAL PROCEDURE FOR PARAMETRIC STUDY 139
6.3. PARAMETRIC STUDY 141
6.3.1. HKN with 15% sand (HKNS) 142
6.3.2. HKNS with low P2O5 addition (HKNS5P) 147
6.3.3. HKNS with medium low P2O5 addition (HKNS10P) 153
6.3.4. HKNS with medium high P2O5 addition (HKNS15P) 158
6.3.5. HKNS with high P2O5 addition (HKNS20P) 163
6.3.6. P2O5 distribution 169
6.3.7. Effect of P2O5 on viscosity 174
6.4. SUMMARY ON THE INVESTIGATION OF P2O5 IN SLAGS 179
7. CONCLUSION AND OUTLOOK 185
8. REFERENCES 190
9. APPENDIX A: DIFFERENCE IN PREDICTION OF SEWAGE SLUDGE ELEMENTAL DISTRIBUTION 213
10. APPENDIX B COMPARISON OF XRF ANALYSES OF HKNS-P2O5 MIXTURES 215
11. APPENDIX C EDX MAPS OF THE QUENCH SAMPLES IN THE PARAMETRIC PHOSPHORUS ADDITION STUDY 218
12. APPENDIX D SUMMARY OF PHASE COMPOSITION OF THE EDX MAPS 239
13. APPENDIX E ENRICHMENT FACTORS FOR THE QUENCH SAMPLES IN THE PARAMETRIC PHOSPHORUS ADDITION STUDY 24
Surface movement due to coal mining and abandoned mine flooding
Get PDFTo better understand the issues about the surface movements in the coal mining region Lugau-Oelsnitz, Germany, small-scale numerical models are firstly utilized for verifications via analytical solutions, to explore the simulation schemes, and for parameter sensitivity analysis. 1D rock column numerical models shows that simulated surface movements are consistent with analytical solutions. The investigations via 2.5D profile numerical models also show that uplift is linear related to water level rise under confined mine water conditions, while a quadratic function is valid for unconfined mine water. Geodetic survey in the Lugau-Oelsnitz district shows that at the end of the active mining period (1844 to 1971), general subsidence is about 5 - 10 m, with a maximum of 17 m in the southern mining area. General uplift velocity after abandoned mine flooding between 1972 and 2014 is about 0.5 - 2.0 mm/year. Based on numerical simulation results, predicted general uplift velocity vary between 0.5 - 3.0 mm/year, while maximum uplift position is moving toward south.:1 Introduction
2 State of the art
2.1 Overview
2.1.1 Coal mining induced settlements
2.1.2 Flooding induced uplift
2.2 Approaches to predict subsidence
2.2.1 Empirical approaches
2.2.2 Influence function methods
2.2.3 Physical models
2.2.4 Numerical simulation methods
2.3 Approaches to predict uplift
2.3.1 Empirical approaches
2.3.2 Numerical simulation methods
2.4 Comparison and conclusions
2.4.1 Comparison of research methods
2.4.2 Conclusions
3 Numerical simulation approaches
3.1 Continuum mechanical simulations with FLAC3D
3.1.1 Mining induced subsidence
3.1.2 Flooding induced uplift
3.2 Discontinuum mechanical simulations with 3DEC
3.2.1 Self-weight induced settlement in jointed rock column model
3.2.2 Uplift for jointed and fully saturated rock column
3.3 Parameter sensitivity study
3.3.1 Parameter effect on subsidence
3.3.2 Parameter effect on uplift
3.4 Interface and volume element representation of faults
3.4.1 Simulation schemes
3.4.2 Parameter sensitivity analysis of fault
3.4.3 Discussion
3.5 Conclusions
4 Case study: Coal mining region Lugau-Oelsnitz
4.1 Background information
4.1.1 Mining background
4.1.2 Geological and hydrogeological situation
4.2 In-situ monitoring data
4.2.1 Groundwater level data
4.2.2 Surface movement data
4.2.3 Discussion of data analysis
4.3 Continuum based numerical modelling
4.3.1 Introduction
4.3.2 Model set-up
4.3.3 Calculation results
4.3.4 Surface movement predictions
4.4 Discontinuum based numerical modelling
4.4.1 Model set-up
4.4.2 Calibration results
4.4.3 Surface movement prediction
4.5 Conclusions
5 Conclusions and prospects
5.1 Conclusions
5.2 Main contributions of thesis
5.3 Inadequacies and prospect
Tribologie von Radial-Wellendichtungen
Get PDFDichtungen spielen für die Funktion von Maschinen eine zentrale Rolle. Sie verhindern den Austritt von Schmierstoff aus dem Innenraum in die Umgebung und das Eindringen von Schmutz von Außen. Neben einer möglichst guten Abdichtung ist jedoch auch die durch die Dichtung auftretende Reibung von immer größerer Bedeutung für die Funktionalität von Maschinen und Anlagen. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit untersucht, welche wesentlichen Einflussfaktoren das Reibmoment, bzw. den Reibwert von Radialwellendichtungen, beeinflussen. Experimentelle Untersuchungen erfolgen dafür an einem speziell entwickelten Versuchstand. Dabei wird ersichtlich, dass die Umfangsgeschwindigkeit, die Schmierstoffviskosität und die Temperatur im Dichtkontakt die wesentlichsten Einflussfaktoren bei einer festen Kombination aus Dichtung und Gegenlaufläche darstellen. Im Vergleich zwischen verschiedenen Dichtungen spielt zudem die Radialkraft der Dichtung eine entscheidende Rolle.
Des weiteren wird ein komplexes Modell entwickelt, welches die Effekte im tribologischen Kontakt beschreibt und so das Reibmoment der Dichtung berechenbar macht. Berücksichtigt werden dabei sowohl die durch Oberflächenstrukturen beeinflusste Fluidreibung im Schmierspalt, als auch die Hysteresereibung im Dichtungsmaterial und die Temperatur im Dichtkontakt. Durch die Kopplung der Einzelmodelle wird zudem die gegenseitige Beeinflussung berücksichtigt. Die Simulationsergebnisse ermöglichen einen tiefen Einblick in das Zusammenwirken der Phänomene im Dichtkontakt. Das Modell erlaubt die Berechnung des Reibwertes der Dichtung anhand der Betriebsbedingungen. Der Vergleich zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung.
Ein weiteres, vereinfachtes Modell auf Basis der Gümbelzahl ermöglicht die direkte und extrem schnelle Berechnung des Reibwertes der Dichtung. Das reduzierte Modell kann hierbei sowohl von experimentellen als auch numerischen Ergebnissen parametriert werden.:1 Einleitung und Ziel der Arbeit 1
2 Stand des Wissens 3
2.1 Dynamische Dichtungen 3
2.2 Tribologie des Dichtkontaktes 4
2.2.1 Mechanismen im tribologischen Kontakt 5
2.2.2 Einflüsse auf die Dichtwirkung 6
2.2.3 Schmierfilmhypothesen 7
2.2.4 Stribeck-Kurve und Gümbelzahl 8
2.3 Materialeigenschaften von Elastomeren 9
2.4 Schmierstoffeigenschaften 11
2.5 Modelle zur Beschreibung von Dichtungsreibung 13
2.5.1 Modellierung der Hysteresereibung 14
2.5.2 Modellierung der Fluidreibung 16
2.5.3 Modellierung des Dichtungskontaktes 19
2.5.4 Modellierung der Temperatur im Dichtkontakt 20
3 Experimentelle Untersuchungen 21
3.1 Radialkraft 21
3.2 Kontaktbreite 23
3.3 Reibwertkennlinien 24
3.3.1 Radial-Dichtungsprüfstand 24
3.3.2 Ermittlung von Reibwertkennlinien unter stationären Randbedingungen 25
3.3.3 Ermittlung von Reibwertkennlinien unter instationären Randbedingungen 31
3.4 Elastomereigenschaften 34
3.4.1 Zugversuch 34
3.4.2 Dynamisch-Mechanisch-Thermische Analyse 34
4 Simulationen 37
4.1 FE-Modelle und Parametrierung 37
4.2 Modell zur Simulation des Dichtungsreibmomentes 39
4.2.1 Modellierung der Fluidreibung 40
4.2.2 Modellierung der Hysteresereibung 51
4.2.3 Approximation der Temperatur im Dichtkontakt 60
4.2.4 Kopplung/Abhängigkeiten 60
4.2.5 Berechnung der wahren Kontaktfläche 62
4.2.6 Ankopplung der Hysteresereibung 64
4.3 Ergebnisse zur Simulation des Dichtungsreibwertes 64
4.3.1 Fluidreibung 64
4.3.2 Hysteresereibung 69
4.3.3 Fluid- und Hysteresereibung 74
4.3.4 Einfluss der Umgebungstemperatur 77
4.3.5 Instationäre Randbedingungen 79
5 Zusammenfassung 83
A Einfluss der Maxwell-Äste auf das Ergebniss der Hysteresereibung 87
B Koeffizienten für die Flussfaktorenberechnung 89
Literaturverzeichnis 91Seals are very important for the proper function of machines. They prevent lubricant from escaping from the interior into the environment and the ingress of dust from outside. Yet not only the sealing properties are relevant, also the friction is getting more and more in focus. Therefore, in this thesis, the relevant influences on the friction moment, and on the friction coefficient are investigated. A special test rig has been developed for the experimental investigations. It has been found that the circumferential velocity and the lubricants viscosity in conjunction with the temperature at the seals contact are the main influence factors of a defined combination of seal and surface. For the comparison of different seals, the radial contact force has an important influence, too.
Beside these experimental investigations a complex simulation model has been developed. It describes the effects inside the tribological contact and allows the calculation of the seals friction moment. The model uses calculation routines for the fluid friction due to the fluid film inside the seals contact with respect to the surface structures, as well as the hysteresis friction inside the seals lip. Furthermore, the seals contact temperature is calculated. All these models relate and respect the influence between each other. The simulation results allow a deep view on the phenomena inside the seals contact and their interaction with each other. The model allows the calculation of the friction coeficient. A good agreement between experimental and numeric results could be achieved.
An additional, reduced model on basis of the Gümbel number allows a direct and extreme fast calculation of the friction coeficient. The reduced model could be parameterized both on experimental and simulation results.:1 Einleitung und Ziel der Arbeit 1
2 Stand des Wissens 3
2.1 Dynamische Dichtungen 3
2.2 Tribologie des Dichtkontaktes 4
2.2.1 Mechanismen im tribologischen Kontakt 5
2.2.2 Einflüsse auf die Dichtwirkung 6
2.2.3 Schmierfilmhypothesen 7
2.2.4 Stribeck-Kurve und Gümbelzahl 8
2.3 Materialeigenschaften von Elastomeren 9
2.4 Schmierstoffeigenschaften 11
2.5 Modelle zur Beschreibung von Dichtungsreibung 13
2.5.1 Modellierung der Hysteresereibung 14
2.5.2 Modellierung der Fluidreibung 16
2.5.3 Modellierung des Dichtungskontaktes 19
2.5.4 Modellierung der Temperatur im Dichtkontakt 20
3 Experimentelle Untersuchungen 21
3.1 Radialkraft 21
3.2 Kontaktbreite 23
3.3 Reibwertkennlinien 24
3.3.1 Radial-Dichtungsprüfstand 24
3.3.2 Ermittlung von Reibwertkennlinien unter stationären Randbedingungen 25
3.3.3 Ermittlung von Reibwertkennlinien unter instationären Randbedingungen 31
3.4 Elastomereigenschaften 34
3.4.1 Zugversuch 34
3.4.2 Dynamisch-Mechanisch-Thermische Analyse 34
4 Simulationen 37
4.1 FE-Modelle und Parametrierung 37
4.2 Modell zur Simulation des Dichtungsreibmomentes 39
4.2.1 Modellierung der Fluidreibung 40
4.2.2 Modellierung der Hysteresereibung 51
4.2.3 Approximation der Temperatur im Dichtkontakt 60
4.2.4 Kopplung/Abhängigkeiten 60
4.2.5 Berechnung der wahren Kontaktfläche 62
4.2.6 Ankopplung der Hysteresereibung 64
4.3 Ergebnisse zur Simulation des Dichtungsreibwertes 64
4.3.1 Fluidreibung 64
4.3.2 Hysteresereibung 69
4.3.3 Fluid- und Hysteresereibung 74
4.3.4 Einfluss der Umgebungstemperatur 77
4.3.5 Instationäre Randbedingungen 79
5 Zusammenfassung 83
A Einfluss der Maxwell-Äste auf das Ergebniss der Hysteresereibung 87
B Koeffizienten für die Flussfaktorenberechnung 89
Literaturverzeichnis 9
Herstellung von GaN-Schichten mittels Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie
Get PDFVerbindungshalbleiter mit einer großen Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) sind aufgrund ihrer hervorragenden elektronischen Eigenschaften für die Halbleiterindustrie von großem Interesse. Die Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie, die auf dem physikalischen Gasphasentransport von Gallium basiert, ist eine alternative Methode der Gasphasenepitaxie von GaN. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen die Weiterentwicklung der Methode hinsichtlich der Verringerung der Kontamination und die Reduzierung der Versetzungsdichte in den GaN-Schichten. Dazu wurde eine neue Verdampfungszelle entwickelt und die komplexen, mehrstufigen Nukleations- und Wachstumsprozesse systematisch untersucht. Insgesamt wurden zu kommerziell verfügbaren GaN-Schichten vergleichbare Defektdichten erreicht. Zusätzlich wurde die Methode zur Abscheidung auf Saphir-Substraten mit einem Durchmesser von bis zu 2 Zoll aufskaliert
Beitrag zur Bestimmung des thermischen Akkommodationskoeffizienten an keramischen Oberflächen
Get PDFDer thermische Akkommodationskoeffizient α spielt als Teil der effektiven Wärmeleitfähigkeit von hochporösen Dämmstoffen (basierend auf SiO2 oder CaSiO3) eine nicht zu unterschätzende Rolle beim Wärmetransport. In vorhandenen Modellen zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit wird er häufig, jedoch nicht bewiesen mit α = 1 für Gase wie Argon oder Stickstoff bzw. α = 0,3 für Helium angenommen. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, jene Annahme zu überprüfen als auch erstmalig α an CaSiO3 zu bestimmen. Dazu wurde eine eigens entwickelte Versuchsapparatur ähnlich einer Guarded-Hot-Plate aufgebaut und umfangreich mit Literaturdaten kalibriert. Die bisher allgemein gültige Annahme konnte für beide Materialien mit Argon, Stickstoff und Helium experimentell verifiziert und damit die Gültigkeit vorhandener Modelle zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit unterstrichen werden. Parallel dazu wurde kooperativ eine Molekulardynamik Simulation durchgeführt, wodurch die Messergebnisse ebenfalls bestätigt werden konnten
Photoluminescence related to transition metal and carbon defects in GaN
Get PDFGalliumnitrid (GaN) ist ein Schlüsselmaterial zur Produktion von elektronischen Hochfrequenz- und Hochleistungsbauelementen sowie Leuchtdioden. Zum Erreichen der optimalen Bauelementleistung ist ein tiefgreifendes Verständnis sowie die Kontrolle von Punktdefekten unabdingbar um die elektrischen und optischen Substrateigenschaften präzise einzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Punktdefekte in GaN mittels Photolumineszenz (PL)-spektroskopie untersucht. Häufige Übergangsmetallverunreinigungen (Fe, Mn und Cr) wurden anhand ihrer internen Übergänge, die sich durch scharfe Lumineszenz- und Absorptionslinien im nahen Infrarot auszeichnen, identifiziert. Mn und Cr wurden als Ursprung für ungewollte Substratfärbungen bestimmt. Teilweise Entfärbung konnte durch Mn-Si-Kodotierung erreicht werden. Der Zusammenhang zwischen Absorption und Emission des Cr-Zentrums wurde durch polarisationsabhängige PL-Anregungsspektroskopie analysiert. Weiterhin wurde der Einfluss von Kohlenstoffdotierung auf die Eigenschaften von GaN-Substraten durch PL- und PL-Anregungsspektroskopie untersucht. Eine neue Emissionsbande um 1,62 eV, die am effizientesten bei 2,7 eV angeregt wird, wurde für hochdotiertes GaN:C beobachtet und einem internen Übergang C_N-C_Ga-C_N-Komplexen zugeschrieben.Gallium nitride (GaN) is a key material for the production of high frequency and high power electronics as well as light emitting diodes. Optimum device performance requires a profound understanding and control of the point defect formation in order to determine the electrical and optical substrate properties. Within this thesis, photoluminescence (PL) spectroscopy was applied to analyze point defects in GaN. Common transition metal impurities (Fe, Mn and Cr) were identified by their internal transitions characterized by sharp luminescence and absorption lines in the near infrared region. Among them, Mn and Cr were shown to be the origin of undesirable substrate coloration. Partial decoloration was achieved by an Mn-Si codoping approach. The relationship of absorption and emission processes of the Cr impurity center was further analyzed by polarization dependent PL excitation spectroscopy. Furthermore, the impact of C-doping on GaN substrate properties was investigated by PL and PL excitation spectroscopy. A new emission band around 1.6 eV, most efficiently excited at 2.7 eV, was reported for highly C-doped GaN and proposed to originate from an internal transition of C_N-C_Ga-C_N complexes
Quantenchemische Studien zum Komplexierungsverhalten ausgewählter Rezeptorsysteme gegenüber Glycosiden und ionischen Substraten
Get PDFIm Rahmen dieser Arbeit wurde das Bindungsverhalten makrozyklischer und azyklischer Rezeptorsysteme gegenüber Glycosiden und ionischen Substraten mit modernen semiempirischen und quantenchemischen Methoden untersucht. Für die Analyse der Bindungspräferenz von makrozyklischen Rezeptoren gegenüber ausgewählten Glycosiden wurde ein Arbeitsprotokoll zur Berechnung der Komplexstrukturen entwickelt. Durch die Kombination eines dockingähnlichen Verfahrens mit Molekulardynamiksimulationen wurde die experimentelle Bindungspräferenz von Rezeptorsystemen gegenüber dem Methyl-β-D-Glucopyranosid qualitativ reproduziert. Für azyklische Rezeptorverbindungen wurde die Bindungspräferenz gegenüber Ammonium- und Kaliumionen untersucht. Es wurde diejenige Kombination an Modellen identifiziert, auf deren Basis sich die berechneten freien Bindungsenthalpien von den experimentellen Bindungsenthalpien aus ITC-Analysen weniger als 6 kJ/mol unterscheiden. Die erhaltenen Ergebnisse können daher als Grundlage für ein Screeningprotokoll zur Charakterisierung von Rezeptorsystemen dienen
Untersuchung von Dirhodium-Koordinationspolymeren mittels Rasterkraftmikroskopie
Get PDFEin zentraler Nachteil der meisten Koordinationspolymere ist, dass sie elektrische Isolatoren sind. In dieser Arbeit wurden konjugierte Koordinationspolymere auf ihre Leitfähigkeit untersucht, die eine Rhodium-Paddle-Wheel-Struktur besitzen. Die Beschichtung auf einer funktionalisierten Oberfläche im Vorfeld der C-AFM-Messung wurde mittels eines selbstgebauten Dip-Coaters realisiert. Koordinationspolymere, die das [Rh2(ac)4]-Paddle-Wheel enthalten, sind unabhängig von den untersuchten Linkern Isolatoren. Werden die Acetatliganden mit drei oder vier Acetamidatliganden ausgetauscht, so ist das entstandene Koordinationspolymer leitfähig. Temperaturabhängige C-AFM-Messungen ergeben eine für hohe Feldstärken konstante Aktivierungsenergie, die je nach Koordinationspolymer zwischen 0,3 eV und 0,7 eV beträgt. Anhand der Ergebnisse wurde gezeigt, dass der Ladungstransport durch einen Hopping Mechanismus dominiert wird. C-AFM ist eine aussagekräftige Methode zur Charakterisierung leitfähiger Koordinationspolymere auf der Oberfläche
Modellierung, Charakterisierung und Design von PIN-Dioden zur Nutzung als ESD-Schutzstrukturen und Hochleistungsbauelementen
Get PDFMit der Entdeckung des Gleichrichter-Effekts 1873 wurde der theoretische Grundstein für die Halbleiter-Diode gelegt. Heutzutage sind Dioden auf nahezu allen elektronischen Schaltungen zu finden. Sie erfüllen dabei unterschiedlichste Aufgaben und finden Anwendung zum Beispiel als Gleichrichter, RF-Widerstand oder ESD-Schutzstruktur.
Dioden basieren auf einem p/n-Übergang, welcher den Stromfluss in eine Richtung passieren lässt und in die andere Richtung sperrt. Bei PIN-Dioden wird zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Zone noch ein intrinsisches bzw. niedrig dotiertes Gebiet eingefügt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Silizium- und GaAs- basierte PIN-Dioden für den Einsatz als ESD-Schutzstruktur und für Anwendungen in der Leistungselektronik untersucht.
Mit Hilfe von TCAD-Simulationen wurden verschiedene Eigenschaften der PIN-Dioden unter Einwirkung eines ESD-Ereignisses analysiert. Die Bildung und Bewegung von Stromfilamenten konnte dabei beobachtet werden. Es stellte sich heraus, dass die Geometrie der Schutzdiode einen direkten Einfluss auf deren Lebensdauer hat. Es konnten Designvorschläge für ein optimiertes ESD-Schutzverhalten gemacht werden. Zur Validierung der Ergebnisse wurden verschiedene PIN-Dioden hergestellt und mittels TLP-Messung charakterisiert. Bei sehr schmalen Strukturgrößen konnten mehrere Spannungsabfälle beobachtet werden, was auf das Vorhandensein mehrerer Stromfilamente hindeutet. Diese Vermutung konnte anhand von TCAD-Simulationen bestätigt werden. Zur Analyse eines Layouts auf dessen ESD-Robustheit sind zeitintensive TCAD-Simulationen ungeeignet. Aus diesem Grund wurden auf Basis der TLP-Messungen und TCAD-Simulationen layoutabhängige Kompaktmodelle entwickelt. Diese ermöglichen eine schnelle Simulation der rückläufigen Kennlinie einer in Sperrrichtung vorgespannten PIN-Diode. Zusätzlich konnten die Bildung und Bewegung eines Stromfilaments nachgebildet werden.
Im Hinblick auf Anwendungsmöglichkeiten in der Leistungselektronik, wurden Untersuchungen an GaAs-basierten PIN-Dioden durchgeführt. Diese zeichnen sich vor allem durch deutlich höhere Durchbruchspannungen aus. Mit TCAD-Simulationen und Hochspannungsmessungen wurden die Dioden charakterisiert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen konnte ein analytisches Modell abgeleitet werden, was eine Optimierung der Diodenstruktur im Hinblick auf die Durchbruchspannung ermöglichte
Untersuchungen zur CO2-Methanisierung mittels Fe-Ni-Hydrotalcit-basierter Katalysatoren
Get PDFDie langfristige Speicherung von überschüssiger Energie aus regenerativen Quellen ist ein ungelöstes Problem der Energiewende. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems bietet das Power-to-Gas-Konzept, bei dem Methan aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid als Ersatz für Erdgas erzeugt wird. Da diese Reaktion kinetisch limitiert ist, ist die Verwendung eines geeigneten heterogenen Katalysators erforderlich. Aufgrund ihrer hohen Aktivität und ihres niedrigen Preises werden häufig nickelhaltige Katalysatoren eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung von Fe-Ni-Hydrotalcit-basierten Katalysatoren für dieses Konzept untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Bestimmung der Abhängigkeit der katalytischen Aktivität vom Eisengehalt lag. Dabei zeigte sich, dass geringe Mengen an Eisen die Methanausbeute verbessern. Eine Erklärung für diese Aktivitätssteigerung liefern die Ergebnisse von in-situ-DRIFTS-Untersuchungen an eisenhaltigen und eisenfreien Ni-Hydrotalcit-Katalysatoren