Untersuchung der Lösungs- und Kristallisationsgleichgewichte als Grundlage für die ammonothermale Kristallzüchtung von Nitriden

Ziele

Wesentliche Voraussetzung für derartige Untersuchungen ist eine Modifizierung der bestehenden Hochdruckanlage hinsichtlich der Parallelität (Schaffung der Bestückungsmöglichkeit von mehreren Autoklaven) einerseits und Beschichtungen oder Auskleidungen zur weiteren Erhöhung der Reinheit im Kristallisationssystem andererseits. Aufbauend auf diesen Erfahrungen soll ein Hochdruckapparat entwickelt werden, der eine Probennahmemöglichkeit durch sequenzielles Abkoppeln einzelner Bereiche vom Kernsynthesesystem ermöglicht, um die sich einstellenden Löse/Kristallisations-Gleichgewichte untersuchen und die Kristallisationsprozesse bilanzieren zu können. Dies geschieht in einer engen kooperativen Zusammenarbeit mit dem TP 3. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen fließen insbesondere in die Züchtungsuntersuchungen des TP 6 ein. Ebenso wichtig ist, dass diese Apparate eine direkte Andockmöglichkeit an die im TP 3 zu entwickelnde Sichtzelle besitzen, die zur in-situ-spektroskopischen Untersuchung (wie z. B. UV-Vis) der Gasphasenzusammensetzung eingesetzt werden soll. Die gewonnenen Daten können dann direkt mit den Ergebnissen in TP 3 und den Untersuchungen der Intermediate in TP 2 verglichen werden.

Um die Analysemöglichkeiten weiter zu verknüpfen und einen ganzheitlichen Einblick in das Reaktionsgeschehen zu gewinnen, wird die röntgenographische Visualisierung des Kristallisationsprozesses in Zusammenarbeit mit TP5 angestrebt. Dafür ist eine direkte Anbindung an das TP5 erforderlich. Da dies für das ammonothermale System technologisch eine große Herausforderung darstellt, soll sich stufenweise den schwierigen Bedingungen der Ammonothermalsynthese über die Zeolithsynthesen und die ZnO-Kristallisationen genähert werden. Für die Zeolithsynthesen liegen bereits genügend Erfahrungen vor, um somit gleich die ersten Ergebnisse der Visiualisierung bewerten zu können. Anhand der Ergebnisse mit der Analysentechnik als auch mit den Auswerteoptionen sollen mit den Untersuchungen an den Zeolithsynthesen Erfahrungen gesammelt werden und die Methoden gegebenenfalls weiterentwickelt werden. Die hydrothermale Synthese großkristalliner Zeolithe stellt zunächst die erste Stufe mit den aus technischer Sicht geringsten Anforderungen hinsichtlich des erforderlichen Drucks und der benötigten Temperatur dar, aber mit der Option einer sicheren röntgenographischen Durchstrahlungsmöglichkeit der Autoklavenwandungen.

Der Bau der Autoklaven wird dabei im Z-Projekt bzw. im TP 3 realisiert. Im TP 4 sollen die Versuchsbedingungen für die Zeolithkristallisation erarbeitet werden und dann für die in-situ Untersuchungen angepasst werden.

In der zweiten Stufe sollen danach die Erfahrungen mit der Visualisierung des hydrothermalen Kristallisationsvorganges der Zeolithe auf die hydrothermale ZnO-Kristallisation übertragen werden. Die Vorgehensweise ist dabei vergleichbar zu den zeolithischen Systemen und beinhaltet folgende Arbeitsschritte:
Autoklavengestaltung, Reproduktion der Literaturergebnisse, Adaption an die Röntgenapparatur sowie letztlich die Visualisierungsuntersuchungen.
Die ZnO Synthese kann hier somit als erster Schritt in Richtung der Kristallisation von Nitriden angesehen werden. Die Nitride wie GaN oder AlN sind strukturisotyp mit dem ZnO, darüber hinaus ist zumindest die teilweise Übertragbarkeit der Prozesse zur Herstellung von ZnO auf das GaN System durch die Arbeiten von Ehrentraut et al. gezeigt.

Die dritte Stufe ist dann die Übertragung all dieser Erfahrungen auf das GaN/NH3-System. Dabei beinhaltet jede dieser Stufen seine wissenschaftliche Herausforderung und Fragestellungen:

  1. Ist der Kontrast im zeolithischen System für die Röntgenanalytik ausreichend?
  2. Ist die Übertragung der Visualisierung unter den in situ Bedingungen auf das ZnO-System realisierbar?
  3. Kann man einen Autoklav bauen, der für die angedachte GaN-Kristallisation durchstrahlbar ist und ist in-situ eine Verfolgung der Kristallisationsprozesse sowie eine Bilanzierung der Kristallisation möglich?