Aluminium and oxygen tracer diffusion in doped alpha-Al2O3
Final Report Abstract
Betrachtet man die veröffentlichten Selbstdiffusionsdaten verschiedener experimentell arbeitender Gruppen in undotierten und dotierten α-Al2O3-Einkristallen, dann ist der Vergleich dieser Datensätze (und somit eine mögliche quantitative Abschätzung des Einflusses der Dotierungskonzentration) in sehr hohem Maße erschwert, weil Einkristalle mit verschiedenen Grundverunreinigungen sowie verschiedene Diffusionsmessmethoden miteinander verglichen werden müssen. Die enge Zusammenarbeit mit erfahrenen Kristallzüchtern stellte in diesem Projekt sicher, dass die Diffusionsdatensätze von wohl definierten hochreinen undotierten und dotierten α-Al2O3-Einkristallen miteinander verglichen werden konnten. Zusammenfassend sind die wichtigsten experimentellen Ergebnisse dieses Projekts: (I) Die O-Diffusion in gleichzeitig geglühten α-Al2O3-Einkristallen (24 h bei 1650 °C in 200 mbar 18O2-Gas) ist in undotierten, in Mg-dotierten und in Ti-dotierten Einkristallen praktisch gleich. (II) Eine Mg-Dotierung führt im Vergleich mit undotierten α-Al2O3-Einkristallen zu einer drastischen Erniedrigung der Al-Diffusion. (III) Die Al-Diffusion nimmt mit der Ti-Dotierungskonzentration zu. Die Aktivierungsenergie der Al-Diffusion beträgt in den Ti-dotierten α-Al2O3-Einkristallen etwa (4,0 ± 0,3) eV. In unserer früheren Arbeit wurde die Aktivierungsenergie (3,9 ± 0,3) eV für eine Ti-Konzentration von etwa 300 Gew.-ppm gemessen. (IV) Die Aktivierungsenergie der Al-Diffusion im undotierten α-Al2O3-Einkristall beträgt (3,5 ± 0,3) eV. In einer früheren Arbeit haben wir (3,75 ± 0,1) eV gemessen, so dass es keinen signifikanten Unterschied zwischen der Aktivierungsenergie der Al-Diffusion in den Ti-dotierten und in den undotierten Probe gibt. Die herkömmliche Erklärung für die überraschend hohen Werte der 26Al-Tracer-Diffusionskoeffizienten in undotierten α-Al2O3-Einkristallen würde eine Kontamination mit unbeabsichtigten vierwertigen Verunreinigungen in der Größenordnung von 40 Gew.-ppm erfordern. Ein derart hoher Verunreinigungsgrad kann jedoch definitiv ausgeschlossen werden, so dass wir eine neuartige Hypothese zur Erklärung der relativ hohen Al-Diffusion in hochreinen undotierten α-Al2O3-Einkristallen vorschlagen. Der neue Erklärungsansatz basiert auf der hypothetischen Injektion von Al-Zwischengitterionen und Elektronen in den Kristall an der Flüssig/Fest-Grenzfläche aufgrund des niedrigen Sauerstoffpotentials, das während des Kristallwachstumsprozesses aufrechterhalten wird.
Publications
- Impact of titanium doping on Al self-diffusion in alumina Diffusion Fundamentals VIII, Basic Principles of Theory, Experiment and Application, September 1st to 5th, 2019, Erlangen, Germany
P. Fielitz, S. Ganschow, K. Kelm, G. Borchardt
- Aluminium self-diffusion in high-purity α-Al2O3: Comparison of Ti-doped and undoped single crystals, Acta Materialia 195 (2020) 416–424
P. Fielitz, S. Ganschow, K. Kelm, G. Borchardt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.05.030) - Self-diffusion in high-purity α-Al2O3: Comparison of Ti-doped, Mg-doped and undoped single crystals, Journal of the European Ceramic Society, 2 August 2020
P. Fielitz, S. Ganschow, K. Kelm, G. Borchardt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.07.064)
