Statistische Eigenschaften des effektiven Potentials im Rahmen der Lokalisationslandschafts-Theorie für zufällig verteilte Potentiale. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Lokalisation stehender Wellen ist ein interessantes Phänomen, welches in vielen physikalischen Systemen auftritt. Dazu zählen unter anderem quantenmechanische, optische oder auch mechanische Systeme. Anderson-Lokalisierung ist eine ihrer bekanntesten Ausprägungen und tritt bei zufällig inhomogenen Medien in komplexen Geometrien unter bestimmten Bedingungen auf. Die von Mayboroda et al. [1] kürzlich eingeführte Lokalisationslandschaft u bietet eine neue Möglichkeit Lokalisation in solchen Potentialen zu finden. Genauer gesagt können Minima, welche in dem effektiven Potential u-1 auftauchen, dem Grundzustand oder anderen Zuständen niedriger Energie zugeordnet werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden numerische statistische Aussagen über das effektive Potential bei zufälligen korrelierten und unkorrelierten Potentialen gewonnen, welche zusammen mit analytischen Modellen ein konsistentes Bild zeichnen. Dabei soll insbesondere auf die Korrelation als auch auf die Verteilung von Minima und Maxima dieses Potentials eingegangen werden. Zudem wird gezeigt, dass niederenergetische Zustände sich näherungsweise aus einer Weichzeichnung des Potentials konstruieren lassen, wodurch ein besserer Einblick in die Lokalisation innerhalb von Zufallspotentialen ermöglicht wird.
Ansatzdetektion mittels vibronischer Sensoren. - Ilmenau. - 146 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
In der industriellen Prozessmesstechnik werden zur Messung des Grenzstandes (definierte Standhöhe) sowie Dichte und Viskosität von Fluiden typischerweise vibronische Sensoren verwendet. Dabei wird ausgenutzt, dass sich durch die Fluid-Struktur-Interaktion eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und der Dämpfung des Schwingelementes ergibt. Als problematisch stellt sich bei diesen Messungen die Bildung von festen Materialansätzen auf dem Schwingelement dar. Durch die zusätzliche Masse wird die Resonanzfrequenz sowie die Dämpfung des Schwingsystems erheblich beeinflusst. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, eine Sensorik zur Detektion eines festen Materialansatzes, welcher sich im Laufe der Zeit an den Schwingelementen ablagert, zu entwickeln. Neben der Detektion des Ansatzes sollte weiterhin die Messung des Grenzstandes bzw. der Dichte und Viskosität Teil der Funktion des Sensors sein. Dazu wurden zur Auslegung und Optimierung eines Paddelsystems numerische sowie analytische Methoden eingesetzt. Mit Simulationen nach der Finite-Elemente-Methode wurden zunächst zwei Einzelsysteme untersucht, welche getrennt voneinander die Detektion des Ansatzes und die Messung des Grenzstandes bzw. Dichte und Viskosität realisieren. In einem zweiten Schritt wurden die Einzelmodelle zu einem Gesamtmodell vereint. In dem Gesamtmodell ergeben sich neue Effekte aufgrund der Kopplungen der Einzelsysteme. Mit Hilfe von FEM-Simulationen konnte das Gesamtsystem dimensioniert und optimiert werden. Nach verschiedenen Optimierungszielen wurden drei verschiedene Modelle generiert. Diese wurden mittels 3D-Druck-Technologie hergestellt und anschließend messtechnisch validiert. Sowohl durch die Simulationen als auch durch die experimentellen Studien konnten die Abhängigkeit der Eigenfrequenz und der Dämpfung der vibronischen Sensoren von Fluiden und Materialansätzen überprüft werden. Zur Charakterisierung von Materialansätzen wurden ferner Methoden entwickelt, mit denen die Detektion aber auch Kompensation von Materialansätzen in Luft sowie Fluiden möglich ist.
Theory of auger deexcitation in metastable impact electron spectroscopy (MIES). - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Im Bereich der Materialwissenschaften gibt es eine Vielzahl Elektronenspektroskopiemethoden wie zum Beispiel UPS, XPS, STM usw. Die meisten Methoden besitzen eine hohe Oberflächenempfindlichkeit mit Austrittstiefen von bis zu 8 Angström, welche von der kinetischen Energie der Projektile und den quantenmechanischen Eigenschaften der Probe abhängen. Eine dieser Methoden ist die Metastable Impact Electron Spectroscopy. Dabei verwendet man Edelgasatome in metastabilen Zuständen, beispielsweise Helium, als Projektile. Diese Methode weist einige Vorteile auf. Zum einen ist die quantenmechanischen Beschreibung des metastabilen Heliums sehr gut bekannt, beispielsweise vom Helium-Neon-Laser oder der Atomoptik. Zum anderen weist Helium eine kleine Masse und somit einen kleinen Impuls auf. Aus diesem Grund dringt metastabiles Helium nicht in die Probenoberfläche ein oder zerstört diese. Die Abregung der Gasatome erfolgt ausschließlich über der Oberfläche. Weiterhin treten keine chemischen Reaktionen aufgrund des inerten Charakters von Helium auf. Alle bekannten Prozesse, die zur Elektronenemission bei MIES führen, sind mit dem Tunneleffekt verbunden. Die Wechselwirkungen treten somit in einem Bereich von ca. 0,5 nm auf und liegen damit in der gleichen Größenordnung wie bei STM-Experimenten. Allerdings ermöglicht MIES die Analyse der gesamten Probenoberfläche und nicht nur einzelner Stellen. Diese Masterarbeit zielt auf die Entwicklung einer Simulationsmethode ab, welche Ab-initio-Rekonstruktionen von MIES-Spektren für Moleküle, die an einer Oberfläche adsorbiert sind, ermöglicht. Hierbei sind zwei Themen wichtig: Die Übergangsraten für den dominanten Auger-Abregungsprozess müssen ohne die vereinfachenden Annahmen von KANTOROVICH ET AL. [1] bestimmt werden. Zudem müssen die Überlebenswahrscheinlichkeiten von metastabilen Helium entlang möglicher Trajektorien modelliert werden. Beide Problemstellungen können mithilfe von physikalischen und numerischen Methoden gelöst werden. Die Simulationsmethode wurde mit MATLAB und GAUSSIAN umgesetzt. Es erlaubt die Verifizierung der Methode durch das Vergleichen von Messung mit Simulationsdaten. Im Rahmen dieser Arbeit wird anhand des experimentellen MIES-Spektrums für Benzen auf einer Molybdänoberfläche die gute Übereinstimmung mit den dargestellten theoretischen Betrachtungen gezeigt. [1] Kantorovich et al., Surf. Sci. 444 (2000) 31-51
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Aufgrund der Notwendigkeit durch den Klimawandel und der steigenden Nachfrage nach elektrischer Energie im Alltag ist der Umstieg auf alternative Energiequellen nach wie vor einer der wichtigsten Gebiete in der Forschung und Entwicklung. Ein Bereich davon ist die Photovoltaik. Durch Photovoltaik wurde der Nettostromverbrauch in Deutschland 2018 um 8,7% gedeckt. Um diesen Anteil zu steigern, muss zum einen der Ausbau weiter voran getrieben werden und zum anderen die Effektivität und Lebensdauer der bestehenden Anlagen verbessert werden. Diese Arbeit ist Teil des "Forschungsprojektes Bifacial-Monofacial: Steigerung der Energieausbeute von Silizium-Photovoltaik-Modulen" und richtet ihren Fokus auf die Erforschung von Alterungserscheinungen an bifacialen Solarzellen mit Hilfe von spektroskopischen Methoden. Bifacial heißt in diesem Fall, dass die Solarmodule sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite in der Lage sind elektrischen Strom zu produzieren. Bei der herkömmlichen Bauweise ist dies nur auf einer Seite möglich. Weiterhin wird auf den Aufbau und die Vorteile solcher bifacialen Solarzellen gegenüber herkömmlicher Solarzellen im Grundlagenteil näher eingegangen. Der Grundlagenteil erklärt ebenso, warum nur bestimmte Materialien für den Einsatz in einem Solarmodul verwendet werden können und beinhaltet außerdem die Erklärung der verwendeten Messmethoden in ihrer Funktionsweisen und die Ausnutzung bestimmter physikalischer Effekte. Die verwendeten Messmethoden sind UV/Vis-Spektralphotometrie (UV/Vis), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Augerelektronenspektroskopie (AES). Der praktische Teil gliedert sich in die Separation von acht Proben aus zwei Solarmodulen in dessen Einzelkomponenten. Ein Modul besteht aus mehreren Zellen. Diese Zellen weisen nach dem Einsatz in der Klimakammer bei 85 ˚C und 85% relativer Luftfeuchte und einem zusätzlich angelegten Potential von -1000V Unterschiede in ihrem Elektrolumineszenzverhalten auf. Des Weiteren besteht die Aufgabe in diesem Teil anhand der spektroskopischen Methoden herauszufinden, was die genauen Ursachen für diesen Unterschied sind.
Vielfach-Streutheorie zur Berechnung elektronischer Zustände. - Ilmenau. - 45 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Die Vielfach-Streutheorie hat bereits viele Anwendungen gefunden. Zum Beispiel können Schallwellen, welche sich durch poröse Medien bewegen, Licht, das von Wassertropfen in einer Wolke gestreut wird, oder auch Röntgenstrahlen, welche an einem Kristall streuen, mit dieser Theorie berechnet werden. Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Anwendung der Vielfach-Streutheorie für die Berechnung elektronischer Strukturen. Dabei wird speziell die Transmission und Reflexion, sowie die Bandstruktur einer Anordnung von Delta-Streuern mit Hilfe mehrerer für diese Zwecke erstellten Programme berechnet. Außerdem werden gestörte Streuanordnungen betrachtet, bei denen die Potentiale und Positionen der Streuer zufällig, für jeden Streuer einzeln, variiert werden.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
In der Automobiltechnik ist die Optimierung von Motoren und anderen Systemen zu einem großen Arbeitsschwerpunkt geworden. Ein zentraler Bestandteil davon ist die Analyse von Fehlerursachen. Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, ein Verfahren zur Fehlervererbungsanalyse zu entwickeln. Dies wird anhand der Ladedruckregelung eines Motorsteuergerätes durchgeführt. Das Verfahren soll ausdrücklich nicht darauf beruhen, zuerst das gesamte System zu modellieren. Stattdessen wird das komplexe System als "Black Box" betrachtet, was die Anwendung auf vollkommen andere Systeme ermöglicht. So wird zuerst mittels graphentheoretischem Ansatz versucht, die Beziehungen der Funktionen untereinander darzustellen, um grafisch Fehlerursachen in Betracht ziehen und bewerten zu können. Nach dieser Modellierung werden Messdaten von realen Messfahrten nach ihren Eigenschaften analysiert und die Zeitreihen über eine Methode der Kerndichteschätzung skaliert. Diese skalierten Zeitreihen wurden korreliert und in Form von Korrelationsmatrizen den anderen Messungen gegenübergestellt. Anhand der daraus resultierenden auffälligen Funktionen wird im Anschluss noch eine Autokorrelation und zur Beachtung nichtlinearer Abhängigkeiten die Mutual Information durchgeführt. Mit dieser Herangehensweise könnten beliebige Systeme mit unbekannter Ursache- Wirkung- Beziehung analysiert werden. Anwendungsmöglichkeiten können neben dem automotiven Sektor auch physikalische Zusammenhänge an Messapparaturen oder eine Ursachenforschung von Krankheiten sein.
Untersuchung des Verhaltens von Flüssigkeiten in elektrischen Feldern : Modellierung und Erprobung einer neuartigen Mikropumpe. - Ilmenau. - 159 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Ziel der vorliegenden Masterarbeit war es, das Verhalten von Flüssigkeiten in elektrischen Feldern zu untersuchen. Dazu wurden analytische sowie numerische Methoden eingesetzt. Ein zentrales Ergebnis ist ein vollständig implementiertes Simulationsprogramm, welches in der Lage ist, die Form freier Flüssigkeitsoberflächen unter dem Einfluss von elektrischen Feldern zu ermitteln. Dazu wird ein iteratives Verfahren eingesetzt. Für die Berechnung der Flüssigkeitsform wird die Oberfläche des Flüssigkeitsgebietes trianguliert. Die Netzknoten der Triangulation werden mithilfe des Verfahrens des steilsten Abstiegs verschoben, bis die Systemenergie minimal wird. Berücksichtigt werden neben dem Einfluss des elektrischen Feldes ebenfalls Grenzflächeneffekte sowie der Einfluss der Gravitation. Das elektrische Feld wird während der Energieminimierung als konstant betrachtet und nach einer gewissen Anzahl an inneren Iterationen des Gradientenverfahrens erneut auf der neuen Geometrie berechnet. Die Feldberechnung erfolgt in der Finite-Elemente-Software COMSOL und die Energieminimierung wird in Matlab durchgeführt. Die Grenzflächeneigenschaften werden über die Oberflächen- bzw. Grenzflächenspannung und den Kontaktwinkel an der Dreiphasenkontaktlinie spezifiziert. Aufbauend auf den Simulationsergebnissen wurde ein neuartiges Mikropumpenkonzept untersucht. Dieses ermöglicht die Fertigung einer Pumpe, welche vollständig ohne bewegliche Komponenten funktioniert. Für die Modellierung eines Pumpzyklus wurde ein analytisches Modell vorgestellt. Zudem wurde ein topologisches Optimierungsverfahren zur Optimierung von Tesla-Dioden, welche als passive Ventile dienen, angewandt. Die numerischen sowie analytischen Ergebnisse wurden mit exemplarischen Messungen verglichen. Dazu wurden am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien der Technischen Universität Ilmenau Testchips gefertigt, und ein geeigneter Messaufbau wurde entworfen. Die Messungen liefern den konzeptionellen Funktionsnachweis für das neu entwickelte Pumpkonzept.
Numerische Rechnungen zur metastabilen induzierten Elektronenspektroskopie (MIES) an Benzen. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die vorliegende Bachelorarbeit zeigt, dass die Übergangsraten der Auger-Abregung durch Ab-initio-Rechnungen bestimmt werden können. Mithilfe vereinfachender Annahmen kann die Rechnung unter Einsatz gängiger Methoden und Softwarepakete erfolgen. Das entwickelte Matlab-Programm erlaubt unter Verwendung der von Gaussian berechneten Wellenfunktionen eine schnelle Kalkulation der Übergangsrate nach Kantorovich et al. für beliebige Moleküle. Für die Bestimmung der Molekülorbitale können sowohl die Dichtefunktionaltheorie als auch die Hartree-Fock-Methode verwendet werden. Beide Methoden weisen nur geringe Unterschiede bei den berechneten Übergangsraten auf. Allerdings weichen die Energieeigenwerte des Benzens bei beiden Methoden von den experimentellen Werten ab. Jedoch ist die Hartree-Fock-Methode aufgrund der besseren Abschätzung der Energien und der direkten Anwendbarkeit des Koopmans-Theorems zu bevorzugen. Ein qualitativer Vergleich der berechneten Übergangsraten mit den experimentellen Daten am Beispiel des Benzens zeigt, dass die berechneten Übergangsraten tendenziell die Intensitätsverhältnisse in einem MIES-Spektrum wiedergeben können. Es werden dabei auch einige Schwächen der Theorie deutlich. Diesbezüglich ist die Näherung nach Kantorovich et al. zu überdenken, welche die Impulsabhängigkeit der Übergangsmatrix vernachlässigt. Zum anderen wird die räumliche Verteilung und die möglichen Flugbahnen des metastabilen Heliums nicht weiter betrachtet.
Systematic ab initio study of structure, thermodynamic stability, and electronic properties of mixed Pb:Sn methylammonium halide perovskites. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Aufgrund ihrer vielfältigen elektronischen Eigenschaften, preiswerten Herstellungsmethoden und schnell steigender Leistung, zählen hybride organisch-anorganische Perowskite zu vielversprechenden photovoltaischen Materialien. In dieser Arbeit werden Struktureigenschaften, thermodynamische Stabilität und elektronische Bandstrukturen von CH3NH3PbxSn(1-x)X3 Perowskiten mit X=I,Br,Cl mittels DFT Methoden untersucht. Es wurde gefunden, dass die gemischten Verbindungen mit unterschiedlichen Pb:Sn Stöchiometrien ab Raumtemperatur stabil sind. Die abgeschätzten Bandlückenwerte ändern sich nicht-linear mit der Änderung der Pb:Sn Stöchiometrie, dabei wurden die minimalen Werte bei dem 1:1 Verhältnis gefunden. Die gemischten Verbindungen mit X=I haben vielversprechende Eigenschaften für einfache Solarzellen gezeigt, während die Verbindungen mit X=Br,Cl in Tandem-Solarzellen Anwendung finden könnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gemischten Pb:Sn Perowskiten von großem Interesse für weitere theoretische und experimentelle Forschung sind.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/856295140korsh.txt
Untersuchung einer alternativen Methode zur Evaluierung von Wasserpermeationsbarrieren und -verkapselungen. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde das fluoreszierende Farbstoffmolekül Rubren hinsichtlich seiner Eignung als Sensormaterial zur Bestimmung der Wasserdampfdurchgangsrate von Barrierefolien untersucht. Als Referenzmethode wurde ein Calcium-Test aufgebaut und in Vergleichsexperimenten genutzt. Die Untersuchung der Empndlichkeit von Calcium und Rubren an Luft ergab, dass die mittels Rotationsbeschichtung hergestellten Rubrenfilme amorph sind. Weiterhin zeigte sich, dass Rubren nur unter Beleuchtung mit den Gasen der Atmosphäre reagiert und die Intensität der Beleuchtung bei weitestgehend reinen Rubrenlmen der limitierende Faktor ist. Der Vergleich von amorphen mit kristallinen Rubrenlmen zeigte, dass die amorphen Filme unter Beleuchtung über 2500 mal schneller mit Luft reagieren als die kristallinen. Trotz der hohen Sensitivität der amorphen Rubrenlme konnte der Rubren-Test nicht die aus dem Calcium-Test erwarteten Ergebnisse in Bezug auf die Bestimmung der Wasserdampfdurchgangsrate reproduzieren. Daraus lässt sich schließen, dass Rubren kein geeignetes Material für die Bestimmung von Wasserdampfdurchgangsraten ist. Aufgrund der hohen Sensitivität von Rubren an Luft sollte sich die entwickelte Methode jedoch für die Bestimmung von Sauerstoffdurchgangsraten eignen.