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Großmann, Max ;
Ab-initio-Rechnung von Reflektionsanisotropiespektren von III-V/Si(001)-Heterostrukturen. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Defektarme auf Si(100) gewachsene III-V-Halbleiterschichten eröffnen neue Möglichkeiten für kostengünstige, leistungsstarke photovoltaische und optoelektronische Anwendungen. In der vor kurzem veröffentlichten Arbeit von Nandy et al. (https://doi.org/10.1021/acs.cgd.1c00410) wurde ein wesentlicher Schritt zur experimentellen Herstellung der gewünschten III-V/Si(001)-Strukturen über eine mit chemischer Gasphasenabscheidung gewachsenen GaP/AlP-Bufferschicht erbracht. Das Wachstum dieser Schicht wird experimentell über Reflexionsanisotropiespektroskopie (RAS) kontrolliert. Die theoretische Charakterisierung von RAS-Spektren ist daher von entscheidender Bedeutung für die Überwachung von Halbleiterwachstumsprozessen, sowie für das Verständnis und die Verbesserung derselben. Aus diesen Gründen wird in dieser Arbeit die dielektrische Anisotropie von III-V-Halbleitern auf Si(001) durch ab-initio Berechnungen unter Verwendung der Transfer-Matrix-Methode und des Vienna Ab initio Simulation Package analysiert. Die verwendete Methodik wird zunächst an RAS-Spektren der Si(001)- und GaP(001)-Oberfläche getestet. Anschließend werden die Spektren der GaP/Si(001)-, AlP/Si(001)- und GaP/AlP/Si(001)-Heterostrukturen berechnet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen.



Lauterbach, Bernward Georg;
Anwendung künstlicher neuronaler Netzwerke für die Vorhersage der Feldverteilung bei Anderson-Lokalisierung von Licht. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Bei Wellenausbreitung in ungeordneten Systemen sind Lokalisierungsphänomene zu beobachten, die sich nicht einfach intuitiv vorhersagen lassen, und deren numerische Simulation Rechenzeitintensiv ist. In dieser Arbeit werden die möglichen Vorteile von künstlichen neuronalen Netzwerken für die Vorhersage von Eigenschaften der elektromagnetischen Felder bei transversal Anderson-lokalisiertem Licht im stationären Zustand nach Ausbreitung durch eine ungeordnete dielektrische Struktur untersucht, die auf den Ergebnissen einer Simulation mit der finite Differenzen Methode im Zeitbereich trainiert werden.



Selzer, Silas Aaron;
Physik-geführte neuronale Netze zur datengestützten Vorhersage physikalischer Prozesse. - Ilmenau. - 187 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die Belastung der Energieübertragungsnetze steigt aufgrund der Zunahme des Energiebedarfs durch den Anstieg der Weltbevölkerung, die Weiterentwicklung der Verkehrstechnologie und der wirtschaftlichen Expansion an. Die Energiewende und der daraus resultierende Übergang von traditionellen zu erneuerbaren Energiequellen erhöht zusätzlich die Beanspruchung. Um den Herausforderungen gerecht zu werden, müssen neue Kapazitäten in den Übertragungsnetzen geschaffen werden. Das NOVA-Prinzip besagt die vorhandenen Netze zu optimieren, erst danach folgt die Verstärkung und im letzten Schritt der Ausbau der Netze. Der bisherige Betrieb und die Auslegung der Netze basiert auf Worst Case Szenarien der Umgebungsbedingungen (35 ˚C Umgebungstemperatur, 0.6 m/s Windgeschwindigkeit, Windrichtung orthogonal zum Leiter und 900 W/m² Globalstrahlung nach DIN EN 50341-2). In 90 % der Fälle resultieren zusätzliche Kapazitäten im Übertragungsnetz aus günstigen Umgebungsbedingungen, die durch einen intelligenten, temperaturabhängigen Betrieb genutzt werden könnten. Ein solcher ist jedoch nur mit exakten Berechnungsmodellen möglich. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die kommerziell verwendeten Standard-Modelle fehleranfällig sind. Auf Grundlage der Analyse der verwendeten Daten in der Masterarbeit wurden neue Modelle, basierend auf künstlichen und Physik-geführten neuronalen Netzen, entwickelt. Die besten neu entwickelten Modelle konnten eine Reduktion des mittleren absoluten Schätz-Fehlers von 2.44 K auf 1.85 K erzielen. Der Anteil der Werte, welche mehr als 5 K abweichen, wurde von 10.28 % auf 4.72 % verringert. Auch die mittlere Unterschätzung der Leiterseiltemperatur von 1.17 K wurde in eine anwendungstechnisch unproblematische Überschätzung von im Mittel 0.42 K durch den Übergang vom besten kommerziellen zum besten datenwissenschaftlichen Modell gewandelt. Die Optimierung der Modelle konnte durch den Wegfall der fehlerhaften Bestimmung der Parameter in den etablierten Modellen, einen Ausgleich der konservativen Abschätzung der physikalischen Effekte sowie der Berücksichtigung der vernachlässigten thermischen Komponenten der Wärmebilanz erreicht werden.



Hellmann, Lukas;
Quantum repeater communication protocols enhanced by nondestructive photonic qubit detectors. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Für Quantenkommunikation müssen einzelne Lichtquanten über lange Distanzen gesendet werden. Quantenrepeaterarchitekturen können hierbei gut das Problem von Photonenverlust in den Glasfasern verringern. Eingefügte zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektoren haben einen Einfluss auf die Verschränkungsrate sowie die Fidelität der Verbindung. Als Anwendungsmöglichkeiten werden in dieser Arbeit Photonentracking (ein detektierter Photonenverlust verkürzt die Neustartzeit bei einer fehlgeschlagenen Verbindung), Verbesserung von Parallelisierung zu Multiplexing (wenn mehrere parallele Links benutzt werden) und die Verhinderung von Dark Counts von Lichtdetektoren (erhöht die Fidelität) untersucht. Dies erfolgt mittels in Python geschriebener Simulationsprogramme und durch das Entwickeln analytischer Formeln. Für den Ansatz des Photonentrackings erreicht der Verbesserungsfaktor der Verschränkungsrate weniger als vier für Kommunikationsdistanzen bis 1600 km. Die Fidelität wird nur leicht verbessert. Bei der Verbesserung der Parallelisierung kann dieser Faktor beliebig groß werden, da er linear mit der Anzahl der parallelen Links ansteigt. Da bereits sehr gute Lichtdetektoren existieren, hat selbst ein perfekter zerstörungsfreier Lichtquantenbitdetektor nur einen sehr geringen positiven Einfluss auf die Fidelität. Es wurde somit gezeigt, dass zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektoren im allgemeinen Quantenrepeaterarchitekturen verbessern können, allerdings reicht der am Max Planck Institut für Quantenoptik entwickelte zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektor nur dazu aus, das Verbessern von Parallelisierung zu Multiplexing zu ermöglichen.



Schrepfer, Jule Katharina;
Wiederkehrzeiten von Hitzeextremen im Klimamodell AWI-ESM2.1. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Wiederkehrzeiten von Hitzeextremen in verschiedenen Klimaszenarien. Mit Hilfe des gekoppelten Klimamodells AWI-ESM2.1 werden zunächst das historische Klima seit 1850 sowie die beiden Zukunftsszenarien SSP1-2.6 und SSP5-8.5 simuliert. Es wird jeweils ein kleines Ensemble von Simulationen berechnet. Die Tagesmaximaltemperaturen werden mit Hilfe zweier Methoden aus der Extremwerttheorie analysiert: Der Block-Maxima-Methode und der Peaks-over-Threshold-Methode. Aus den zugehörigen Verteilungsfunktionen werden die mittleren Wiederkehrzeiten verschiedener Temperaturen berechnet. Der Kolmogorov-Smirnov-Test zeigt, dass die Daten sowohl durch die generalisierte Extremwertverteilung (Weinbull-Verteilung) als auch durch die Paretoverteilung gut beschrieben werden können. Allerdings erweist sich aufgrund der Autokorrelation der Temperaturen die Block-Maxima-Methode als geeigneter zur Abschätzung der Wiederkehrzeiten. Die zu einer bestimmten Wiederkehrzeit gehörigen Temperaturen sind seit dem vorindustriellen Zeitalter bereits angestiegen und es zeigt sich eine starke Abhängigkeit vom betrachteten Zukunftsszenario. Um den Einfluss der Autokorrelation besser zu verstehen, wird außerdem die Verteilung der Wiederkehrzeiten für einen konstanten Schwellwert untersucht. Bei schwacher Korrelation, wie dies z.B. in Deutschland der Fall ist, kann die Verteilung durch eine Exponentialfunktion beschrieben werden. An anderen Orten wie Südamerika und Indonesien sind die Temperaturen stärker korreliert, die Autokorrelation der Temperaturdifferenzen zum durchschnittlichen Jahresverlauf fällt anfangs nach Potenzgesetz ab. Dadurch werden sowohl sehr kurze als auch sehr lange Wiederkehrzeiten häufiger. Eine der Literatur entnommene Gleichung für die Verteilung der Wiederkehrzeiten in langzeitkorrelierten Systemen wird anhand der simulierten Tagesmaximaltemperaturen verifiziert.



Stiehm, Noah;
Density functional theory calculations for interpretation of ultra-fast charge carrier dynamics in gallium phosphide. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Mit der neu entwickelten Methode der zeitaufgelösten spektroskopischen Ellipsometrie im Femtosekundenbereich mit einem pump-probe Verfahren ist es möglich Modelle der spektral- und zeitaufgelösten dielektrischen Funktion einer Probe zu erstellen. Das Experiment wird beschrieben und ein Ansatz zur Identifizierung von Phänomenen, die durch Ladungsträgerdynamik auf ultrakurzen Zeitskalen verursacht werden, wie z.B. Pauli blocking, Relaxation und Intraband-Tunneling, wird entwickelt. Mithilfe von Dipolmatrixelementen und der Joint Density of States, die aus DFT Rechnungen mit einer modifizierten Version des QUANTUM ESPRESSO Codes gewonnen werden, werden die Freiheitsgrade in der Beschreibung der transienten Signale in der zeitabhängigen dielektrischen Funktion effektiv auf die Besetzungszahlen eingeschränkt. Somit ist es möglich, mithilfe der ermittelten transienten dielektrischen Funktion, Bewegungen von Populationen angeregter Elektronen durch die Bandstruktur via Inter- und Intrabandübergängen zu identifizieren. Die vorgestellte Methode wird verwendet um qualitativ die transiente dielektrische Funktion von Galliumphosphid zu analysieren, und es werden Anzeichen für einen schnellen Γ &flech; 𝑋 Tunnelprozess gefunden.



Zier, Maximilian;
Berechnung und Simulation eines kapazitiven Mikrosystems. - Ilmenau. - 127 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines allgemeingültigen Analyseprozesses für die mechanische Untersuchung eines kapazitiven MEMS-Kraftsensors der 5microns GmbH, der auf die Verwendung kostenintensiver FEM-Lizenzen verzichtet. Dabei beschränken sich die Betrachtungen auf den durch Federn aufgehängten Teil des MEMS-Kraftsensors. Der vorliegende Entwurf wurde schrittweise mithilfe der Software GMSH partitioniert, vernetzt und diskretisiert. Anschließend erfolgte die Untersuchung der resultierenden Struktur auf mechanische Deformationen und auftretende mechanische Spannungen mithilfe einer innerhalb des FEM-Programms FreeFEM++ individuell entwickelten und angepassten Simulationsroutine. Parallel dazu wurde die numerische Lösung mit unterschiedlichen analytischen Abschätzungen verglichen, die sich aufgrund abnehmender Vereinfachung hinsichtlich ihrer Komplexität und Übereinstimmung voneinander abgrenzen. Die bisher verwendete analytische Dimensionierung trifft nicht zu und unterschätzt auftretende Deformationen und mechanische Spannungen. Deshalb wurde mithilfe des entwickelten Analyseprozesses der Einfluss der einzelnen geometrischen Abmessungen untersucht und in Kombination mit einer verringerten Zielauslenkung ein verbessertes Design erarbeitet. Nach diesem erreicht der Sensor eine Auslenkung von 50 [my]m bei einer maximalen mechanischen Spannung von 266 MPa. Dies entspricht bei der gleichen wirkenden Kraft von 100mN einer Absenkung der Auslenkung um 60 μm bei gleichzeitiger Minimierung der mechanischen Belastung um rund 260 MPa im Vergleich zum ursprünglichen Entwurf.



Stoß, Christian;
Eine Datenanalyse am ATLAS Detektor für die Suche nach Instantonen in der Quantenchromodynamik. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Das Standardmodell der Teilchenphysik vereinheitlicht drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen und ist die präziseste Theorie, die wir in der Physik haben. Trotz ihrer großen Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen enthält sie bisher noch ungeklärte Fragen. Beispielsweise kann die Materie-Antimaterie Asymmetrie nicht erklärt werden. Eine mögliche Lösung könnten Instantonen sein. Dabei handelt es sich um nicht-störungstheoretisch beschreibbare Pseudoteilchen, die von einem Vakuumzustand in der Yang-Mills Theorie in einen anderen tunneln können. In der starken Wechselwirkung, welche durch die Quantenchromodynamik beschrieben wird, könnten solche Instantonen entstehen und anschließend in Gluonen, rechtshändige Quarks und linkshändige Antiquarks zerfallen. Bisher gibt es jedoch keinen experimentellen Nachweis für die Instantonenlösung. Deshalb wird in dieser Arbeit eine Suche nach Instantonen in der Quantenchromodynamik mit einer invarianten Masse von etwa 50 GeV mithilfe von Daten des ATLAS Detektors durchgeführt. Dazu werden mittels einer Monte-Carlo Simulation über das mögliche Verhalten von Instantonen innerhalb des ATLAS-Detektors Observablen gesucht, bei denen sich die Instantonensimulation wesentlich von dem ebenfalls simulierten soft-QCD Hintergrund unterscheiden. Durch Abgleich mit den Daten des ATLAS, welche eine Luminosität von L = 10^34 cm-2 s-1 haben, kann eine Ausschlussgrenze für die Existenz von Instantonen angegeben werden, oberhalb der Instantonenevents in den gemessenen Daten auszuschließen sind. Außerdem wird mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate der wahrscheinlichste Bereich ermittelt, in denen Instantonenevents innerhalb der Daten zu erwarten sind. Damit kann innerhalb dieser Arbeit ein weiterer Hinweis auf die Existenz von Instantonen in der Quantenchromodynamik gefunden und ein Bereich, der sich für weitere Analysen eignet, identifiziert werden.



Ziebs, Justin;
Vorbereitung eines 4m-Radioteleskops zur Vermessung der Verteilung des neutralen atomaren Wasserstoffes in der Milchstraßenscheibe. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Das Radioobservatorium Effelsberg des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie ist seit einigen Jahren im Besitz einer ehemaligen Kopfstation für das analoge Fernsehen. Diese wurde zu einem voll funktionsfähigen Radioteleskop aufgebaut, welches besonders als Schulungs- und Ausbildungsteleskop dienen soll. Im Zuge dieser Arbeit wurde die existierende Software des Teleskops so erweitert, dass Spektroskopie-Messungen der so genannten HI-Linie ("H-eins-Linie") möglich und auswertbar wurden. Zum Testen der Software wurde ein ausgewählter Bereich der Milchstraßenscheibe vermessen.



Grunert, Malte;
Simulation der optischen Eigenschaften von Gold-Nanoschwämmen. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von Gold-Nanoschwämmen, insbesondere das Auftreten elektromagnetischer Hotspots, mittels der Finite-Elemente-Methode, implementiert in der Software COMSOL Multiphysics, simuliert. Das Auftreten der Hotspots lässt sich mittels der Theorie der Oberflächenplasmonen erklären. Ein vielseitiges Framework zur Simulation und Optimierung von porösen Nanoschwämmen wird entwickelt. Der größte Vorteil des Frameworks im Gegensatz zu bereits existierenden Simulationen ist die Möglichkeit, die komplexe Geometrie der Schwämme korrekt abzubilden. Die Optimierung der Porengeometrie, dargestellt über mehrere Parametrisierungen, liefert erste Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Porenform, -position und Stärke der Hotspots.



Luhn, Sebastian;
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.



Selzer, Silas Aaron;
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.



Gäbler, Tobias Bernd;
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



Spektroskopische Untersuchung von Alterungsmechanismen an bifacialen Solarzellen. - Ilmenau. - 108 Seiten
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.



Schwartzkopff, Sebastian;
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.



Vererbungsanalyse zur Fehlererkennung mit graphentheoretischem Ansatz anhand des Beispiels eines Motorsteuergerätes am Modell der Ladedruckregelung. - Ilmenau. - 89 Seiten
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.



Bohm, Sebastian;
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.



Gäbler, Tobias Bernd;
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.



Korshunova, Ksenia;
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
Büttner, Mathias;
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.



Gößwein, Jonathan;
Untersuchung zur gerichteten Schallabstrahlung mittels Lautsprecherarrays unter Verwendung der Wellenfeldsynthese. - 87 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit gerichteter Schallabstrahlung mehrerer Lautsprecher. Unter dem Sammelbegriff Beamforming existiert eine Vielzahl an Verfahren, die eine mathematische Beschreibung für diese Aufgabe liefern. Nach der Darstellung zweier bereits existierender Ansätze, das Delay and Sum Beamforming und das Convex Optimization Beamforming, wird in dieser Arbeit eine weitere Methode untersucht, die auf der Wellenfeldsynthese beruht. Die Wellenfeldsynthese ist eine Theorie zur Synthese beliebig komplexer Schalldruckfelder. Die größtmögliche erreichbare Richtwirkung der Beamformingverfahren wird verglichen. Bei der Übersetzung der Wellenfeldsynthese Theorie in einen MATLAB Code treten numerische Instabilitäten auf, die wahlweise durch eine analytische Bedingung oder durch eine numerische Funktion verhindert werden. Es wird die Ansteuerfunktion der Lautsprecher berechnet und deren Robustheit untersucht. Das Wellenfeldsynthese Beamforming erreicht mit dem getesteten Array eine bessere Richtwirkung als das Delay and Sum Beamforming, bleibt allerdings hinter dem Convex Optimization Beamforming zurück. Die Arbeit entstand am Fraunhofer Institut für digitale Medientechnologie.



Korshunova, Ksenia;
Photophysikalische Untersuchungen und quantenchemische Rechnungen zu Porphyrin-Indolocarbazol-Konjugaten. - 39 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013

Die vorliegende Bachelorarbeit konzentrierte sich im Wesentlichen auf die Untersuchung der Geometrie der Porphyrin-ICZ-Konjugate. Dazu wurden sowohl experimentelle als auch theoretische Untersuchungsmethoden verwendet. Zunächst wurden die Absorptionsspektren der Konjugate in drei unterschiedlich polaren Lösungen (Toluen, THF und DMF) aufgenommen. In allen drei Lösungen haben die Konjugate eine leichte Rotverschiebung mit steigender Anzahl der ICZ-Substituenten gezeigt, die aber wegen ihrer geringen Werte keine Aussage über Geometrieänderung zulässt. Eine stärkere Verschiebung wies sich in Bezug auf die Art der axialen Ligandierung auf. Daraus folgte, dass der wichtigste Einflussfaktor die axiale Ligandierung ist. Zu einer kuppelförmigen Verzerrung des Makrozyklus kommt es aber nicht, wie die quantenchemischen Rechnungen zur Strukturbestimmung gezeigt haben, sondern allein das Zn-Atom wird aus dem ansonsten unveränderten Makrozyklus herausgezogen. Die Stärke dieses Herausziehens stimmte mit den ursprünglichen Vermutungen überein: im Falle der THF-Liganden war es schwächer als im Falle des DMF-Liganden. Die Anzahl der ICZ-Substituenten spielte dabei keine Rolle. Es wurde auch festgestellt, dass keine wesentlichen Deformationen der Phenyl-ICZ-Äste stattfinden. Im Weiteren wurden die UV-VIS-Spektren der Porphyrin-ICZ-Konjugate berechnet. Die Rechenergebnisse zeigten einige Unterschiede zu den experimentell gewonnenen Werten. Die berechnete Rotverschiebung stieg mit Zahl der ICZ-Substituenten deutlicher an, als im Experiment beobachtet. Die sehr viel stärkere Rotverschiebung im Falle der Konjugate ohne axiale Ligandierung stellte sich jedoch als Artefakt heraus, bei dem der erste elektronische Übergang ein Charge-Transfer-Übergang zwischen ICZ-Substituenten und Porphyrinkern ist. Mit steigender Anzahl der ICZ-Substituenten nahm daher auch der Wert der Rotverschiebung zu. Bei der axial-ligandierten Porphyrin-ICZ-Konjugaten, wie sie sich in THF und DMF bilden sollten, bestätigten die Berechnungen die experimentellen Werte in Bezug auf den Unterschied zwischen THF und DMF, bis auf kleine qualitative Abweichungen, die sich auf Solvatisierungseffekte zurückführen lassen. Der Anstieg mit der Anzahl der ICZ-Substituenten in den Rechnungen fand sich jedoch in experimentellen Spektren nicht wieder. Ob dies ebenfalls ein auf ein unzureichendes Funktional zurückzuführendes Artefakt der Rechnung ist, einschließlich der Möglichkeit, dass es zu keinerlei axialer Ligandierung kommt, oder sich durch Solvatisierungshülleneffekte erklären lässt, konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht abschließend geklärt werden. Außerdem wurde die photophysikalische Dynamik der Konjugate untersucht. Dazu wurden die Fluoreszenzlebensdauern und die Fluoreszenzausbeuten gemessen und daraus die Übergangsraten für strahlende und strahlungslose Desaktivierungskanäle berechnet. Die Abhängigkeit der Fluoreszenzausbeute von der Anzahl der ICZ-Substituenten variierte bei unterschiedlich koordinierten Konjugaten: die tetrakoordinierten Strukturen ohne Ligand und die pentakoordinierten Strukturen mit einem THF-Liganden teigten ähnliches Verhalten: Der Wert der Fluoreszenzausbeute stieg bei den beiden Strukturen mit zunehmender Zahl der ICZ-Substituenten an, was ein Einfluss induktive bzw. mesomere elektronenschiebende Effekte sein könnte, die die Desaktivierungskanäle beeinflussen würden. Allerdings gaben die quantenchemischen Rechnungen hierzu nur unklare Hinweise, solche Einflüsse der ICZ-Substituenten nur für die tetrakoordinierte Formen auftraten, welche möglicherweise ein Artefakt der Rechnung sind. Die pentakoordinierten Strukturen mit DMF-Liganden haben dagegen im Experiment eine Verringerung der Fluoreszenzausbeute mit steigender Anzahl der ICZ-Substituenten gezeigt. Die Annahme, dass in diesem Fall eine starke kuppelförmige Verzerrung des Makrozyklus, die den Förstertransfer zwischen den so zusammengerückten ICZ-Substituenten erhöht, eine wesentliche Rolle spielen könnte, wurde aber durch die quantenchemischen Rechnungen weitgehend wiedergelegt. So sind auch hier weitergehende theoretische Untersuchungen von großem Interesse. Diese erfordern den Einsatz von verbesserten, insbesondere Range-Separated Funktionalen wie z.B. CAM-B3LYP, Lösemittelmodellen und ggf. Molekulardynamik-Simulationen, was den Rahmen dieser Arbeit aber definitiv gesprengt hätte.



Kühnlenz, Florian;
Einfluss von Netzwerktopologie und Konfiguration auf die Synchronisationsfähigkeit und Störungsanfälligkeit von Stromnetzen auf Basis eines Kuramoto-Oszillator-Modells. - 62 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Ultrakurzzeitmodell für die Dynamik von Synchronmaschinen in komplexen Netzwerken basierend auf einem Kuramoto-Oszillator-Modell. Es werden bisher nicht beschriebene Fixpunkte untersucht, die im Zusammenhang mit einem Ringstrom bei bestimmten Netzwerken auftreten kann. Anhand eines Optimierungsverfahrens wird der Einfluss der Positionierung von Generatoren im Netzwerk auf die Störungsanfälligkeit und Synchronisierbarkeit analysiert und verallgemeinernde Schlussfolgerungen über die Beurteilung der Positionierung anhand topologischer Eigenschaften präsentiert. Der Einfluss eines veränderten Trägheitsmoments, wie es durch Windkraftanlagen oder Photovoltaik zu erwarten ist, wird im Rahmen des Modells betrachtet und mögliche positive Effekte für die Stabilität für das gesamte Netzwerk aufgezeigt. Die Folgen der vereinfachten Netzwerktopologie, welche lediglich die Hoch- und Höchstspannungsebene berücksichtigt, werden untersucht. Es wird gezeigt, dass es durch das Hinzufügen weiterer Netzwerkebenen zu prägnanten Veränderungen der Störungsempfindlichkeit und Synchronisierbarkeit kommt. Das letzte Kapitel widmet sich der verwendeten Methodik und beschreibt wichtige Programmteile und verwendete Python Module sowie vorgenommene Optimierungen.



Preiß, Julia;
Theoretical investigation of the photoinduced charge-transfer in Ruthenium(II)-terpyridine-complexes. - 80 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013

Sonnenlicht kann als erneuerbare Energiequelle benutzt werden, um den steigenden Energiebedarf der Menschheit zu decken. Dies kann zum Beispiel durch Umwandlung in chemische Energie durch Photokatalyse oder durch Umwandlung in elektrische Energie in Farbstoffsolarzellen realisiert werden. Die initiale Photoanregung in Farbstoffsolarzellen und der Photokatalyse basiert jeweils auf der photoinduzierten Ladungstrennung (LT), typischerweise in Metall-organischen Komplexen. Um eine routinemäßige Simulation der Anregungsenergien, spektralen Eigenschaften und der photoinduzierten Dynamik der LT in diesen Komplexen zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Näherung der Pseudopotentiale in die Graphikkarten-beschleunigte Software TeraChem implementiert. Diese großen Komplexe werden mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) und zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT berechnet, damit angemessene Ergebnisse mit vertretbarem rechnerischem Aufwand erzeugt werden können. Die Wahl eines Dichtefunktionals ist für die Qualität dieser Berechnungen von entscheidender Bedeutung, da insbesondere TD-DFT-Rechnungen unter Verwendung klassischer Funktionale bekanntermaßen Probleme mit der Beschreibung der LT haben. Die neueren Funktionale M06 und CAM-B3LYP konnten durch den Vergleich von experimentellen mit den entsprechenden berechneten Resonanz Raman und Absorptionsspektren von Ruthenium(II)-Terpyridin-Komplexen als geeignet für die Simulation der genannten Spektren identifiziert werden. Theoretische Untersuchungen zur Optimierungen der photoinduzierten LT in diesen Ruthenium(II)-Terpyridin-Komplexen sind ein weiterer wichtiger Schwerpunkt dieser Arbeit. Diese LT kann durch Funktionalisierung verbessert und damit die Effizienz von Farbstoffsolarzellen und photokatalytischen Reaktionen erhöhen werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss von Amino- und Nitro-Substituenten auf die LT am Franck-Condon Punkt von [(tbut-tpy) Ru(tpy-ph-R)] (R=NH2, NO2) Komplexen theoretisch untersucht. Die Ausdehnung der initialen photoinduzierten LT der substituierten Komplexe wurde mittels Ladungsdifferenzdichten visualisiert. Im Vergleich zum Amino-substituierten Komplex zeigt sich eine bessere LT für den Nitro-substituierten Komplex, was durch die chinoide Struktur des niedrigsten nichtbesetzten Molekülorbitals erklärt werden kann.



Lengle, Tobias;
Einfluss physikalischer Faktoren auf die globalen Kohlenstoffflüsse auf Weideflächen mit unterschiedlichen Management-Optionen. - 108 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013

This bachelor thesis investigates the carbon fluxes on range land and the influence of different cultivation methods on this area. The importance of a scientific view on agriculture, especially with focus on feeding the worlds population, drastically increases in the last decades. - The yield of agriculture depends on climate, the livestock system and the grass management. The latter is the subject of the bachelor thesis. The different types of agricultural usage are distinguished. It is also possible to insert different kinds of grass- or area-usage. - With the help of a global vegetation model (LPJmL) the influences of the harvest are represented. - In this model there were no chances of differentiation in management options because of a lack of data. In this bachelor thesis a global data set of management options is prepared and its influence on the model is characterized. - With the help of data about the region of the world, livestock system, milk production, meat production and provender and also the mix of provender for the animals (bovine, goat, sheep and other ruminants) management options have been created. - These options have an impact on the results of global vegetations models. This influence and the effect of physical variables (here: temperature, rainfall, coverage of clouds and the distance to the equator) were analyzed and discussed in the bachelor thesis. A regression model is used. So it is possible to show, that the temperature has the biggest influence on the values of the carbon fluxes. But also rainfall, cloud coverage and the distance to the equator are of major impact. - A redundancy analysis confirms these findings and results in additional knowledge about the interaction between the physical parameters. This analysis compares and discusses the variables being explained (monthly primary production, Carbon in earth and in biomass) and the explanatory variables (physical variable). So the temperature acts against the distance to the equator, which means the nearer the cell is to the equator, the higher is the temperature. - The new developed management options have high influence on the values of the carbon flux. Especially noticeable is this influence near to the equator, to Russia, Western Europe, Canada, in the east of the USA and on the boarder of deserts. In these regions the defined management options have the biggest impact on the change of the carbon fluxes.



Winterfeld, Lars;
Topological phase transitions of HgSe under uniaxial pressure. - Ilmenau : Univ.-Bibliothek. - Online-Ressource (PDF-Datei: 83 S., 1,78 MB) Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013

Mittels ab initio Rechnungen wird der Einfluss von uniaxialem Druck auf die Bandstruktur des Zinkblende-Halbmetalls Quecksilberselenid (HgSe) untersucht. Sowohl geringfügige Dehnung als auch Kompression entlang der [001] und [110] Richtungen öffnen eine Bandlücke in der Nähe des Gamma-Punktes von bis zu 37 meV. Berechnungen der Z2-Invariante zeigen, dass sich HgSe unter uniaxialer Kompression von etwa -5% in der Phase eines Topologischen Isolators befindet. Sowohl stärkere Kompression als auch Dehnung verursachen einen Übergang in die Phase eines gewöhnlichen Isolators. Rechnungen an einem HgSe-Mehrschichtsystem zeigen Oberflächenzustände mit großer Ähnlichkeit zu Dirac-Kegeln bekannter Topologischer Isolatoren. Die Arbeit gliedert sich eine überblick-bietende Einleitung, ein Kapitel zum Darstellen theoretischer Grundlagen, einen Ergebnisteil sowie ein Abschlusskapitel für Schlussfolgerungen.


http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=23323

Sachse, Torsten;
Untersuchung der Existenz optischer Pulsationen eines Quantendotsystems basierend auf optischen Nahfeldwechselwirkungen mittels linearer Stabilitätsanalyse. - 33 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012

Taktgeber stellen einen unverzichtbaren Teil der heutigen Mikroelektronik dar und sie mit ausreichender Energieeffizienz auf die Nanometerskala zu übertragen ist eine der Herausforderungen der Zukunft. Nanophotonik ist eine mögliche Alternative zur Elektronik um noch größere Integrationsdichten als bisher erreichen zu können, allerdings ist es nötig, analog zum Taktgeber in der Elektronik, eine periodische Kette von optischen Pulsen zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck wird ein für diese Anwedung möglicherweise brauchbares System von über relaxive und Nahfeldwechselwirkungen gekoppelten Quantendots vorgestellt. Dieses System wird dann auf theoretischer Ebene auf das Auftreten von Oszillationen in den Populationen derselben mittels eines Dichtematrixformalismus untersucht. Im Gegensatz zu bisherigen Untersuchungen wird auf das umständliche Lösen von vielen gekoppelten Differentialgleichungen verzichtet und stattdessen die Methoden der linearen Stabilitätsanalyse angewendet, um etwaige Diskrepanzen in den Ergebnissen aufzuzeigen. Ein entsprechendes Verfahren wird abgeleitet und implementiert und die Ergebnisse präsentiert. Im Gegensatz zu bisherigen Untersuchungen konnte kein Parameterregime, das durch das Vorhandensein der gesuchten Oszillationen gekennzeichnet wäre, gefunden werden. Mögliche Gründe für den scheinbaren Widerspruch zwischen diesem und früheren Ergebnissen werden angebracht. Als am wahrscheinlichsten wird angesehen, dass das hier vorgestellte Verfahren die Asymptotik des zeitlichen Verlaufs der genannten Populationen ermittelt, wohingegen bisherige Betrachtungen das anfängliche Verhalten unmittelbar nach der Anregung betrafen und somit kein Widerspruch zwischen den Ergebnissen existiert, da unterschiedlichen Teile der Lösung betrachtet wurden.



Schwarz, Felix;
Calculation of the excitonic dielectric function of gallium nitride. - 38S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012

A full quantum-mechanical calculation of the dielectric function of gallium nitride including excitonic effects is presented. The susceptibility has been calculated by solving the time-dependent Schrödinger equation taking into account the complex valence-band structure of the semiconductor. The 6x6 Bir-Pikus Hamiltonian for the six non-parabolic, non-degenerate and anisotropic valence bands has been used with different parameter sets obtained by previous groups. The results are compared to experimentally observed results for high quality GaN and interpreted. It turns out that the approximations made to create the parameter sets yield significant errors.



Kühnlenz, Florian;
Schwingungen einer Gasblase in der Flüssigkeit innerhalb eines geschlossenen axialsymmetrischen Gefäßes. - 40 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011

Die Arbeit behandelt ein fluiddynamisches System bestehend aus einer beispielsweise mit Hexan gefüllten zylinderförmigen Dose die eine kleine Gasblase enthält. Es wurde das Verhalten der Gasblase bei einer äußeren Schwingungsanregung untersucht. Dazu wurde das System in ein theoretisches Modell sowie eine darauf basierende Simulation überführt. Durch mehrere Experimente zur Verformung der Blase sowie deren Resonanz war es möglich die Ergebnisse von Theorie und Praxis zu vergleichen.



Auer, Sabine;
Coupled exciton-plasmon modes in metal-dye hybrid systems. - 49 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011

Diese Arbeit widmet sich der der Untersuchung von Plasmonen-Exzitonen-Kopplung in Metall-Farbstoff-Hybridsystemen. Im Konkreten handelt es sich bei unserem Modell um eine Konfiguration aus einem Silbergitter bedeckt mit Rhodamine 6G in einer Polymermatrix. Ziel unserer Simulationen war es Rabi Energieaufspaltungen für Rhodamine 6G mit und ohne Laserinversion zu zeigen. Um eine vernünftige dielektrische Funktion zu finden, unternehmen wir einen Exkurs in die Lasertheorie und wenden die optischen Blochgleichungen auf unseren Farbstoff an. Dabei ist eine kritische Auseinandersetzung mit den Kramers-Kronig Relationen mit eingeschlossen. Am Ende werden Nebeneffekte wie die Rolle der Farbstoffschicht als Fabry-P\'erot-Resonator diskutiert.



Minz, Christoph;
Statistical properties of photon modes in random arrays of ZnO nano-needles. - 41 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011

Optische Femtosekunden-Experimente ermöglichen detaillierte Untersuchungen an ungeordneten Strukturen. Als Beispiel sei das quasi-zweidimensionale System aus homogen zufällig verteilten, vertikal ausgerichteten Zinkoxid (ZnO) Nanonadeln genannt. Die Gruppe von Prof. Dr. Lienau in Oldenburg fand in dieser Struktur ungewöhnlich hohe Intensitäten, die auf Lokalisierung schließen lassen. Zeitaufgelösten dreidimensionalen Berechnungen mit den Maxwellgleichungen werden an einem Modellsystem veranschaulicht und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Um das Auftreten von Lokalisierung zu überprüfen, werden statistische Methoden dargelegt und auf die berechneten quadratischen Intensitäten sowie auf die experimentelle Ergebnisse angewendet.



Faber, Carina;
Ab initio many-body perturbation theory: GW studies of the excitation spectra of the DNA/ RNA nucleobases and of the electron-phonon coupling in C60. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011

Die Berechnung elektronischer Eigenschaften, wie z.B. der Bandstruktur oder optischer Absorptionsspektren, ist von großer Bedeutung in der Festkörperphysik. Die Photovoltaik ist nur eines von vielen Beispielen, bei denen es grundlegend ist die elektronischen Eigenschaften zu kennen um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es die Qualität von GW Rechnungen an Molekülen zu zeigen. Dies wurde bisher kaum ausgeführt und bildet das Fundament für zukünftige und umfangreichere Rechnungen im Bereich der organischen Photovoltaik. Zu diesem Zweck wurden die Anregungsspektren der DNA/ RNA Nukleobasen (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin und Uracil) berechnet, da dies einerseits von großem fundamentalem Interesse ist und andererseits viele hochwertige quantenchemische Referenzdaten zur Verfügung stehen. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen nicht nur hervorragend mit den quantenchemischen Daten überein, darüber hinaus wird für Cytosin und Uracil noch eine Verschiebung der Energieniveaus beobachtet, die über den aus der Festkörperphysik bekannten Scissoroperator hinausgeht. Zudem wurde die Elektron-Phonon-Kopplung im Buckminsterfulleren C60 betrachtet, denn die Größe dieser Wechselwirkung ist ein wichtiger Baustein vieler physikalischer Modelle, wie z. B. der BCS-Theorie, welche elementar für die Erklärung der Supraleitung ist. Während Dichtefunktionaltheorie (DFT) nicht zur Beschreibung dieser Größe geeignet ist, da zum einen die Ergebnisse, die ab initio mit DFT-LDA erhalten wurden, weit unter den experimentellen Werten liegen und da zum anderen DFT-B3lyp zwar akzeptable Werte liefert jedoch dabei der Anteil an exaktem Austausch im B3lyp-Funktional angepasst wurde um die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren, liefert die GW Methode Ergebnisse, die sehr gut mit den experimentell erhaltenen Werten übereinstimmen.



Reinmöller, Markus;
Untersuchung struktureller und elektronischer Eigenschaften von konjugierten Fullerenen. - 92 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009

In der vorliegenden Arbeit wurden Fullerene, die über Cyclobutan-, Cyclopentan-, Furan- oder Pyrrol-artige Brücken miteinander verknüpft sind, theoretisch mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) untersucht. Es stellt sich zunächst die Frage, ob die auf diese Weise verknüpften Fullerene als 'konjugiert' bezeichnet werden dürfen. Aufgrund unbesetzter Molekülorbitale mit 'freischwebenden' Elektronendichten zwischen den Fullerenen - jedoch außerhalb der Brücken - ist dies im weiteren Sinne durchaus gerechtfertigt. Es handelt sich bei diesen Materialien um Halbleiter mit einer berechneten Bandlücke (HOMO-LUMO-Differenz) zwischen 2,4 eV und 2,7 eV. Anhand der energetischen Position und dem Aussehen der unbesetzten Orbitale wurde deren jeweiliger Beitrag zur molekularen Leitfähigkeit qualitativ abgeschätzt. Die quantenchemische Untersuchung der Grundzustandsenergien für an unterschiedlichen Positionen verbrückte Fullerene ergab sehr geringe Unterschiede zwischen verschiedenen Isomeren. Folglich ist von einer Vielzahl an Isomeren auszugehen. Daher reichen Reaktionsenergie-selektive Syntheseverfahren für eine geordnete Polymerisation der Fullerene nicht aus, sondern es wird ein Verfahren mit Vorstrukturierung der Anordnung der Fullerene benötigt. Für Polymere aus Cyclobutan-artig verbrückten Fullerenen ist das bereits in Experimenten gelungen. In der vorliegenden Arbeit wurden für diese Polymere die elektronischen Zustände berechnet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Daneben wurden ebenfalls neuartige ringförmige Fulleren-Oligomere theoretisch analysiert.



Leipold, David;
Classical transport in frustrated systems. - 83 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009

Das quantenmechanische Verhalten von Elektronen auf dem Pyrochlorgitter und seinem zweidimensionalen Gegenstück, dem Schachbrettgitter war Gegenstand zahlreicher neuerer Untersuchungen. Diese wurden unter anderem durch das Tieftemperaturverhalten vom Lithiumvanadat inspiriert, welches als erstes Material ohne besetzte f-Orbitale Eigenschaften zeigte, die für Schwerfermionensysteme typisch sind. - In der theoretischen Erklärung dieser Eigenschaften spielt die Anordnung der Vanadiumatome in einem Pyrochlorgitter eine zentrale Rolle. Es ist bekannt, dass es sich dabei um ein geometrisch frustriertes Gitter handelt. - Eine charakteristische Eigenschaft der frustrierten Systeme ist ihre makroskopische Entartung der klassischen Grundzustands-Mannigfaltigkeit. Es wurde ausserdem diskutiert, dass auf dem Pyrochlor- und Schachbrettgitter mobile Ladungsträger existieren können, die halbzahlige vielfache der Elementarladung tragen. - Bisher ist wenig über den klassischen Transport von Ladungsträgern in diesen Systemen bekannt. Zur Untersuchung wurde zunächst ein Simulationsprogramm geschrieben. Mit der Simulation wurden zunächst Eigenschaften des Systems im thermodynamischen Gleichgewicht bestimmt. Ausserdem wurden mit einem externen elektrischen Feld Nichtgleichgewichtszustände provoziert und der daraus resultierende elektrische Strom untersucht. - Die mobilen Ladungsträger, darunter solche mit nicht ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung, wurden charakterisiert. Es wird zudem eine bestimmte Systematisierung dieser Ladungsträger vorgeschlagen. Anhand dieser Systematisierung wurde versucht, analytische Zusammenhänge herzuleiten, mit denen die Dichte der mobilen Ladungsträger berechenbar ist. Diese ist ausserordentlich relevant für die Transporteigenschaften. In diesem Rahmen konnten die Ladungsträgerdichten in der Nähe des Grundzustands, also im Grenzwert niedriger Temperaturen und schwacher Felder, für alle Teilchendichten sehr erfolgreich analytisch berechnet werden. Die Schwierigkeiten bei der Erweiterung auf angeregte Zustände werden Anhand der Abweichungen zu den Simulationsergebnissen aufgezeigt und diskutiert. Eine vollständige Lösung dieses Problems, dessen Lösung die Vorhersage der Ladungsträgerdichten für alle Teilchendichten, Temperaturen und Feldstärken erlauben würde, muss aber Gegenstand zukünftiger Untersuchungen bleiben.



Faber, Carina;
Berechnung der elektronischen Struktur des Einzelmolekülmagneten Fe4(OCH2)6(C4H9ON)6 mittels Dichtefunktionaltheorie. - 39 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009

In der vorliegenden Arbeit wird die elektronische Struktur des Einzelmolekülmagneten Fe4(OCH2)6(C4H9ON)6 berechnet. Zunächst wird kurz in das Themengebiet des Einzelmolekülmagnetismus eingeführt, wobei der Schwerpunkt auf den besonderen physikalischen Eigenschaften dieser Moleküle und daraus resultierenden technischen Perspektiven liegt. Im anschließenden Kapitel werden zwei Methoden zur Berechnung der elektronischen Struktur vorgestellt, die Hartree-Fock-Methode und die Dichtefunktionaltheorie (DFT). Dabei werden die Vor- und Nachteile der jeweiligen Methode besonders herausgestellt. Im dritten Teil der Arbeit werden eigene DFT-Rechnungen zum Einzelmolekülmagneten Fe4(OCH2)6(C4H9ON)6 präsentiert, bei denen v.a. die magnetische Anisotropieenergie von Interesse ist.



Scholz, Patrick;
Berechnung von Oberflächenplasmon-Polaritonen an Nanodrahtgittern und Metall-Halbleiter-Hybriden. - 98 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009

Bei einer Bestrahlung mit Licht zeigen metallische Nanostrukturen interessante Eigenschaften, die der Anregung gekoppelten Moden aus Photon und Oberflächenplasmonen, d. h. so genannten Oberflächenplasmon-Polaritonen, zuzuordnen sind. Durch eine geeignete Nanostrukturierung der Metall-Grenzfläche können die Eigenschaften dieser optischen Moden in weiten Teilen kontrolliert werden. Dadurch hat sich in den letzten Jahren ein breites Spektrum an neuen Anwendungsbereichen ergeben. Viele dieser Anwendungen sind momentan durch die außerordentlich kurze Lebenszeit der Oberflächenplasmon-Polaritonen von 10 bis einigen 100 fs beschränkt. Diese Einschränkung resultiert aus den hohen Strahlungsverlusten innerhalb der Nanostrukturen sowie aus ohmschen Verlusten im Metall. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine mögliche Strategie zur Kompensation dieser Verluste anhand eines Prototypsystems aus periodisch angeordneten Metall-Nanodrähten in Verbindung mit einem Gain-Material theoretisch untersucht. Dabei kommen verschiedene numerische Methoden zur Lösung der Maxwell-Gleichung zur Anwendung. Es zeigt sich, dass es zu einer Kompensation der Verluste der Oberflächenplasmon-Polaritonen kommt. Außerdem wird die Abhängigkeit der Kompensation der Verluste von verschiedenen Parametern untersucht. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Drahtform auf die Anregung von Oberflächenplasmon-Polaritonen. Dazu wird ein Nanodrahtsystem auf einem Polymersubstrat mit einem rechteckigen und halb-elliptischen Drahtquerschnitt aufgebracht und diese miteinander verglichen. Es wird gezeigt, dass im Falle der rechteckigen Drahtform die Moden an der Gitterunterseite und im Falle der halb-elliptischen Drahtform die Moden an der Gitteroberseite verstärkt werden. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass die Drahtform einen direkten Einfluss auf die Resonanzposition der Oberflächenplasmon-Polaritonen hat.



Lenk, Steve;
Exzitonische dielektrische Funktion von Galliumnitrid. - 102 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009

Galliumnitrid (GaN) ist der wichtigste Halbleiter für die kommerzielle Herstellung von blauen Leucht- und Laserdioden. Doch trotz der verbreiteten Nutzung von GaN ist die Theorie der exzitonischen Beiträge bei derWechselwirkung mit Licht unter dem Einfluss von Verspannungen und elektrischen Feldern bisher nur wenig voran geschritten. Insbesondere wurde der Einfluss der Valenzbandstruktur auf die exzitonische dielektrische Funktion in bisherigen Untersuchungen nicht berücksichtigt. Es wurden bisher ausschließlich isotrope und parabolische Bänder verwendet. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Anisotropie, der Nichtparabolizität und der Mischung der Valenzbänder von GaN auf die dielektrische Funktion der Exzitonen in GaN sowie auf die experimentellen Größen Absorption und Reflektivität systematisch untersucht. Außerdem wird die Anisotropie des Leitungsbandes berücksichtigt. Mit Hilfe der relativen Einteilchen-Übergangsintensitäten gelingt es außerdem die Spektren des pi-polarisierten und des sigma-polarisierten Lichtstrahls zu bestimmen. Es werden experimentelle Reflektivitätsspektren mit den numerisch bestimmten Spektren verglichen und die im Experiment sichtbaren Peaks den verschiedenen exzitonischen Zuständen zugeordnet. Diese theoretisch begründete Zuordnung verbessert die Charakterisierung und Auswertung der experimentellen Daten. Da die Verspannungen, die durch das Aufwachsen von GaN auf Substraten wie Siliziumkarbid und Saphir entstehen, die Valenzbandstruktur stark beeinflussen, wurde auch dieser Einfluss auf die dielektrische Funktion untersucht. Ein anderer in dieser Arbeit diskutierter Aspekt ist der Einfluss von elektrischen Feldern auf die dielektrische Funktion der Exzitonen und auf die daraus abgeleiteten Größen Absorption und Reflektivität. Desweiteren werden Elektroreflexionsspektren aus den ermittelten Reflektivitäten zu unterschiedlichen elektrischen Feldstärken berechnet. Durch Elektroreflexionsmessungen wird nicht nur die Bestimmung innerer elektrischer Felder, sondern auch die Beobachtung von exzitonischen Einflüssen bei Raumtemperatur ermöglicht. Die durch diese Arbeit verbesserten theoretischen Erkenntnisse über die zugrunde liegenden Mechanismen der dielektrischen Funktion erlauben eine bessere Interpretation experimentell bestimmter Spektren.



Mynttinen, Ines;
Theorie und Simulation des Dreipuls-Photonechos. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008

Das Dreipuls-Photonecho (3PPE) ist eine Methode der nichtlinearen optischen Spektroskopie, mit der die Dynamik eines elektronischen Systems im Bad (z.B. Farbstoff in Lösung) selbst bei starker inhomogener Verbreiterung untersucht werden kann. Die aus dem 3PPE gewonnene Photonecho-Peakshift (PEPS) ist dafür in besonderer Weise geeignet. Zur angemessenen Interpretation der experimentellen Daten ist ein tief greifendes theoretisches Verständnis von großem Nutzen. Dabei sind besonders auch die realen experimentellen Bedingungen, z.B. die endliche Dauer der das Materialsystem anregenden ultrakurzen Laserpulse zu berücksichtigen. Zur Vertiefung des theoretischen Verständnisses erfolgt zunächst eine umfassende Darstellung der theoretischen Grundlagen des 3PPE. Anschließend werden systematisch die Zusammenhänge zwischen den in das Materialmodell eingehenden Parametern und dem 3PPE-Signal zunächst für die Anregung mit Deltapulsen untersucht. Hierbei kommt der (Phononen-) Spektraldichte des Bades und ihrer Fouriertransformierten, der Bad-Korrelationsfunktion, eine Schlüsselrolle zu. In vorliegender Arbeit wurde (i) das 3PPE für verschiedene Modellspektraldichten berechnet und interpretiert. (ii) Die Proportionalität zwischen PEPS und Bad-Korrelationsfunktion wurde bestätigt. (iii) Der Zusammenhang zwischen der inhomogenen Verbreiterung des elektronischen Systems und dem 3PPE-Signal konnte erstmals schlüssig erklärt werden. Desweiteren wurden Berechnungen für die Anregung mit endlichen Pulsen durchgeführt. Der enorm hohe Rechenaufwand konnte durch hochgradige Parallelisierung mittels "Compute Unified Device Architecture" (CUDA) auf einer NVIDIA-Graphikkarte bewältigt werden. Die berechneten Größen können direkt mit dem Experiment verglichen werden. So findet man beispielsweise für das 3PPE und der PEPS von Nilblau in Methanol gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten.