Degree theses

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optischen Untersuchungen an Black Silicon - einer nadelförmigen Oberflächenmodifikation des Siliziums, welche sich durch eine geringe Reflektivität auszeichnet. Mittels Messungen an einem Ellipsometer und einer Ulbrichtkugel wurden die ellipsometrischen Parameter, Reflektivität, Transmittivität und Absorptivität mehrerer, teils beschichteter Black Silicon Proben bestimmt und so Unterschiede zu einer planen Silizium-Probe und Einflüsse der Nadelform und Beschichtung aufgezeigt. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden die Untersuchungen der Reflektivität, die in Abhängigkeit von Energie, Polarisation sowie Einfalls- und Beobachtungswinkel bestimmt wurde. Das zu einem großen Teil diffus reflektierte Licht wurde sowohl integriert über alle Raumwinkel als auch winkelaufgelöst gemessen. Hierbei konnten Reflektivitäten bis zu einer Größenordnung von 10^{-7} bestimmt werden. Es konnte festgestellt werden, dass sich das Reflektivitätssignal aus mehreren Anteilen zusammensetzt, die sich zum einen durch die Reflexion an den einzelnen Nadeln, zum anderen durch die Ausbildung eines effektiven Mediums mit Brechungsindexgradienten erklären lassen. Zudem zeigen die Proben ein anisotropes Verhalten. Weiterhin konnten Anzeichen für das Auftreten eines möglichen Brewster-Winkels für Black Silicon beobachtet werden.

Beim Herstellungsprozess von in Glas integrierten Lichtwellenleitern mittels Ag+-Na+-Ionenaustausch können Silbernanopartikel entstehen. Silbernanopartikel wirken sich negativ auf die Übertragungseigenschaften der Wellenleiter aus. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie werden die Nanopartikel in den Wellenleitern nachgewiesen und charakterisiert. Ein Dämpfungsmodell wird aufgestellt und der Einfluss der Silbernanopartikel auf die Übertragungseigenschaften bestätigt. Auf Grundlage des Dämpfungsmodells und einem Simulationsmodell für den Ionenaustausch werden Proben hergestellt. Unter Verwendung dieser Proben wird ein Messinstrument entwickelt. Das Messinstrument nutzt die Photolumineszenzeigenschaften von Silberionen. Die Aufnahme von Photolumineszenzspektren an den hergestellten Proben zeigt das Potential des Messprinzips, zerstörungsfrei die Silbernanopartikelbildung zu detektieren. Damit soll in Zukunft der Herstellungsprozess der Lichtwellenleiter optimiert und überwacht werden.

In dieser Masterarbeit wird der Innenwiderstand einer wässrigen Natriumionenbatterie (Na0,44MnO2//Na2SO4 (aq)-ZnSO4 (aq)//Zn) untersucht. Es wird ein Ersatzschaltbildmodell zur Beschreibung des Innenwiderstandes erstellt und parametrisiert. Die Abhängigkeit des Innenwiderstands vom Druck (20 bis 2 027 kPa) wird mithilfe der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) vermessen. Dazu wird ein Zellaufbau entwickelt, in den eine Referenzelektrode integriert ist. Mit numerischen Ausgleichsrechnungen werden die Messdaten analysiert und mit dem Modell abgeglichen. Die Parametrisierung zeigt, dass elektronische Leitung in der Paste vom Ladungssammler (Titan) zum Aktivmaterial (Na0,44MnO2) hauptsächlich über den Leitruß stattfindet. Weiterhin darf der Einfluss des gewählten Stromableiters Titan auf die Impedanz nicht vernachlässigt werden. Die Elektrochemischen Impedanzspektren zeigen eine starke Druckabhängigkeit des Innenwiderstandes. Zwischen 405 und 1 013 kPa ist den Messungen zufolge die geringste Impedanz zu erwarten. Die Impedanzmesswerte bei 15 mHz aller Druckbelastungen weisen darauf hin, dass im DC-Betrieb der Batteriezelle die Ohmschen Anteile den Innenwiderstand dominieren; die negative Elektrode (Zink) ist sehr wahrscheinlich dafür verantwortlich. Die Messwerte zeigen, dass die Modellvorstellung zur Beschreibung der Impedanz an der negativen Elektrode (Zn) nicht zutrifft. An der positiven Elektrode sind die Effekte der Kapazität und des Widerstands des Titans sowie der Doppelschicht und des Durchtrittswiderstandes am Aktivmaterial mit EIS nicht unterscheidbar. Das Modell wird dahingehend angepasst. Zusätzlich stellt sich heraus, dass die Modellierung der Ionendiffusion in der untersuchten Zelle mit einer Nernstimpedanz nicht zutreffend ist.

Es wurden die Schwingungseigenschaften von einseitig und beidseitig eingespannten Balkenstrukturen im [my]m Bereich untersucht. Diese Resonatoren bestehen aus einem Doppelschichtsystem, welches aus einer piezoelektrischen Schicht, in diesem Fall AlN und einer magnetostriktiven Schicht, in diesem Fall Ni, zusammengesetzt ist. Die theoretischen Grundlagen basieren auf der Euler-Bernoulli-Biegebalkentheorie. Mit Hilfe eines Vibrometers wurden Eigenfrequenzspektren dieser Resonatoren gemessen. Das Schichtsystem wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop validiert. Mit Hilfe eines optischen Mikroskops wurden geometrische Vermessungen an den Resonatoren durchgeführt. Der Elastizitätsmodul dieses Schichtsystems wurde bestimmt. Es wurden die Abhängigkeiten für die Güte und die Verspannung von den einzelnen Resonatoren dargestellt. Es wurde eine Simulation mit Finiter-Elemente-Methode für jeden Resonator durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Messergebnissen verglichen. Es stellte sich heraus, dass die Euler-Bernoulli-Biegebalkentheorie hier eine gute Anwendung findet. Weiterhin stellte sich heraus, dass die breiten und kurzen einseitig eingespannten Balkenstrukturen sehr große Abweichung verursachen und deshalb ungeeignet sind. Für die beidseitig eingespannte Balkenstrukturen wurde ein Ausblick über einen künftigen Mittelweg zwischen Haltbarkeit und gutem Schwingverhalten gegeben.

Optische Mikrokavitäten spielen eine immer wichtigere Rolle in modernen Forschungsarbeiten. Besonders interessant ist es, den Reflexions- und Brechungsvorgang von einkommenden Lichtstrahlen an der Oberfläche dieser Kavitäten zu studieren. Die Reflexion eines Lichtstrahles wird durch die Fresnelgleichungen beschrieben, welche zunächst nur für ebene Oberflächen gelten und demzufolge für gekrümmte Grenzflächen korrigiert werden müssen. Da diese Abweichungen bereits bei konvexen Grenzflächen untersucht wurden [7], sollen in dieser Arbeit die Korrekturen für konkave Grenzflächen gefunden werden, indem das Model der Transfermatrizen auf zylindrische Systeme erweitert wird. Dadurch wird ein Zusammenhang zwischen konvexen und konkaven Fresnel-Koeffizienten gefunden.