Dissertationen

Die Bestimmung der Messunsicherheit ist ein zentraler Aspekt jeder metrologischen Aufgabe. Mit fortschreitender Digitalisierung und bei immer komplexeren Messungen werden die Messunsicherheiten zunehmend in einer Simulation ermittelt. Die entsprechende Simulationssoftware wird dabei über Jahre oder sogar Jahrzehnte zusammen mit dem Experiment weiterentwickelt. Damit dieser Prozess möglichst effizient und nachhaltig gestaltet werden kann, bedarf es einer systematischen Vorgehensweise bei der Implementierung der physikalischen Zusammenhänge in einer Simulationssoftware. Dazu werden in dieser Arbeit die Konzepte einer etablierten Simulationssoftware für die Messunsicherheitsbestimmung verallgemeinert und für die Anwendung auf neue metrologische Aufgaben übertragen. Als Ausgangspunkt wird dafür das VCMM – das Virtuelle Koordinatenmessgerät – herangezogen. Um zu verstehen, wie das VCMM aufgebaut ist und was seinem Konzept zugrunde liegt, wird es von Grund auf neu implementiert. Dabei werden die Ansätze der Modellbildung des VCMMs erkannt und verallgemeinert. Demnach wird der gesamte Messprozess in einer Simulation nachgebildet. Weiterhin wird eine Softwarestruktur erarbeitet, mit der vergleichbare Simulationssoftware aufgebaut werden kann. Um schließlich die physikalischen Modelle einer Messung zu einer Software zu implementieren, wird eine unterstützende Softwarebibliothek entwickelt. Sie enthält die wiederkehrenden Komponenten einer Monte-Carlo-basierten Simulationssoftware und hilft bei der Umsetzung der Softwarestruktur. Zur Veranschaulichung der erarbeiteten Vorgehensweise wird als erstes Anwendungsbeispiel die Planck-Waage betrachtet. Dabei wird eine Simulationssoftware für die Bestimmung der Messunsicherheiten an der Planck-Waage erstellt. Die Software ist modular aufgebaut und bietet vielseitige Analysemöglichkeiten, die einen Einblick in die physikalischen Zusammenhänge der Messung ermöglichen. Die Erstellung der Simulationssoftware für weitere metrologische Anwendungen erfolgt äquivalent.

In dieser Arbeit werden Grundlagen und Anwendungen der Gasphasen Elektrodeposition erarbeitet. Der Begriff steht für ein Zusammenspiel von Aerosolphysik und konventioneller Abscheidungstechnologie. Das aus einer Funkenentladung erzeugte Material wird durch einen Plasmastrahl direkt zu Punkten auf einem Substrat transportiert, wo sich das Material lokal oder in Mikrofilmen abscheidet. In dieser Arbeit wurden drei entscheidende theoretische Aspekte (i-iii) und drei praktische Aspekte (iv-vi) herausgearbeitet. (i) Die beiden Schlüsselparameter Funkenentladungsleistung und Trägergasfluss beeinflussen den von den geladenen Spezies getragenen elektrischen Strom, die erzeugte Masse/Größe der Nanopartikel und die resultierende Mikro-/Nanostrukturmorphologie. Langmuir-Sonden-Messungen zeigen mindestens zwei Transportzonen – eine vom Gasfluss dominierte und eine vom elektrischen Feld dominierte Zone. Die Gasströmung ist der Hauptfaktor, nicht nur für die Partikelgeschwindigkeit in der Transportzone, sondern auch für die Verteilung des elektrischen Potenzials und des elektrischen Feldes im Reaktor. In der Nähe des Substrats bildet sich ein elektrischer Feldgradient aus. Der Transport wechselt von der Gasströmung zum E-Feld. Die Komponente des elektrischen Feldes zeigt zur Oberfläche hin. (ii) Der elektrische Strom und die gravimetrische Analyse zeigen, dass die Stickstoff Ionen im Vergleich zu den erzeugten Metallpartikeln deutlich in der Überzahl sind. In Anbetracht der Mikro-/Nanostrukturmorphologie erweist sich die Leistung der Entladung als der wichtigste Parameter. Eine niedrige Funkenleistung in Verbindung mit einem geringen Gasfluss führt zu dendritischen Partikeln. Im Gegensatz dazu führt eine höhere Funkenleistung in Verbindung mit einem höheren Gasfluss zu kompakten Schichten. Dieses zweidimensionale Parameterfeld ermöglicht eine maßgeschneiderte Schichtmorphologie und Abscheiderate. (iii) Bei konstantem Gasdurchsatz führt ein kleinerer Reaktordurchmesser zu einem turbulenteren Strömungsverhalten. Dieses Verhalten ist unabhängig vom Gaseinlass, der die Partikelkonzentration im Plasmastrahl beeinflusst. Ein statistisches Modell führt zu einem besseren Verständnis der Gasphasen Elektrodeposition. Zusätzlich zur üblichen Standarddiffusion treten in eine bestimmte Richtung auch lange super-diffusive Flüge der erzeugten Teilchen auf, wenn ein zusätzliches elektrisches Feld vorhanden ist. Die gewonnenen theoretischen Erkenntnisse halfen bei der Gasphasen Elektrodeposition von (iv) Mikrofilmen, (v) lokalisierten selbstausrichtenden lateralen Metall-Nanobrücken und (vi) lokalisierten selbstausrichtenden vertikalen Leiterbahnen.

Magnetorheologische (MR) und elektrorheologische (ER) Flüssigkeiten werden in der Dämpfertechnologie aufgrund ihrer Fähigkeit verwendet, die erzeugte Dämpfung und damit die Energiedissipation für eine gegebene Geschwindigkeit durch Variieren des angelegten Feldes einzustellen. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an und untersucht potenzielle Erweiterungen der bisher bekannten Wirkmechanismen und Konstruktionen in verschiedene Zielrichtungen. Es geht dabei um Erweiterungen hinsichtlich der Dämpferfunktionalität, der Kennlinienanpassung und des Bauraumes. Die erste Erweiterung ist die konstruktive Änderung des ER-Steuerventils, die zu einer gesteuerten Kennlinienanpassung der Kraft-Geschwindigkeits-Charakteristik von ER-Dämpfern genutzt werden kann. Die Modifikation erfolgte durch Segmentierung der Feldquelle in paralleler Anordnung. Mit dieser Steuerventilkonstruktion kann die erzeugte Dämpfung schrittweise durch einen einfachen Ein-Aus-Schaltmechanismus geändert werden. Die zweite Erweiterung betrifft ein kompakteres Dämpferelement durch Erhöhung des Freiheitsgrades des Dämpfers. Bisherige Dämpferkonzepte basieren auf dem Freiheitsgrad 1. Durch die Kombination der Betriebsarten und Konstruktionsmechanismen wird in dieser Arbeit eine Erhöhung auf bis zu Freiheitsgrad 4 erreicht. Die dritte Erweiterung ist die Kombination mit einem anderen Material, um dem Dämpfer neue Funktionalität hinzuzufügen. In dieser Arbeit werden zwei Kombinationen untersucht, die Kombination mit Metallschaum und mit einem Formgedächtnislegierungsdraht (FGL). Die Kombination mit Metallschaum minimiert die parasitäre Dämpfung und ermöglicht den Einbau des Dämpfers in ein kleines Schwingungssystem. Die Kombination mit FGL eröffnet die Möglichkeit, die Konstruktion des MR-Dämpfers zu verkleinern. Es werden Untersuchungen der drei Erweiterungen durchgeführt, indem ihre Wirkung anhand von Laborprototypen überprüft wird. Die experimentellen Ergebnisse werden analysiert und mit mathematischen Modellen verglichen. Die Untersuchungsergebnisse in allen Erweiterungen zeigen vielversprechende Ergebnisse, bei denen neue Funktionalitäten oder Dämpfungseigenschaften eingeführt und durch Experimente verifiziert werden. Die vorgeschlagenen funktionalen und konstruktiven Erweiterungen für ER- oder MR-basierte Dämpfer bieten Entwurfsalternativen in der Dämpfertechnologie und neue Anwendungsmöglichkeiten.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in interdisziplinärer Weise mit Fragestellungen und anhand von over-the-air Tests mit Lösungsansätzen zur Antennenmesstechnik und Funkkanalemulation sowie mit Testverfahren bei LTE-basierter Mobilkommunikation im Kontext vernetzter Automobile. Die Herausforderung besteht darin, dass der Speisepunkt der Antennen aufgrund des Einbauzustandes im Fahrzeug sowie der fortschreitenden Integration von Antennen und Empfängern nur schwer oder gar nicht zugänglich ist. Durch Nutzung modulierter Kommunikationssignale gelingt es, direkt und ohne komplexe Algorithmen dreidimensionale Gewinn- und Phaseninformation von Fahrzeugantennen im Einbauzustand aus einfachen Leistungsmessungen zu ermitteln. Kenntnis des Phasendiagramms der Antennen ist insbesondere bei der Übertragung mit mehreren Antennen essenziell und wird außerdem für die Bestimmung der Position von Antennen anhand ihres Phasenzentrums benötigt. Nach der Charakterisierung der Strahlungseigenschaften der Antennen werden diese als Teil einer Funkumgebung betrachtet und in der Funkkanalnachbildung berücksichtigt. Für die Bestimmung der Leistungsfähigkeit von Fahrzeugantennen durch die Emulation drahtloser Ausbreitungskanäle wurden im Rahmen dieser Arbeit mittels programmierbarer Funkmodule Alternativen zu etablierten Kanalemulatoren sowie die Zahl und Anordnung von Beleuchtungsantennen für die Nachbildung räumlicher Eigenschaften erforscht. Im Bereich realer und virtueller Fahrtests mit vernetzten Automobilen bestehen die Ergebnisse dieser Arbeit aus einem Messkonzept für virtuelle Fahrtests mit dem Ziel der Nachbildung relevanter Ausbreitungseffekte aus realen Fahrtests. Als relevantes Testszenario wurden die Grenzbereiche zwischen Mobilfunkzellen, bzw. die Nachbarbasisstation als größter Störeinfluss, identifiziert. Anhand gezielter Regelung von Nutz- und Störsignalpegeln im virtuellen Test kann das Verhalten des Testgeräts an den kritischen Stellen in Nähe der Zellränder mit Schwankungen < 5 % nachgebildet werden. Dieses Konzept ermöglicht einen einfachen Test, ohne notwendigerweise detaillierte Kenntnis des Funkkanals haben zu müssen, indem der Fokus auf der Nachbildung von für die Übertragung kritischen Szenarien anstelle der Nachbildung eines spezifischen Funkkanals liegt.

Präzisionssysteme können durch die Verwendung von Werkstoffen mit dem gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten thermisch stabil realisiert werden. Häufig wird Naturstein für Präzisionsanwendungen verwendet, da dieser sehr fein bearbeitet werden kann, thermisch sowie mechanisch langzeitstabil und korrosionsbeständig ist. Die Gestaltungmöglichkeiten sind jedoch durch die kostspielige und zeitaufwendige Bearbeitung stark eingeschränkt. Ein vielversprechender Ansatz zur Herstellung von Präzisionsbauteilen für die gesamte Maschinenstruktur ist die Verwendung von speziellen selbstverdichtenden Betonen (SCC=Self Compacting Concrete). Mit Beton als Alternativmaterial können vergleichbare mechanische Eigenschaften erzielt und wesentliche Gestaltmerkmale urformend hergestellt werden. Durch die niedrigen Materialkosten amortisieren sich die Werkzeugkosten schon bei kleinen Losgrößen. Teile aus SCC weisen im Herstellungsprozess ein zeit- und klimaabhängiges Schrumpfen und Quellen auf, womit Änderungen in der Bauteilgestalt verbunden sind. Allerdings konnte die Stabilisierungszeit beim Aushärteprozess deutlich verkürzt werden. In einer Langzeitstudie über fast zehn Jahre wurde eine mit Naturstein vergleichbare Formstabilität belegt. Darüber hinaus wurde eine Simulationsmethode entwickelt, um die Formänderung komplexer Geometrien vorherzusagen. Mit diesem Werkzeug kann eine Schalungsgeometrie entwickelt werden, die zu einem Fertigteil führt, welches annähernd der idealen Geometrie entspricht. SCC kann auch als alternatives Material für Teile mit hoher spezifischer Steifigkeit in beweglichen Maschinenstrukturen eingesetzt werden. Um eine mit Stahl- oder Aluminiumleichtbauteilen vergleichbare Zuverlässigkeit zu gewährleisten, muss die Betriebsfestigkeit verbessert werden. Der Einsatz von Stahl– oder Kohlefasern als Bewehrung ist nicht sinnvoll, da diese zu inhomogenem thermischen Verhalten führen. Alternativ kann eine Armierung durch die Aufbringung von organo–funktionellen Beschichtungen mit erhöhter Zugfestigkeit erfolgen. Die Wirkungsmechanismen und Zusammenhänge mit der Dauerfestigkeit wurden analysiert, um eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Beschichtungseinflusses zu entwickeln. Abschließend erfolgt die Übertragung der Ergebnisse auf ein Verfahren zur Vorhersage der Betriebsfestigkeitssteigerung von beschichteten Betonbauteilen mit beliebiger Geometrie.

Transkranielle Magnetstimulation (TMS) ist ein nicht-invasives Hirnstimulationsverfahren, das im Klinik- und im Forschungsalltag eingesetzt wird, um kausale Struktur-Funktions-Beziehungen im menschlichen Gehirn zu identifizieren. Mittels eines induzierten elektrischen Feldes wird durch Depolarisierung kortikaler Neuronen aktiv in die Verarbeitung lokal begrenzter Hirnregionen eingegriffen. Allerdings beschränkt die hohe Autokorrelation des induzierten elektrischen Feldes eine präzise Lokalisation des TMS Effekts im kortikalen Gewebe. In dieser Arbeit präsentiere ich ein neues Paradigma, das aktuelle Entwicklungen im Bereich Feldmodellierung verwendet, um die räumliche Auflösung von TMS Lokalisation signifikant zu erhöhen. Stimulationsreaktionen auf verschiedene Stimulationsorte werden in einer Analyse kombiniert um die involvierten Neuronenpopulationen zu identifizieren. Die Stimulation wird quantifiziert mittels hochauflösender Feldberechnungen, um eine realistische Abschätzung der kortikalen Stimulation zu erzielen. Die Güte des funktionalen Zusammenhangs zwischen Feldexposition und modulierten Verhalten wird genutzt, um die involvierte Neuronenpopulation zu identifizieren. Als erste Annäherung verwende ich Input-Output-Kurven für eine Reihe von Stimulationsorten um Muskelrepräsentationen im primären Motorkortex zu lokalisieren. Ich validiere die Ergebnisse experimentell mit Hilfe der Ruhemotorschwelle um die praktische Relevanz einer präzisen Lokalisation aufzeigen. Anschließend entwickele ich einen generalisierten Ansatz, der Stimulationen an beliebigen Orten zulässt, um die praktische Durchführbarkeit und Effizienz zu erhöhen. Diese Implementierung ermöglicht eine robuste und präzise Lokalisierung mehrerer Muskelrepräsentationen zugleich. Um die Einsetzbarkeit dieser Methode zu gewährleisten ist die gesamte Routine, inklusive aller Auswertungsskripte und eines Beispieldatesatzes, im Detail beschrieben und veröffentlicht. Die Verwendung von Aktivierungsfunktionen zur Lokalisierung von Funktionen im Kortex ermöglicht die Verwendung einer Dosierungsmetrik, die auf individuellen, kortikalen Stimulationsschwellen basiert. Eine präzise, individualisierte Dosierungsmetrik kann dazu beitragen, die Sensitivität und Spezifität von TMS signifikant zu erhöhen.

Die aktive Vermeidung mittelfrequenter Fehler (MSFE) ist eine Herausforderung in der modernen Optikfertigung von Asphären und Freiformen. Während Formfehler durch entsprechende lokale Korrekturverfahren beseitigt und auch die spezifizierten Oberflächenrauheiten über entsprechende Glättprozesse erreicht werden können, limitieren die MSFE die erreichbaren optischen Qualitäten. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb insbesondere die Entstehungsmechanismen von MSFE systematisch erforscht und beschrieben. Ziel ist es, Entstehungsmechanismen von MSFE zu identifizieren und konkrete Vermeidungsstrategien für bestehende Produktionsprozesse von Präzisionsoptiken abzuleiten. Die Vorhersage beim Schleifen entstehender MSFE mittels Simulationsmodellen stellt einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit dar. Das Schleifen im Punktkontakt ist bei der Herstellung asphärischer Geometrien und Freiformen aufgrund der lokalen Krümmungsänderungen technisch notwendig. Es ist somit für die Geometrien von Präzisionsoptiken der produktionstechnische Standard und stellt daher meist den ersten Schritt der Prozesskette dar. In der vorliegenden Dissertationsschrift werden die Entstehungsmechanismen von MSFE beim Schleifen im Punktkontakt experimentell untersucht und beschrieben. Die Experimente wurden unter realistischen Produktionsbedingungen mittels dem aktuellen Stands der Technik entsprechenden Prozessen im Bereich der Fertigung von Präzisionsoptiken hergestellt. Zur Auswertung der Ergebnisse wurden sowohl kommerziell verfügbare als auch eigens für diese Arbeit entwickelte Softwarelösungen verwendet. Auf Basis der aus den Experimenten abgeleiteten Erkenntnisse wird ein modellbasierter Ansatz zur Simulation der Entstehung von MSFE beim Schleifen im Punktkontakt entwickelt. Das Simulationsmodell wird anhand von real gemessenen MSFE und den zugehörigen Bearbeitungsparametern überprüft und verifiziert. Es werden neue Ansätze zur Auswertung von MSFE sowie der Charakterisierung von Polierwerkzeugen diskutiert. Der Entstehungsmechanismus von MSFE im Schleifprozess wird umfassend beschrieben und simulativ verifiziert.

Die Steuerung fahrzeugtechnischer und nicht-fahrzeugtechnischer Systeme wird mit zunehmender Vernetzung und Digitalisierung in ihrer Komplexität weiter zunehmen. Die an vielen Stellen manuelle Parametrierung dieser Systeme stößt dabei zunehmend bezüglich Zeit und Kosten an ihre Grenzen. Seit 2010, als der Grafikkartenhersteller NVIDIA mit dem CUDA Toolkit eine Möglichkeit erschuf, Matrixrechenopperationen schnell und effizient auf Graphic Processing Units (GPUs) durchführen zu können, erhielt das maschinelle Lernen (konkreter - Deep Learnings) neue Möglichkeiten sich zu entwickeln. Seitdem hat sich die Nutzung künstlicher neuronaler Netze als Funktionsapproximator für verschiedene Bereiche der Wissenschaft und Technik enorm weiterentwickelt. Dabei wird es möglich real gemessene Daten zu verwenden, um Systemabbildungen (Simulationen) zu erzeugen, ohne den Umweg über eine analytische und/oder numerische Methode gehen zu müssen (welche nach Modellbildung immer mit realen Messwerten validiert werden muss). Ziel ist es ein System ohne Zuhilfenahme menschlicher Arbeitskraft vollautomatisch Regeln zu können. So soll es möglich sein, neu entwickelte und produzierte Maschinen schnell und effizient mithilfe von Aktuatoren und elektronischen Steuerelementen nach spezifischen Vorgaben einsatzfähig zu bekommen. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methodik, durch überwachtes Lernen (Supervised Learning) datenbasierte Modelle, sogenannte digitale Zwillinge zu entwickeln. Mithilfe künstlicher neuronaler Netze werden stationäre und instationäre Modelle entwickelt und es werden statistischen Methoden zur Datenaufbereitung erläutert. Digitale Zwillinge sind nötig, da reale Umgebungen wie Prüfstände oder Maschinen teuer im Betrieb und langsam bei der Zustandsraumdurchschreitung sind. Nach erfolgreicher Generierung eines digitalen Zwillings wird bestärkendes Lernen (Reinforcement Learning) genutzt, autonom komplexe und mehrdimensionale Zustandsräume zu untersuchen und selbstständig Regelstrategien zu entwickeln. In Summe werden also digitale Zwillinge des Supervised Learnings auf Basis real gemessener Daten als Simulationsumgebungen genutzt, um mithilfe der Algorithmen des Reinforcement Learnings, selbstständig arbeitende Agenten zu trainieren. Drei Systeme werden dabei abgebildet. Ein Rohrsystem, ein semiaktiver Stoßdämpfer und ein Abgasturbolader. Am Beispiel des Abgasturboladers wird gezeigt, wie gut Reinforcement Learning im Vergleich zum klassischen PID Regler performt, dass die Methodik prinzipiell funktioniert, es aber noch weiterer Entwicklung bedarf, um tatsächlich direkt Verwendbare Regelalgorithmen zu erhalten, die denen klassischer Vorgehensweisen von heute ebenbürtig (oder gar überlegen) sind.

Die Verbesserung der Metallurgie hält mit der Entwicklung der menschlichen Zivilisation Schritt. Aufstrebende Nanotechnologie-Industrien fördern kontinuierlich traditionelle metallurgische Untersuchungen bis hinunter in den Nanobereich. Daher wird ein neuer Begriff, Nanometallurgie, vorgeschlagen, um sich besser an die aufkommenden interdisziplinären Domänen anzupassen. Um die Mechanismen hinter verschiedenen nanometallurgischen Prozessen zu verstehen, sind zahlreiche Studien erforderlich, die für die maßgeschneiderte Herstellung von Nanostrukturen für unterschiedliche Anforderungen erforderlich sind. Die aktuelle Dissertation konzentriert sich auf das Wachstum zweier unterschiedlicher eindimensionaler Nanostrukturen: SiOx-Nanodrähte, katalysiert durch metallische Dünnfilme und CuO-Whisker, induziert durch thermische Oxidation. Die Bildung von SiOx-Nanodrähten basiert auf der Änderung des physikalischen Zustands der Si-Quelle ist gut etabliert. Es wurde jedoch nur wenig an der Existenz und Konkurenz mehrerer Si-Quellen geforscht. Nach dem schnellen hermischen Prozessieren von SiO2/Si-Systemen, die mit metallischen Einzel- oder Doppelschichten in einer reduzierenden Atmosphäre abgeschieden wurden, werden drei Si-Quellen, erstens Si-Diffusion aus dem Substrat, zweitens SiO-Gas aus der SiO2-Zersetzung und drittens aus der Si-Aktivoxidation identifiziert. Ihre relative Beteiligung und Einfluß hängt von dem Dicken der SiO2-Schichten ab. Zunehmende Dicke der SiO2-Schicht behindert die Si-Diffusion und die Zersetzung der SiO2-Schicht, was die Konzentrationen der zersetzten Bereiche verringert und wiederum die aktive Si-Oxidation schwächt. Außerdem werden die Einflüße verschiedener Si-Quellen durch die Glühzeit, Temperatur und Atmosphäre gesteuert. Daher wird eine kontrollierbare Bildung verschiedener Au-SiOx-Nanostrukturen erreicht, indem unterschiedliche Dicken der SiO2-Schicht und Temperparameter entworfen werden. Zwei nanometallurgische Prozesse, der Kirkendall-Effekt im Nanomaßstab und das Wachstum von Oxid-Nanodrähten während der Oxidation von Metallen, haben große Aufmerksamkeit erhalten. Ihre Entwicklung hängt stark von der Oxidationsgeschwindigkeit ab. In Anbetracht der Tatsache, dass die Oxidation normalerweise ein diffusionskontrollierter Prozess ist und das Legieren ein üblicher Weg ist, um die Diffusion verschiedener Metalle zu kontrollieren, werden gemischte und facettierte Au-Cu-Nanopartikel durch die Festkörperentnetzung der Au/Cu-Doppelschicht gebildet. Die Existenz von Kirkendall-Hohlräumen und CuO-Whiskern kann durch Oxidation bei unterschiedlichen Temperaturen beobachtet werden, was zur Bildung von Au-CuO-Nanostrukturen führt. Darüber hinaus wird das Oxidationsverhalten von Cu auf verschiedenen Facetten von Au-Cu-Nanopartikeln überprüft und mit den Oxidationsraten von Kristallebenen in Beziehung gesetzt.

In den vergangenen Jahrzehnten haben drahtlose Kommunikationssysteme eine rasante Entwicklung durchgemacht und es wurden viele Untersuchungen durchgeführt, seit Maxwell die Existenz von elektromagnetischer Wellen vorausgesagt hat. In den letzten Jahren hat die Forschung im Bereich der vehicle to X (V2X)-Kommunikation stetig zugenommen. V2X beschreibt die Fähigkeit, Daten zwischen einem Fahrzeug oder vehicle (V) und “allem” zu übertragen. In Zukunft könnten Fahrzeuge mit ihrer Umgebung kommunizieren, um Verkehrsunfälle zu vermeiden und Staus zu verringern. Dazu werden sie ihr Geschwindigkeits- und Positionsdaten über Ad-hoc-Fahrzeugnetze senden und empfangen können. Um die Verkehrssicherheit zu erhöhen, ist eine zuverlässige Kommunikationsverbindung notwendig. Die größte Herausforderung bei der Fahrzeugkommunikation besteht darin, dass sich die Eigenschaften des Physical Layers aufgrund der inhärenten Mobilität innerhalb des Kanals, der hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, der unterschiedlichen Antennenpositionen und der vielen Handover aufgrund kleinerer Zellen schnell ändern. Dies bringt eine Reihe von Herausforderungen in Bezug auf die Kanalcharakterisierung mit sich. Es handelt sich um einen Kanal mit starker Zeitvarianz und es treten viele Übergänge auf. Somit handelt es sich um einen nicht-stationärer (non-stationary) Kanal. Das Hauptziel dieser Untersuchung ist es, eine Methode zu finden, mit der der Kanal einer komplexen Umgebung in einer einfachen Form mit weniger strengen Beziehungen zur Geometrie dargestellt werden kann. Dabei werden die statistischen Eigenschaften ähnlich der Messdaten beibehalten. In dieser Arbeit werden nichtstationäre tapped delay line (TDL)-Modelle verwendet, um vehicle to infrastructure (V2I)-Kanäle zu beschreiben. Es wird eine neue Strategie zur Extraktion von TDL-Kanalmodellparametern aus Messdaten vorgeschlagen. Dieser Ansatz basiert auf einer bestehenden Methode zur Ableitung von Parametern für ein TDLModell. Es wird gezeigt, dass mit einer anderen Methode zur Auswahl der Taps die Anzahl der Abgriffe, die zur Rekonstruktion der root mean square delay spread (RMS-DS) eines Kanals erforderlich sind, erheblich reduziert werden kann. Ein neuer Ansatz zur überprüfen der Korrektheit der Ableitung der Kanalmodellparameter wird aufgezeigt. Die Durchführbarkeit der Methode wird anhand von Channel Sounding Messungen bestätigt. In dieser Dissertation wird ein Generator zur Erzeugung von Kanalimpulsantworten entwickelt und das nichtstationäre Verhalten der Kanäle durch die Verwendung eines ON/OFF-Prozesses beschrieben. Es werden Markov-Ketten unterschiedlicher Ordnung modelliert, um das nicht-stationäre Verhalten besser zu erfassen. Die Untersuchung zeigt, dass Markov-Ketten erster Ordnung mit zwei Zuständen vorzuziehen sind, um das häufige ON/OFF-Verhalten von Mehrwegpfaden darzustellen, und dass die Markov-Modelle zweiter und dritter Ordnung keine großen Auswirkungen haben. Eine Methode zur Erweiterung eines single input single output (SISO)-TDL-Modells auf multiple input multiple output (MIMO) unter der non-wide sense stationary uncorrelated scattering (non-WSSUS)-Annahme wird eingeführt, um TDL-Kanalmodelle für V2I MIMO-Systeme zu entwickeln. Die Analyse bewertet die SISO- mit der MIMO-Konfiguration in Bezug auf die Kanalkapazität. Es werden verschiedene MIMO-Konfigurationen untersucht, und es wird gezeigt, dass die Position der Antennen eine wichtige Rolle spielt. Die Verwendung von nur vier Antennen am transmitter (Tx) und receiver (Rx), die in unterschiedliche Richtungen abstrahlen, führt zu einem qualitativen Sprung in der Leistungsfähigkeit des Systems.

Der Einsatz von herkömmlicher, infraroter Laserstrahlung für das Schweißen von Kupfer ist mit zahlreichen Herausforderungen, wie der Bildung von Prozessporen, Spritzern und Materialauswürfen verbunden. Ein Optimierungsansatz stellt diesbezüglich die Verwendung von grüner und blauer Laserstrahlung dar. Aufgrund der höheren Absorption von Laserstrahlung in diesem Wellenlängenbereich lassen sich geringe Aspektverhältnisse der Dampfkapillare beim Schweißen realisieren (Verhältnis Tiefe zu Breite: < 5), was zur Stabilisierung der Dampfkapillare und zur Reduzierung auftretender Prozessinstabilitäten und Nahtdefekte führt. Jedoch tritt in diesem Zusammenhang eine Art der Porenbildung auf, die bisher für das Laserstrahlschweißen von Kupferwerkstoffen nicht beobachtet wurde. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die zugrunde liegenden Wirkmechanismen dieser sogenannten Gasporenbildung untersucht. Durch die Applizierung definierter Umgebungsgasatmosphären während des Schweißprozesses konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die Gasporenbildung auf zwei unterschiedlichen Wirkmechanismen beruht, die der metallurgischen Porenbildung und der Reaktionsporenbildung. Es wurde gezeigt, dass die Gasporenbildung im Zusammenhang mit der Existenz von Stickstoff und Sauerstoff im Umgebungsgas steht. Während die Aufnahme von Stickstoff zur metallurgischen Porenbildung führt, ist die gleichzeitige Aufnahme von Stickstoff und Sauerstoff, beispielsweise beim Schweißen unter atmosphärischer Luft, mit der Bildung von Reaktionsporen verbunden. Mittels der Methode der Heißgasextraktion konnte die Existenz dieser Elemente im Schweißgut nachgewiesen, und damit deren Aufnahme während des Schweißens im schmelzflüssigen Kupfer gezeigt werden. Das Auftreten von metallurgischer Porenbildung und Reaktionsporenbildung wurde im Rahmen dieser Arbeit in einer modellhaften Vorstellung zusammengeführt, welche durch die Ergebnisse unterschiedlicher experimenteller Untersuchungen gestützt wird. Ferner konnte gezeigt werden, dass zudem ein werkstoffseitiger Einfluss auf die Gasporenbildung besteht, der auf den Restsauerstoffgehalt des Grundmaterials zurückzuführen ist. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden zahlreiche Maßnahmen zur Reduzierung oder Vermeidung der Porenbildung abgeleitet.

In dieser Arbeit werden drei grundlegende Probleme der Modellierung von Drahtloskanälen für die Anwendung bei der Funkkanalmodellierung im Millimeterwellenbereich (mmWave) untersucht, nämlich (i) die Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung, (ii) der Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells und (iii) der Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Die detaillierte Beschreibung dieser Probleme lautet wie folgt: (i) Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung. Mehrband-Messkampagnen werden mit Richtantennen durchgeführt, die eine omnidirektionale Abtastung der Ausbreitungsumgebung vornehmen. Während der Messungen werden die Tx-Rx-Systeme an festen Positionen platziert und die Ausbreitungsumgebung bleibt so statisch wie möglich. Mit Hilfe von synthetisierten omnidirektionalen Verzögerungs-Leistungsprofilen soll untersucht werden, ob es eine Frequenzabhängigkeit in der Mehrwegeausbreitungsstatistik gibt, z.B. in der Verzögerung und der Winkelspreizung. (ii) Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells. Es werden Messungen des schnellen Schwunds durchgeführt, die ein Szenario emulieren, bei dem eine Funkverbindung über ein einzelnes Mehrwege-Cluster aufgebaut wird, das mit Antennen mit unterschiedlichen Strahlbreiten ausgeleuchtet wird. Das Hauptziel ist hier die Untersuchung des Einflusses der räumlichen Filterung auf den schnellen Schwund aufgrund der hohen Antennenrichtwirkung. Insbesondere wird die Auswirkung auf Variationen der Empfangssignalstärke und die Gültigkeit der Annahme der schmalbandigen Stationarität im weiteren Sinne (sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich) untersucht. (iii) Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Messungen des schnellen Schwunds werden verwendet, um Mehrwege-Cluster in einem Hörsaal-Szenario auszuleuchten. Das primäre Ziel ist es, den Einfluss einer hohen Systembandbreite auf die Variationen der Empfangssignalstärke, die Zufälligkeit des Kreuzpolarisationsverhältnisses und die Reichhaltigkeit der Mehrwegstreuung zu untersuchen. Basierend auf der Charakterisierung realistischer Funkkanäle führen die in dieser Dissertation vorgestellten Ergebnisse zu dem Verständnis, dass beim Übergang zu höheren Frequenzen die Frequenz x selbst keine signifikante Rolle bei der Definition der Kanalmodellierungsmethodik spielt. Vielmehr ist es von grundlegender Bedeutung, wie ein Ausbreitungskanal ausgeleuchtet wird. Daher zeigt sich, dass mmWave-Systemeigenschaften wie eine hohe Antennenrichtcharakteristik und Systembandbreite einen hohen Einfluss auf die Definition des Kanalmodells haben. Im Allgemeinen ist die Skalierung der Schwundtiefe als Funktion der Systembandbreite ziemlich gut verstanden. Wir zeigen, dass die hohe Antennenrichtwirkung von mmWave-Systemen zu einer weiteren Reduzierung der Schwundtiefe führt. Zusätzlich erforschen wir einige neue Richtungen in diesem Forschungsbereich, die auf der Analyse der Statistik zweiter Ordnung des Kanalimpulsantwort-Vektors basieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass die Schwund-Statistiken der auflösbaren Kanalabgriffe in einem mmWave-Funkkanal nicht als Rayleigh-Rice-verteilte Zufallsvariablen modelliert werden können. Dies liegt vor allem daran, dass durch die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen Kanäle mit spärlichen Streubedingungen ausgeleuchtet werden. Folglich ist die Annahme komplexer Gaus’scher Zufallsvariablen, die mit Rayleigh-Rice Schwundverteilungen verbunden ist, nicht mehr gültig. Des Weiteren wird gezeigt, dass die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen auch die Gültigkeit der Annahme von Stationarität im weiteren Sinne im Slow-Time-Bereich von mmWave-Funkkanälen in Frage stellt. Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse sind neuartig und bieten theoretisch konsistente Einblicke in den gemessenen Funkkanal.

Die Zündschutzart „druckfeste Kapselung“ ist ein im Bereich des Explosionsschutzes häufig verwendetes Schutzprinzip, bei dem verhindert werden soll, dass eine eventuell im Inneren eines Gerätes auftretende Explosion nach außen dringt, um eine dort potenziell vorhandene explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden. Bei der Konformitätsbewertung solcher Geräte ist die dynamische Messung von Explosionsdrücken eine der wesentlichen Prüfungen und im Einzelnen von sicherheitstechnischer Relevanz. Im Kontext der gegenseitigen Anerkennung von Messergebnissen ist es darüber hinaus von sehr großer Bedeutung, eine vergleichbare Qualität bei der Messung zu gewährleisten. Ringvergleichsprogramme haben gezeigt, dass diese vergleichbare Qualität nicht durchweg gegeben ist. Die Identifizierung der relevanten Einflussgrößen bei der Messung von Explosionsdrücken, die daraus resultierenden Folgen für die Vergleichbarkeit und die Diskussion von Maßnahmen zum Umgang mit diesen Einflussfaktoren sind wesentlicher Gegenstand dieser Arbeit. Dafür wurden einerseits die Messungen und Prüfparameter der am Ringvergleich teilnehmenden Prüflaboratorien analysiert. Andererseits wurden eigene experimentelle Untersuchungen unter Verwendung unterschiedlicher Prüfmuster, Prüfaufbauten und Prüfparameter durchgeführt. Mit dem Einfluss von Anfangsdruck und -temperatur des explosionsfähigen Gemisches, dem Einfluss des Thermoschockes sowie der Beschleunigungsempfindlichkeit der Drucksensoren ergeben sich drei signifikante Einflussgrößen im Zuge dieser Studien. Im Ergebnis resultieren aus den Untersuchungen anwendbaren Korrekturrechnungsverfahren für die Messgröße, geeignete Präparationsmöglichkeiten für die Drucksensoren sowie Filter- und Verrechnungsverfahren für die Messdaten, um die Einflussgrößen zu reduzieren und die Vergleichbarkeit zu erhöhen. Darüber hinaus wird mittels einer Messunsicherheitsbetrachtung aufgezeigt, dass die üblicherweise verwendete Messkette eine hohe Genauigkeit aufweist und damit eine eher untergeordnete Rolle bezüglich einer Einflussgröße auf den Explosionsdruck einnimmt. Diese Arbeit trägt allgemein zum praktischen und metrologischen Verständnis bei der dynamischen Messung sicherheitsrelevanter Explosionsdrücke bei, nicht zuletzt dadurch, dass die resultierenden Erkenntnisse die internationale Normung im Bereich der druckfesten Kapselung aktiv unterstützen.

Hintergrund. Ein farbverfälschender Bildfehler namens Color Break-Up (CBU) wurde untersucht. Störende CBU-Effekte treten auf, wenn Augenbewegungen (z.B. Folgebewegungen oder Sakkaden) während der Content-Wiedergabe über sogenannte Field-Sequential Color (FSC) Displays oder Projektoren ausgeführt werden. Die Ursache für das Auftreten des CBU-Effektes ist die sequenzielle Anzeige der Primärfarben über das FSC-System. Methoden. Ein kombiniertes Design aus empirischer Forschung und theoretischer Modellierung wurde angewendet. Mittels empirischer Studien wurde der Einfluss von hardware-, content- und betrachterbasierten Faktoren auf die CBU-Wahrnehmung der Stichprobe untersucht. Hierzu wurden zunächst Sehleistung (u. a. Farbsehen), Kurzzeitzustand (u. a. Aufmerksamkeit) und Persönlichkeitsmerkmale (u. a. Technikaffinität) der Stichprobe erfasst. Anschließend wurden die Teilnehmenden gebeten, die wahrgenommene CBU-Intensität verschiedener Videosequenzen zu bewerten. Die Sequenzen wurden mit einem FSC-Projektor wiedergegeben. Das verwendete Setup ermöglichte die Untersuchung folgender Variablen: die Größe (1.0 bis 6.0&ring;) und Leuchtdichte (10.0 bis 157.0 cd/m2) des CBU-provozierenden Contents, das Augenbewegungsmuster des Teilnehmenden (Geschwindigkeit der Folgebewegung: 18.0 bis 54.0 &ring;/s; Amplitude der Sakkade: 3.6 bis 28.2&ring;), die Position der Netzhautstimulation (0.0 bis 50.0&ring;) und die Bildrate des Projektors (30.0 bis 420.0 Hz). Korrelationen zwischen den unabhängigen Variablen und der subjektiven CBU-Wahrnehmung wurden getestet. Das ergänzend entwickelte Modell prognostiziert die CBU-Wahrnehmung eines Betrachters auf theoretische Weise. Das Modell rekonstruiert die Intensitäts- und Farbeigenschaften von CBU-Effekten zunächst grafisch. Anschließend wird die visuelle CBU-Rekonstruktion zu repräsentativen Modellindizes komprimiert, um das modellierte Szenario mit einem handhabbaren Satz von Metriken zu quantifizieren. Die Modellergebnisse wurden abschließend mit den empirischen Daten verglichen. Ergebnisse. Die hohe interindividuelle CBU-Variabilität innerhalb der Stichprobe lässt sich nicht durch die Sehleistung, den Kurzzeitzustand oder die Persönlichkeitsmerkmale eines Teilnehmenden erklären. Eindeutig verstärkende Bedingungen der CBU-Wahrnehmung sind: (1) eine foveale Position des CBU-Stimulus, (2) eine reduzierte Stimulusgröße während Sakkaden, (3) eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit des Auges und (4) eine niedrige Bildrate des Projektors (Korrelation durch Exponentialfunktion beschreibbar, r2 > .93). Die Leuchtdichte des Stimulus wirkt sich nur geringfügig auf die CBU-Wahrnehmung aus. Generell hilft das Modell, die grundlegenden Prozesse der CBU-Genese zu verstehen, den Einfluss von CBU-Determinanten zu untersuchen und ein Klassifizierungsschema für verschiedene CBU-Varianten zu erstellen. Das Modell prognostiziert die empirischen Daten innerhalb der angegebenen Toleranzbereiche. Schlussfolgerungen. Die Studienergebnisse ermöglichen die Festlegung von Bildraten und Eigenschaften des CBU-provozierenden Content (Größe und Position), die das Überschreiten vordefinierter, störender CBU-Grenzwerte vermeiden. Die abgeleiteten Hardwareanforderungen und Content-Empfehlungen ermöglichen ein praxisnahes und evidenzbasiertes CBU-Management. Für die Vorhersage von CBU kann die Modellgenauigkeit weiter verbessert werden, indem Merkmale der menschlichen Wahrnehmung berücksichtigt werden, z.B. die exzentrizitätsabhängige Netzhautempfindlichkeit oder Änderungen der visuellen Wahrnehmung bei unterschiedlichen Arten von Augenbewegungen. Zur Modellierung dieser Merkmale können teilnehmerbezogene Daten der empirischen Forschung herangezogen werden.

Im Zuge eines ständig wachsenden Umweltbewusstseins werden anthropogene Schadstoffemissionen zunehmend kritisch begutachtet. Dies betrifft insbesondere auch Emissionen, die mit dem Individualverkehr in Verbindung stehen. In der Vergangenheit hat besonders das Schädigungspotential von Abgasemissionen einen hohen Bekanntheitsgrad erlangt. Infolge der gesetzlichen Festlegung von Abgasgrenzwerten und den daraus resultierenden technischen Abhilfemaßnahmen, konnte die Schadstoffbelastung der Außenluft, trotz erheblich gestiegenem Fahrzeugaufkommen, deutlich reduziert werden. Abgasferne Feinstaubemissionen, die durch den Abrieb von Bremsen, Reifen und der Fahrbahn erzeugt werden, unterliegen hingegen keiner Regulierung. Es wird jedoch angenommen, dass diese bereits die größte fahrzeugbezogene Feinstaubquelle darstellen. Hieraus folgen Regulierungsbestrebungen, die in Bezug auf Bremsstaubemissionen bereits ein fortgeschrittenes Stadium erreicht haben. Die Regulierung von Reifenemissionen wird, aufgrund der Vielzahl der Einflussgrößen, gegenwärtig als zu komplex eingestuft. Im Zuge der Elektrifizierung des Antriebstranges ist damit zu rechnen, dass Abgas- und Bremsstaubemissionen an Bedeutung verlieren werden. Folglich könnte der Reifen als letzte fahrzeugbezogene Schadstoffquelle verbleiben. Der Reifenabrieb gilt zudem als insgesamt größte Mikroplastikquelle. Aufgrund dieser Vorrausetzungen ist mit einem erheblichen medialen und politischen Druck zu rechnen, der in Richtung einer Regulierung abzielt. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Identifikation und Beschreibung von Einflussgrößen, die mit dem Emissionsprozess von Reifenpartikeln in Verbindung stehen. Dies umfasst die Entstehung und Messung von Reifenemissionen sowie deren Ausbreitung in der Umwelt. Hierfür wurden Methoden erarbeitet, die eine prozessübergreifende Einflussgrößenbewertung ermöglichen. Die Arbeit ist in drei Themenkomplexe untergliedert. Der erste Themenkomplex ist der Analyse der Partikel-Strömungs-Interkation gewidmet. Das Verständnis des Partikelverhaltens in Abhängigkeit der Partikelgröße und den Strömungseigenschaften ist insbesondere für die Bewertung der Messfähigkeit von Reifenemissionen sowie deren Ausbreitung in der Umwelt von Relevanz. Der zweite Themenkomplex behandelt die Messung von Reifenemissionen im Fahrversuch, wobei der Zusammenhang zwischen dem Fahrzustand und der Partikelentstehung im Vordergrund steht. Abschließend wird eine Simulationsmethode beschrieben, die es erstmalig erlaubt, die Entstehung von Reifenemissionen vorherzusagen und deren Ausbreitung in der Umwelt nachzuvollziehen. Das Ziel der Arbeit bestand darin, die wichtigsten Einflussgrößen, die sowohl die Emission von Reifenpartikeln als auch deren Immissionswirkung betreffen, qualitativ zu beschreiben.

Die Heteroepitaxie von III-V auf Si und Ge Substraten eignet sich für kostengünstige, qualitativ hochwertige Epitaxieschichten, die eine geeignete Bandlücke für Mehrfachsolarzellen aufweisen. Jedoch ist die III-V-Heteroepitaxie auf diesen Substraten aufgrund von Antiphasengrenzen, die durch polares III-V Wachstum auf den unpolaren Substraten entstehen, eine Herausforderung. Außerdem müssen Kristalldefekte, die sich an der Heterogrenzfläche III-V/Substrate bilden können und dann in den III-V-Schichten die solare Konversionseffizienz erheblich beeinträchtigen, unbedingt vermieden werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Präparation von Si- und Ge-Oberflächen mit wohldefinierten Heterogrenzflächen sowie das nachfolgende Wachstum von GaP- und III-P- Schichten mit geringen Defektdichten mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung, die präzise kontrollierte, auf industriellen Maßstab skalierbare Epitaxie von III-V-Halbleitern mit hoher Reinheit ermöglicht. Für das Wachstum von GaP auf Si wurde die Ausbildung von Doppelstufen auf der Arsen-terminierten Si(100)-Oberfläche und die dazugehörige Dimerorientierung durch Variation der Prozessparameter (Temperatur, Druck, Arsenquelle) genau kontrolliert. Um die Kristallqualität der GaP-Pufferschicht zu verbessern, wurde die Pulsabfolge der Ga- und P-Präkursoren für die Nukleation modifiziert, indem die ersten fünf TEGa-Pulse durch TMAl ersetzt wurden. Die kristallinen Defekte wurden mittels “Electron channeling contrast imaging” (ECCI) untersucht. Die quantitative Analyse der Defekte zeigte, dass bei GaP, das auf einer GaP/AlP Nukleationsschicht gewachsen wurde, im Durchschnitt die Dichte von Durchstoß-versetzungen (engl. threading dislocations, TDs) und Stapelfehlern (engl. stacking faults, SFs) um eine bzw. zwei Größenordnungen reduziert werden konnte, verglichen mit Pufferschichten, die auf einer binären GaP Nukleationsschicht gewachsen wurden. Bei der Heteroepitaxie von III-P/Ge(100) ist ein erster Prozessschritt vor dem eigentlichen Wachstum entscheidend, bei dem die Ge(100):As-Oberfläche dem TBP-Precursor ausgesetzt wird, um die As-Atome durch P-Atome zu ersetzen. Unterschiedliche molare Flüsse des TBP-Precursors während dieses Prozessschritts beeinflussen die chemische Zusammensetzung sowie die Oberflächenrekonstruktion der Ge(100):As-Oberflächen; außerdem wirken sich die molaren Flüsse des TBP-Angebots auf die Bildung von Defekten in der III-P-Schicht aus. Diese Arbeit hat somit gezeigt, dass beim Wachstum von III-V-Verbindungshalbleitern auf Si und Ge eine genau kontrollierte Heterogrenzfläche erforderlich ist, um die hohe Kristallqualität der III-V-Schichten zu erreichen.

Das Folienhinterspritzen ist ein spezielles Spritzgießverfahren zur Dekoration und Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen. Dabei wird eine transparente Kunststofffolie bedruckt, verformt und hinterspritzt. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der Oberflächenqualität und den zahlreichen Dekorationsmöglichkeiten. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten, die sich meist nur durch hohe Stückzahlen und einer Vollauslastung der Maschine rechtfertigen lassen. Ansatzpunkte, die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, liegen in der Reduzierung der Zykluszeiten und der Ausschussraten. Typische Fehlerbilder beim Folienhinterspritzen sind die Auswaschung der aufgedruckten Dekore durch den Hinterspritzvorgang, Gestaltabweichungen wie Verzug und die Ablösung der Folie vom Träger. Der Arbeit liegt die These zugrunde, dass die Formteilqualität auf die Wechselwirkung zwischen thermischen und mechanischen Randbedingungen zurückgeführt werden kann. Basierend auf einer systematischen Verfahrensanalyse und einer analytischen Betrachtung der thermischen und mechanischen Einflussfaktoren, wird ein grundlegendes Prozessverständnis erarbeitet. Dies erfolgt unter Berücksichtigung von Prozess-, Material- und Geometriegrößen. Auswaschungen resultieren aus thermischen und mechanischen Folienbelastungen. Dabei können zwei wesentliche Entstehungsmechanismen abgeleitet werden, die von der Wandschubspannung und den Temperaturen abhängen. Es wird gezeigt, dass die Wirkungsweise von Schmelzetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit von der Höhe der Wandschubspannung abhängt. Die Verbundfestigkeit wird anhand von bedruckten und unbedruckten Folien untersucht, wobei sich unterschiedliche Zusammenhänge zeigen. Während bei unbedruckten Folien die Verbundfestigkeit mit der thermischen Energie in der Grenzschicht steigt, liegt der Einfluss der Prozessparameter bei bedruckten Folien im Bereich der doppelten Standardabweichung. Ferner wird in der vorliegenden Arbeit erstmals die Orientierung betrachtet. Dabei zeigt sich ein vom Fließweg abhängiger Orientierungsverlauf sowie eine Abnahme der Orientierung mit den Temperaturen. Analog hierzu nimmt auch der Formteilverzug mit einem steigenden Temperaturniveau ab, da hohe Temperaturen zu einer Reduzierung der Schwindungsdifferenzen zwischen Folie und Träger führen. Abschließend werden die Erkenntnisse in einem qualitativen Prozessmodell zusammengefasst, das die Haupteinflussfaktoren auf die Formteilqualität beinhaltet und eine Prozessoptimierung zulässt.

Inhalt dieser Arbeit sind Untersuchungen zu den statischen und insbesondere dynamischen Eigenschaften von Wägesystemen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK). Für diesen Waagentyp ergeben sich aufgrund der im Jahr 2019 erfolgten Neudefinition des Kilogramm neue Anwendungsfelder, in denen die Definition in Form einer Kibble-Waage direkt in einem Kraftmess- oder Wägesystem umgesetzt wird. Eine derartige Entwicklung, die als Tischgerät konzipiert ist und daher auch als ”table top Kibble Balance” bezeichnet werden kann, stellt die Planck-Waage dar, die in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und dem Institut für Prozessmess- und Sensortechnik (IPMS) der TU Ilmenau auf Basis von kommerziellen EMK-Wägezellen umgesetzt wurde. Aufgrund der prinzipbedingten dynamischen Anregung der Wägezelle und der Notwendigkeit einer rückführbaren Messung der beteiligten elektrischen Größen ergeben sich neuartige Fragestellungen bei der Charakterisierung und metrologischen Bewertung von EMK-Wägezellen. Einen signifikanten Einfluss auf die erreichbare Unsicherheit haben Winkelschwingungen bei der dynamischen Anregung so wie die relative Ausrichtung der Messachsen der Waage zu derjenigen des verwendeten Interferometers. Aufbauend auf Erfahrungen aus Untersuchungen an dynamischen EMK-Wägesystemen werden die Eigenschaften der sogenannten PB2-Variante der Planck-Waage untersucht und deren Auswirkungen auf die Unsicherheit der Massebestimmung analysiert. Dazu kommen verschiedene optische und elektrische Messsysteme zum Einsatz, deren Unsicherheitsbeiträge wiederum selbst berücksichtigt werden. Weiterhin wird ein Messablauf vorgestellt, der die Korrektion von Drifteffekten und die Minimierung des Spulenstromeffekts ermöglicht. Nach dem derzeitigen Stand können mit dem PB2-System Massebestimmungen mit einer relativen Unsicherheit von bis zu 2,5 × 10^-6 in einem Messbereich von 1 mg bis 100 g erreicht werden. Aus den durchgeführten Untersuchungen können jedoch Ansatzpunkte abgeleitet werden, die eine weitere Reduzierung der Unsicherheiten in folgenden Entwicklungen der Planck-Waage ermöglichen.

Elektromagnetische Ultrabreitband-Sensorik und -Bildgebung bieten vielversprechende Perspektiven für verschiedene biomedizinische Anwendungen, da diese Wellen biologisches Gewebe durchdringen können. Dabei stellt der Einsatz von leistungsarmen und nichtionisierenden Mikrowellen eine gesundheitlich unbedenkliche Untersuchungsmethode dar. Eine der Herausforderungen im Bereich der ultrabreitbandigen Mikrowellensensorik ist dabei die Extraktion der diagnostisch relevanten Informationen aus den Messdaten, da aufgrund der komplexen Wellenausbreitung im Gewebe meist rechenaufwändige Methoden notwendig sind. Dieses Problem wird wesentlich vereinfacht, wenn sich die Streueigenschaften des zu untersuchenden Objektes zeitlich ändern. Diese zeitliche Varianz der Streueigenschaften kann mit Hilfe einer Differenzmessung über ein bestimmtes Zeitintervall ausgenutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der differentielle Ansatz mittels Ultrabreitband-Sensorik für zwei medizinische Anwendungsszenarien betrachtet. Die dabei genutzten Messsysteme basieren auf dem M-Sequenzverfahren, welches an der Technischen Universität Ilmenau entwickelt wurde. Die erste Anwendung bezieht sich auf das nicht-invasive Temperaturmonitoring mittels Ultrabreitband-Technologie während einer Hyperthermiebehandlung. Hyperthermie ist eine Wärmetherapie zur Unterstützung onkologischer Behandlungen (z. B. Chemo- oder Strahlentherapie). Während einer solchen Behandlung wird das Tumorgewebe um 4 &ring;C bis 8 &ring;C erhöht. Dabei ist es wichtig, dass die Temperatur die obere Grenze von 45 &ring;C nicht überschreitet. In diesem Zusammenhang bietet das differentielle Ultrabreitband-Monitoring eine vielversprechende Technik zur kontinuierlichen und nicht-invasiven Messung der Temperatur im Körperinneren. Der Ansatz basiert auf den temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe. Dabei werden elektromagnetische Wellen mit einer geringen Leistung in das Untersuchungsmedium eingebracht, die sich gemäß den dielektrischen Eigenschaften von Gewebe ausbreiten. Wird eine Zielregion (bspw. Tumor) erwärmt, so ändern sich dessen dielektrische Eigenschaften, was zu einem sich ändernden Streuverhalten der elektromagnetischen Welle führt. Diese Änderungen können mittels Ultrabreitband-Sensorik erfasst werden. Für die Evaluierung der gemessenen Änderungen im Radarsignal ist es notwendig, die temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe im Mikrowellenfrequenzbereich zu kennen. Aufgrund der wenigen in der Literatur vorhandenen temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe über einen breiten Mikrowellenfrequenzbereich werden in dieser Arbeit die dielektrischen Eigenschaften für Leber, Muskel, Fett und Blut im Temperaturbereich zwischen 30 &ring;C und 50 &ring;C von 500 MHz bis 7 GHz erfasst. Hierzu wird zunächst ein Messaufbau für die temperaturabhängige dielektrische Spektroskopie von Gewebe, Gewebeersatz und Flüssigkeiten vorgestellt und die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Messungen analysiert. Die Messdaten werden mit Hilfe eines temperaturabhängigen Cole-Cole Models modelliert, um die dielektrischen Eigenschaften für beliebige Werte im untersuchten Temperatur- und Frequenzbereich berechnen zu können. In einem weiteren Experiment wird die nicht-invasive Erfassung von Temperaturänderungen mittels Ultrabreitband-Technologie in einem experimentellen Messaufbau nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Temperaturänderung von 1 &ring;C zu Differenzsignalen führt, welche mit der genutzten Ultrabreitband-Sensorik (M-Sequenz) detektierbar sind. Die zweite Anwendung befasst sich mit der kontrastbasierten Mikrowellen-Brustkrebsbildgebung. Aufgrund des physiologisch gegebenen geringen dielektrischen Kontrastes zwischen Drüsen- und Tumorgewebe kann durch den Einsatz von Kontrastmitteln, im Speziellen magnetischen Nanopartikeln, die Zuverlässigkeit einer Diagnose verbessert werden. Der Ansatz beruht darauf, dass funktionalisierte magnetische Nanopartikel in der Lage sind, sich selektiv im Tumorgewebe zu akkumulieren, nachdem diese intravenös verabreicht wurden. Unter der Bedingung, dass sich eine ausreichende Menge der Nanopartikel im Tumor angesammelt hat, können diese durch ein äußeres polarisierendes Magnetfeld moduliert werden. Aufgrund der Modulation ändert sich das Streuverhalten der magnetischen Nanopartikel, was wiederum zu einem sich ändernden Rückstreuverhalten führt. Diese Änderungen können mittels leistungsarmen elektromagnetischen Wellen detektiert werden. In dieser Arbeit wird die Detektierbarkeit und Bildgebung von magnetischen Nanopartikeln mittels Ultrabreitband-Sensorik im Mikrowellenfrequenzbereich in Hinblick auf die Brustkrebsdetektion betrachtet. Dabei werden zunächst verschiedene Einflussfaktoren, wie die Abhängigkeit der Masse der magnetischen Nanopartikel, die Magnetfeldstärke des äußeren Magnetfeldes sowie die Viskosität des Umgebungsmediums, in das die Nanopartikel eingebettet sind, auf die Detektierbarkeit der magnetischen Nanopartikel untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine lineare Abhängigkeit zwischen dem gemessenen Radarsignal und der Masse der magnetischen Nanopartikel sowie einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Antwort der magnetischen Nanopartikel und der Feldstärke des äußeren Magnetfeldes. Darüber hinaus konnten die magnetischen Nanopartikel für alle untersuchten Viskositäten erfolgreich detektiert werden. Basierend auf diesen Voruntersuchungen wird ein realistischer Messaufbau für die kontrastbasierte Brustkrebsbildgebung vorgestellt. Die Evaluierung des Messaufbaus erfolgt mittels Phantommessungen, wobei die verwendeten Phantommaterialien die dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe imitieren, um eine möglichst hohe Aussagekraft der Ergebnisse hinsichtlich eines praktischen Messszenarios zu erhalten. Dabei wird die Detektierbarkeit und Bildgebung der magnetischen Nanopartikel in Abhängigkeit der Tumortiefe analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die magnetischen Nanopartikel erfolgreich detektiert werden können. Dabei hängt im dreidimensionalen Bild die Intensität des Messsignals, hervorgerufen durch die magnetischen Nanopartikel, von deren Position ab. Die Ursachen hierfür sind die pfadabhängige Dämpfung der elektromagnetischen Wellen, die inhomogene Ausleuchtung des Mediums mittels Mikrowellen, da eine gleichmäßige Anordnung der Antennen aufgrund der Magnetpole des Elektromagneten nicht möglich ist, sowie das inhomogene polarisierende Magnetfeld innerhalb des Untersuchungsmediums. In Bezug auf den letzten Aspekt wird das Magnetfeld im Untersuchungsbereich ausgemessen und ein Ansatz präsentiert, mit dem die Inhomogenität des Magnetfeldes kompensiert werden kann. Weiterhin wurden die Störeinflüsse des polarisierenden Magnetfeldes auf das Messsystem untersucht. In diesem Zusammenhang werden zwei verschiedene Modulationsarten (eine Modulation mit den zwei Zuständen AN/AUS und eine periodische Modulation) des äußeren polarisierenden Magnetfeldes analysiert. Es wird gezeigt, dass mit beiden Modulationen die magnetischen Nanopartikel bildgebend dargestellt werden können. Abschließend werden die Ergebnisse in Hinblick auf die Störeinflüsse sowie ein praktisches Anwendungsszenario diskutiert.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Protokolle zur wiederholbaren Herstellung von Dispersionen aus biokompatiblen, gezielt mit einer Biomolekülcorona umgebenen magnetischen Hybrid-Partikeln entwickelt, die sich sowohl in dest. Wasser als auch biologischem Medium wie fetalem Kälberserum (FCS) stabil verhalten und praktisch nutzbare Eigenschaften wie eine Konzentration von β ≥ 1,0 mg/ml und eine enge Partikelgrößenverteilung (Polydispersitätsindex PDI ≤ 0,100) aufweisen. Für die Experimente wurde die wiederholbare Herstellung von vergleichbaren Partikelsystemen aus superferrimagnetischen Eisenoxid-Multikern-Partikeln mit einer Ankerhüllschicht aus Dextranen mit unterschiedlichen Funktionalisierungen, aber gleichem Rückgrat etabliert (Carboxymethyldextran (CMD) - negativ und Diethylaminoethyldextran (DEAE) - positiv), um Abhängigkeiten von der Oberflächenladung nachvollziehen zu können. Zusätzlich wurden Stärke-Kern-Hülle-Partikelchargen als Vertreter einer überwiegend sterisch stabilisierenden Hülle genutzt. Protokolle zur wiederholbaren Überführung der Kern-Hülle-Partikelchargen in Hybrid-Partikelchargen mit „harter“ Biomolekülcorona durch kontrollierte Inkubation in FCS, eine angepasste Waschprozedur sowie eine sich anschließende Fraktionierung mittels Zentrifugation, Überstandsnahme und Probenselektion wurden entwickelt und angewandt. Einschätzungen zu Verfahrensschritten sowie Ausbeuten wurden gegeben. Die hergestellten Kern-Hülle- und Hybrid-Partikelchargen wurden hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Konzentration, Partikelgrößenverteilung und Zeta-Potential charakterisiert und untereinander verglichen. Neben Standardmethoden wie dynamischer Lichtstreuung (DLS), elektrophoretischer Lichtstreuung (ELS) und Thermogravimetrieanalyse (TGA) kamen magnetische Messverfahren wie AC-Suszeptibilität (ACS) und Vibrationsmagnetometrie (VSM) zum Einsatz. Für mindestens eine Hybrid-Partikelcharge jeder Ankerhüllschicht konnten die Zieleigenschaften (β ≥ 1,0 mg/ml, PDI ≤ 0,100) eingehalten werden. Mithilfe der Kombination von TGA, VSM, DLS und ACS war es mit spezifischen Modellen (z. B. Multikern-Eindomänenmodell (MultiCore-SingleDomain-Model – MCSDM)) möglich für die meisten Partikelsysteme quantitative Abschätzungen zu den Schichtdicken der Ankerhüllschicht und der Biomolekülcorona, teilweise mit Unterscheidung zwischen „hartem“ und „weichem“ Anteil, vorzunehmen. Die entstandenen Biomolekülcoronen wurden mittels Gelelektrophorese (SDS-PAGE) mit anschließender Silberfärbung weiterhin auf ihre Proteinzusammensetzung untersucht. Ein Zusammenhang zwischen dem Betrag des Zeta-Potentials der Ankerhüllschicht und der entstehenden Schichtdicke der Biomolekülcorona, insbesondere durch die Anlagerung von Proteinen der kleinsten Molekulargrößenklasse (Mw < 30 kDa), wurde gefunden. Über UV-VIS-Spektrometrie und visuelle Beobachtung sowie ACS und DLS konnte die kolloidale Stabilität aller untersuchten Partikelchargen für mind. 1 d bei Verdünnung 1 zu 10 (v/v) in destilliertem Wasser nachgewiesen werden. Für die (Re-)Inkubation 1 zu 10 (v/v) in FCS zeigten sich teilweise starke Instabilitäten. Mittels ACS konnte eine quantitative Abschätzung der Menge sich kolloidal instabil verhaltender Partikel vorgenommen werden. Die DEAE-Hybrid-Partikel blieben als einziges Partikelsystem für mind. 7 d kolloidal stabil in destilliertem Wasser und FCS. Erste Experimente zu biologischen Wechselwirkungen zeigten in vitro mittels Celltiter Glo®-Test an BeWo-Zellen mit Testkonzentrationen bis zu 100 μg/cm^2 (entspricht β = 0,378 mg/ml) für die meisten Partikelchargen mäßige, schwache oder gar keine Toxizität. Die Unterschiede in der Toxizität konnten in allen Fällen mit einem Größeneffekt durch Agglomeration und Clusterbildung aufgrund der Interaktion mit Biomolekülen interpretiert werden. In vivo-Experimente mittels schalenlosem ex ovo Hühnerei-Modells (HET-CAV) mit Konzentrationen bis zu β = 1 mg/ml zeigten für alle hergestellten Partikelsysteme eine gute Biokompatibilität. Für die DEAE-Hybrid-Partikel wurden exemplarisch Experimente zur Haltbarmachung durch Gefrieren, Tiefgefrieren und Gefriertrocknung mit unterschiedlichen Additiven sowie zur Sterilisation durch Autoklavieren, Sterilfiltrieren und UV-Sterilisation durchgeführt. Die besten Resultate zeigten für Lagerzeiten bis zu 6 Wochen Gefriertrocknung mit Polyethylenglycol (PEG) als Additiv und zur Haltbarmachung Sterilisation mit UV-C-Licht.

Diese Arbeit präsentiert eine empirische Untersuchung der Wellenausbreitung für drahtlose Kommunikation im Millimeterwellen- und sub-THz-Band, wobei als Referenz das bereits bekannte und untersuchte sub-6-GHz-Band verwendet wird. Die großen verfügbaren Bandbreiten in diesen hohen Frequenzbändern erlauben die Verwendung hoher instantaner Bandbreiten zur Erfüllung der wesentlichen Anforderungen zukünftiger Mobilfunktechnologien (5G, “5G and beyond” und 6G). Aufgrund zunehmender Pfad- und Eindringverluste bei zunehmender Trägerfrequenz ist die resultierende Abdeckung dabei jedoch stark reduziert. Die entstehenden Pfadverluste können durch die Verwendung hochdirektiver Funkschnittstellen kompensiert werden, wodurch die resultierende Auflösung im Winkelbereich erhöht wird und die Notwendigkeit einer räumlichen Kenntnis der Systeme mit sich bringt: Woher kommt das Signal? Darüber hinaus erhöhen größere Anwendungsbandbreiten die Auflösung im Zeitbereich, reduzieren das small-scale Fading und ermöglichen die Untersuchung innerhalb von Clustern von Mehrwegekomponenten. Daraus ergibt sich für Kommunikationssysteme ein vorhersagbareres Bild im Winkel-, Zeit- und Polarisationsbereich, welches Eigenschaften sind, die in Kanalmodellen für diese Frequenzen widergespiegelt werden müssen. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit eine umfassende Charakterisierung der Wellenausbreitung durch simultane Multibandmessungen in den sub-6 GHz-, Millimeterwellen- und sub-THz-Bändern vorgestellt. Zu Beginn wurde die Eignung des simultanen Multiband-Messverfahrens zur Charakterisierung der Ausbreitung von Grenzwert-Leistungsprofilen und large-scale Parametern bewertet. Anschließend wurden wichtige Wellenausbreitungsaspekte für die Ein- und Multibandkanalmodellierung innerhalb mehrerer Säulen der 5G-Technologie identifiziert und Erweiterungen zu verbreiteten räumlichen Kanalmodellen eingeführt und bewertet, welche die oben genannten Systemaspekte abdecken.

Der Ersatz von hexavalenten Chromverbindungen in der galvanischen Industrie ist seit der Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH-Verordnung) der Europäischen Union ein zentrales Thema. In der dekorativen Verchromung ist die Substitution durch adäquate Alternativen sehr vielversprechend. Allerdings ist der Ersatz von CrVI-Verbindungen in der funktionellen Verchromung herausfordernd, denn Chromschichten aus trivalenten und hexavalenten Elektrolyten unterscheiden sich bspw. in der Farbe und Korrosionsbeständigkeit. In dieser Arbeit wird die Wirkungsweise verschiedener organischer Säuren auf die Abscheidung von dickeren Chromschichtdicken (> 1 µm) untersucht. Wichtige Instrumente, um die Reaktion und die Chromabscheidung zu untersuchen, sind zum einen die Hochleistungsflüssigkeits-Chromatographie (HPLC, engl. High performance liquid chromatography), elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM), Polarographie (DPP, engl. differential pulse polarography), die Zyklovoltammetrie (CV, engl. Cyclic voltammetry) und zum anderen Querschliffanalysen. Die Schichtcharakterisierung erfolgte über die Rasterelektronenmikroskopie (REM). Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigten, dass Reaktionsgeschwindigkeit, Abscheideraten und der daraus resultierende Schichtaufbau, von der Art und Konzentration der Carbonsäuren abhängen. Es konnten Aussagen über die Wirkung der Carbonsäuren als Komplexbildner getroffen und mit dem Chelat-Effekt erklärt werden. Mit einer optimalen Elektrolytzusammensetzung konnten Schichtdicken von 25 bis zu 85 µm abgeschieden werden. Möglichkeiten, die eine gleichmäßige, rissarme Abscheidung unterstützen, wurden untersucht. Ein abschließender Vergleich der Chromschichten aus einem industriell genutzten sechswertigen Hartchromverfahren und dem hier beschriebenen dreiwertigen Elektrolyten zeigt gute Übereinstimmungen. Lediglich der Korrosionsschutz der Chromschicht aus dem trivalenten Elektrolyten ist nur mit Hilfe einer zusätzlichen Nickelschicht zu gewährleisten.

Im 21. Jahrhundert gehören optische Systeme zu den Schlüsseltechnologien und spielen eine entscheidende Rolle im technischen Fortschritt. Hochgenaue optische Linsen finden sich u. a. in Astrospiegeln, Lasergyroskopen oder Lithographie-Linsen und die Anforderungen an Stückzahl und Qualität steigen kontinuierlich. Einer der letzten Prozessschritte in der Fertigungskette von Glas Hochleistungsoptiken ist in der Regel die Politur. Von diesem Prozessschritt hängt maßgeblich die Bauteilqualität ab. Trotz langer Tradition und Verwendung in der Industrie herrscht immer noch kein umfassendes Prozessverständnis. Zwar sind empirische Parametersätze vorhanden, jedoch gibt es keine Erkenntnis, inwiefern sich eine Änderung einzelner Parameter auf den Materialabtrag auswirkt. Während zahlreiche Untersuchungen empirische Prozessmodelle betrachteten, blieb der Einsatz von datengetriebenen Poliermodellen bislang weitgehend unbeachtet. Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines datengetriebenen Poliermodells für die Robotergestützte-Politur von Optiken. Durch den Einsatz von Sensoren am Bearbeitungskopf werden alle relevanten Prozessparameter aufgezeichnet. Durch Datenanalyse können Anomalien und Muster im Prozess detektiert und darauf reagiert bzw. für weitere Analysen genutzt werden. Des Weiteren wird auf Grundlage der Daten ein maschinenlernendes Modell zur Vorhersage von Materialabtrag auf gekrümmten Flächen erstellt und validiert. Das vorliegende Machine learning Modell bildet den betrachteten Polierprozess ab und Einflüsse auf diesen werden durch den Sensoreinsatz abgebildet. Das Modell erreicht eine Vorhersagengenauigkeit des Abtrages von 99,22 % (R2-Wert), welches bei Prozessvorhersagen als sehr gut bewertet wird.

Elektromagnetische Wellenausbreitung bildet die physikalische Grundlage für unzählige Anwendungen in verschiedenen Bereichen der heutigen Welt. Um räumliche Szenarien zu modellieren, muss der kontinuierliche Raum in geeigneter Weise in ein Rechengebiet umgewandelt werden. Üblich diskretisierte Modelle – welche auf verschiedenen Größen beruhen – berücksichtigen die Beziehungen zwischen Feldvariablen mittels Relationen, welche durch partielle Differentialgleichungen repräsentiert werden. Um mathematische Beziehungen zwischen abhängigen Variablen in zweckdienlicher Art nachzubilden, schaffen hyperkomplexe Zahlensysteme ein passendes alternatives Rahmenwerk. Dieser Ansatz bezweckt das Einbinden bestimmter Systemeigenschaften und umfasst zusätzlich zur Modellierung von Feldproblemen, bei denen alle Variablen vorkommen, auch vereinfachte Modelle. Um eine wettbewerbsfähige Alternative zur üblichen numerischen Behandlung elektromagnetischer Felder in beobachtungsorientierter Weise darzubieten, wird das elektrische und magnetische Feld elektromagnetischer Wellenfelder als eine zusammengefasste Feldgröße, eingebettet im Funktionenraum, verstanden. Dieses Vorgehen ist intuitiv, da beide Felder in der Elektrodynamik gemeinsam auftreten und direkt messbar sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist in zwei Ziele untergliedert. Auf der einen Seite wird ein umformuliertes Maxwell-System in einer metrikfreien Umgebung mittels dem sogenannten „bikomplexen Ansatz“ umfassend untersucht. Auf der anderen Seite wird eine mögliche numerische Implementierung hinsichtlich der Finite-Elemente-Methode auf modernem Wege durch Nutzung der diskreten äußeren Analysis mit Fokus auf Genauigkeitsbelange bewertet. Hinsichtlich der numerischen Genauigkeitsbewertung wird demonstriert, dass der vorgelegte Ansatz grundsätzlich eine höhere Exaktheit zeigt, wenn man ihn mit Formulierungen vergleicht, welche auf der Helmholtz-Gleichung beruhen. Diese Dissertation trägt eine generalisierte hyperkomplexe alternative Darstellung von gewöhnlichen elektrodynamischen Ausdrucksweisen zum Themengebiet der Wellenausbreitung bei. Durch die Nutzung einer direkten Formulierung des elektrischen Feldes in Verbindung mit dem magnetischen Feld wird die Rechengenauigkeit von Randwertproblemen erhöht. Um diese Genauigkeitserhöhung zu erreichen, wird eine geeignete Erweiterung der de Rham-Kohomologie unterbreitet.

Li-Ionen Zellen dehnen sich während des Ladens aufgrund von Volumenänderungen der Aktivmaterialien bei der Lithium-Interkalation reversibel aus. Zusätzlich führen Alterungsmechanismen der Anode zu einem signifikanten und irreversiblen Wachstum der Zellen. Da die Zellen für ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen in Modulen verspannt werden, führt diese Ausdehnung zu einem Anstieg des Drucks im Modul. Sowohl die Performance als auch die Alterung der Zellen sind abhängig vom äußeren Druck. Die Wechselwirkungen von Modulverspannung, Druckentwicklung und Alterung sind jedoch noch weitestgehend unbekannt, da in der Literatur bisher keine systematische Untersuchung von realistischen mechanischen Druckbedingungen durchgeführt wurde. Im Rahmen dieser experimentellen Arbeit wurden die Effekte der Modulsteifigkeit und der initialen Verspannung von Zellen auf die zyklische und kalendarische Alterung, das Zelldickenwachstum und die Druckentwicklung im Modul anhand von drei unterschiedlichen Zelltypen untersucht, die für den Einsatz in Elektrofahrzeugen entwickelt wurden. Auf Basis der statistischen Versuchsplanung konnten die Effekte modelliert und hinsichtlich ihrer statistischen Signifikanz bewertet werden. Im Anschluss wurden die dominanten Alterungsmechanismen und die limitierenden Alterungseffekte im Rahmen einer elektrochemischen Charakterisierung und Post-Mortem-Analyse identifiziert. Den größten Effekt auf die Druckentwicklung im Modul hat die Modulsteifigkeit, ein Einflussfaktor, der bisher in der Literatur weitestgehend vernachlässigt wurde. Der Einfluss der initialen Verspannung hängt stark von den mechanischen Eigenschaften der Zelle ab. Alle drei Zelltypen zeigen druckabhängige Alterungseffekte und -mechanismen, wie z. B. Kathoden-Aktivmaterialverluste aufgrund von Partikelbrüchen, eine zunehmend inhomogene Alterung oder Li-Plating an den Rändern der Anode. Im letzten Schritt wurde das mechanische Moduldesign hinsichtlich der volumetrischen Energiedichte über die Lebensdauer optimiert. Im Rahmen einer experimentellen Optimierung wurde der Einfluss des Designs von Pufferelementen auf die volumetrische Energiedichte bei zyklischer Alterung untersucht und ein optimales Design abgeleitet.

Wegen der kontinuierlich anwachsenden Anzahl von Sensoren, und den stetig wachsenden Datenmengen, die jene produzieren, stößt die konventielle Art Signale zu verarbeiten, beruhend auf dem Nyquist-Kriterium, auf immer mehr Hindernisse und Probleme. Die kürzlich entwickelte Theorie des Compressive Sensing (CS) formuliert das Versprechen einige dieser Hindernisse zu beseitigen, indem hier allgemeinere Signalaufnahme und -rekonstruktionsverfahren zum Einsatz kommen können. Dies erlaubt, dass hierbei einzelne Abtastwerte komplexer strukturierte Informationen über das Signal enthalten können als dies bei konventiellem Nyquistsampling der Fall ist. Gleichzeitig verändert sich die Signalrekonstruktion notwendigerweise zu einem nicht-linearen Vorgang und ebenso müssen viele Hardwarekonzepte für praktische Anwendungen neu überdacht werden. Das heißt, dass man zwischen der Menge an Information, die man über Signale gewinnen kann, und dem Aufwand für das Design und Betreiben eines Signalverarbeitungssystems abwägen kann und muss. Die hier vorgestellte Arbeit trägt dazu bei, dass bei diesem Abwägen CS mehr begünstigt werden kann, indem neue Resultate vorgestellt werden, die es erlauben, dass CS einfacher in der Praxis Anwendung finden kann, wobei die zu erwartende Leistungsfähigkeit des Systems theoretisch fundiert ist. Beispielsweise spielt das Konzept der Sparsity eine zentrale Rolle, weshalb diese Arbeit eine Methode präsentiert, womit der Grad der Sparsity eines Vektors mittels einer einzelnen Beobachtung geschätzt werden kann. Wir zeigen auf, dass dieser Ansatz für Sparsity Order Estimation zu einem niedrigeren Rekonstruktionsfehler führt, wenn man diesen mit einer Rekonstruktion vergleicht, welcher die Sparsity des Vektors unbekannt ist. Um die Modellierung von Signalen und deren Rekonstruktion effizienter zu gestalten, stellen wir das Konzept von der matrixfreien Darstellung linearer Operatoren vor. Für die einfachere Anwendung dieser Darstellung präsentieren wir eine freie Softwarearchitektur und demonstrieren deren Vorzüge, wenn sie für die Rekonstruktion in einem CS-System genutzt wird. Konkret wird der Nutzen dieser Bibliothek, einerseits für das Ermitteln von Defektpositionen in Prüfkörpern mittels Ultraschall, und andererseits für das Schätzen von Streuern in einem Funkkanal aus Ultrabreitbanddaten, demonstriert. Darüber hinaus stellen wir für die Verarbeitung der Ultraschalldaten eine Rekonstruktionspipeline vor, welche Daten verarbeitet, die im Frequenzbereich Unterabtastung erfahren haben. Wir beschreiben effiziente Algorithmen, die bei der Modellierung und der Rekonstruktion zum Einsatz kommen und wir leiten asymptotische Resultate für die benötigte Anzahl von Messwerten, sowie die zu erwartenden Lokalisierungsgenauigkeiten der Defekte her. Wir zeigen auf, dass das vorgestellte System starke Kompression zulässt, ohne die Bildgebung und Defektlokalisierung maßgeblich zu beeinträchtigen. Für die Lokalisierung von Streuern mittels Ultrabreitbandradaren stellen wir ein CS-System vor, welches auf einem Random Demodulators basiert. Im Vergleich zu existierenden Messverfahren ist die hieraus resultierende Schätzung der Kanalimpulsantwort robuster gegen die Effekte von zeitvarianten Funkkanälen. Um den inhärenten Modellfehler, den gitterbasiertes CS begehen muss, zu beseitigen, zeigen wir auf wie Atomic Norm Minimierung es erlaubt ohne die Einschränkung auf ein endliches und diskretes Gitter R-dimensionale spektrale Komponenten aus komprimierten Beobachtungen zu schätzen. Hierzu leiten wir eine R-dimensionale Variante des ADMM her, welcher dazu in der Lage ist die Signalkovarianz in diesem allgemeinen Szenario zu schätzen. Weiterhin zeigen wir, wie dieser Ansatz zur Richtungsschätzung mit realistischen Antennenarraygeometrien genutzt werden kann. In diesem Zusammenhang präsentieren wir auch eine Methode, welche mittels Stochastic gradient descent Messmatrizen ermitteln kann, die sich gut für Parameterschätzung eignen. Die hieraus resultierenden Kompressionsverfahren haben die Eigenschaft, dass die Schätzgenauigkeit über den gesamten Parameterraum ein möglichst uniformes Verhalten zeigt. Zuletzt zeigen wir auf, dass die Kombination des ADMM und des Stochastic Gradient descent das Design eines CS-Systems ermöglicht, welches in diesem gitterfreien Szenario wünschenswerte Eigenschaften hat.

Die Photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung stellte eine nachhaltige und saubere Methode dar, um Wasserstoff zu erzeugen, ohne auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein. Der P-Typ Cu2O-Halbleiter ist ein vielversprechender Kandidat für die Verwendung als Photokathodenmaterial in Bezug auf Kosten, Verfügbarkeit, Lichtabsorption und Energiebandposition. Ein neuartiges und kostengünstiges Herstellungsverfahren für hochporöse Strukturen (55-80 Poren/mm2) von Cu2O-Photokathoden mit verbesserter PEC-Leistung unter ausschließlicher Verwendung der elektrochemischen Abscheidung wird vorgestellt. Dieses Verfahren beinhaltet drei Schritte, um ein stabiles und hochporöses Cu-Metallgerüst als Substrat für die Cu2O-Schichten herzustellen. Im ersten Schritt wurde ein Abscheideprozess unterstützt durch die dynamische Entwicklung von Wasserstoff-Blasen entwickelt, um poröse Cu-Strukturen mit feinen Porennetzwerken herzustellen. Die porösen Cu-Strukturen wurden durch Abscheidung homogener und kompakter Cu-Schichten auf den fein verästelten Porenwänden mechanisch verstärkt. Da die poröse Cu-Struktur nicht vollständig verstärkt war, wurde in einem dritten Schritt die teilweise verstärkte Struktur mit Hilfe von Ultraschall vom planaren Cu-Substrat abgelöst, um ein stabiles freistehendes poröses Netzwerk mit röhrenförmigen Durchgangsporen zu erhalten. Die Porengröße kann durch Veränderung der Abscheidezeit während des ersten Herstellungsschrittes leicht eingestellt werden. Cu2O-Schichten mit Dicken zwischen ˜0,5 und ˜3 [my]m wurden auf den freistehenden porösen Cu-Schichten durch Variation der Abscheidezeit elektrochemisch hergestellt. Die PEC-Wasserspaltung der Cu2O-Photokathoden wurde unter gepulser simulierter AM 1,5-Beleuchtung in einem wässrigen Elektrolyten aus 0,5 M Na2SO4 (pH 6) untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Proben mit kleineren Poren den höchsten Photostrom von -2,75 mA cm-2 bei 0 V vs. RHE aufwiesen, gefolgt von -2,25 mA cm-2 für die Proben mit großen Poren, während ein niedriger Dunkelstrom beibehalten wurde. Diese Photoströme sind 120 % bzw. 80 % höher als die PEC-Leistung einer Cu2O-Schicht auf planarem Cu-Substrat, die mit den gleichen Abscheideparametern hergestellt wurde. Die hohe Leistung wird auf die vergrößerte Oberfläche durch die poröse Struktur, die dünne und homogene Bedeckung der Cu2O-Schicht mit kleiner Korngröße und die höheren Lochkonzentrationen zurückgeführt, wie die Mott-Schottky-Analyse zeigte. Die weitere Auswertung der freistehenden porösen Cu2O-Proben zeigte, dass sie eine direkte optische Durchlässigkeit von 14 % für die feinporigen Proben bzw. 23 % für die grobporigen Proben besitzen ([Lambda] = 400-800 nm). Die Herstellung des transluzenten Metallgerüsts mit Hilfe des elektrochemischen Abscheidungsprozesses wurde bisher nicht berichtet, sodass neue Innovationen für verschiedene Anwendungen, insbesondere im Bereich der Energiematerialien, ermöglicht werden.

Dekorative Chromschichten sind im Alltagsleben omnipräsent, da sie Bauteiloberflächen ein ansprechendes Aussehen verleihen und zugleich Schutz vor Korrosion und Abrieb bieten. Verfahren zur elektrochemischen Abscheidung, welche bereits seit Jahrzehnten bekannt und gut verstanden sind, basieren auf sechswertigen Chromverbindungen. Eine zunehmend strengere Chemikaliengesetzgebung schränkt die Verwendung dieser Stoffe ein und macht eine langfristige Substitution bei industriellen Prozessen notwendig. Elektrolyte auf Basis von dreiwertigen Chromverbindungen haben sich dabei als Alternative erwiesen und drängen zunehmend auf den Markt. Chrom(III)-basierte Elektrolytsysteme sind jedoch bislang kein gleichwertiger Ersatz und zeigen unter anderem Schwächen in Bezug auf Abscheiderate und optisches Erscheinungsbild der Chromschichten. Diese Arbeit soll Beiträge zum Verständnis des Abscheideprozesses und der Schichtbildung aus Chrom(III)-Elektrolyten liefern, um darauf aufbauend Maßnahmen für die Optimierung ableiten zu können. So wurde der Abscheideprozess mittels in-situ Mikrogravimetrie, Messung des oberflächennahen pH-Wertes und Bestimmung des bei der Abscheidung entstehenden Wasserstoffes charakterisiert. Im Ergebnis wurde eine Theorie zum Abscheidemechanismus aufgestellt. Anhand von Farbmessungen, REM- und AFM-Aufnahmen konnte ein Zusammenhang zwischen Schichtmorphologie und Farbwerten der Schichten nachgewiesen werden, welcher anhand von Modellrechnungen bestätigt wurde. Chrom(III)- und Chrom(VI)-Elektrolyte zeigen markante Unterschiede im Schichtwachstum. Aufbauend darauf wurde die Nutzung von Pulsstrom mit niedriger Frequenz als Maßnahme zur Steuerung der Morphologie und damit des Farbtones der Chromschichten identifiziert und erfolgreich angewendet.

Autonom fliegende Roboter, die von der Biologie der Vögel oder Insekten inspiriert sind, haben ein breites Anwendungsspektrum, zum Beispiel als Wetter- und Umweltmessgerät in der Präzisionslandwirtschaft oder zur Überwachung bei Rettungseinsätzen. Diese Micro-Air-Vehicle-Roboter sind hoch manövrierfähig und können schnell zwischen verschiedenen Flugmodi wechseln. Sie sind kollisionssicher, indem sie sich ohne menschliches Eingreifen anpassen und ein koordiniertes Verhalten in großen Gruppen mit Unterstützung von Sensoren und Steuergeräten, die Informationen aus der Umgebung erhalten, und einer effizienten integrierten Energiequelle erreichen. Die Herausforderung besteht jedoch darin, Schlagflügel-MAVs zu entwerfen, die in der Lage sind, bei kleinen Abmessungen und begrenzter Nutzlast autonom zu fliegen. Der Entwurf eines anpassungsfähigen Systems zur Analyse der Eigenschaften der Flugdynamik in Schlagflügelsystemen hilft bei der Untersuchung ihrer Eigenschaften und ermöglicht den Einsatz verschiedener Steuerungstechniken zur Verbesserung ihrer Leistung. Die Software zur Identifizierung der Systemparameter, z.B. Schlagfrequenz, Position oder Geschwindigkeit, bietet die Möglichkeit, diese Komplexität zu beherrschen. Diese Art von Plattform ermöglicht die Untersuchung der mechatronischen Steuerung in kleinen Flugsystemen. Der Beitrag in dieser Dissertation stellt einen Prototyp eines Prüfstandes vor, der auf einem mathematischen Modell einer Balkenstruktur mit einem Schlagflügelroboter basiert. Die Vorrichtung besteht aus einem Balken, der einen rotatorischen Freiheitsgrad hat, der in einer vertikalen Ebene enthalten ist, an deren einem Ende sich der Schlagmechanismus befindet. Die gewonnenen Daten und die Anwendung der Regelungsmethode werden mit dem Tool MATLAB® SIMULINK® und einem Arduino®-Gerät als Schnittstelle zwischen dem System und dem PC durchgeführt. Die Modellparameter wurden experimentell ermittelt, die Steuerung wurde in Echtzeit implementiert und mit dem mathematischen Modell des Systems verglichen.

In dieser Arbeit wird erstmalig ein Berechnungsmodell für Elastizitätsmoduln von kurzfaserverstärkten Kunststoffen unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Haftbedingung in der Faser-Matrix-Grenzfläche vorgestellt und validiert. Dies erfolgt im Rahmen einer Modellerweiterung indem die Oberflächenspannungsanteile der Kontaktpartner herangezogen und Oberflächenrauheiten der Fasern vernachlässigt werden. Die Anwendung des Modells präzisiert die Vorhersagen des Elastizitätsmoduls des Verbundes, was direkte Auswirkungen auf die Eigenfrequenzen und Nachgiebigkeit von Bauteilen insbesondere unter Verwendung nahezu unpolarer Matrices hat. Ein einmaliger Vorteil der Modellerweiterung besteht in der Möglichkeit Kreuzvergleiche zwischen den zu kombinierenden Materialien durchzuführen. Kombinationsspezifische Untersuchungen, wie Einzelfaserauszugstests einer spezifischen Faser-Matrix-Kombination, sind nicht mehr notwendig. Die Messung der Oberflächenspannungsanteile der gewählten Materialien erfolgt unter Verwendung dreier Testflüssigkeiten: destilliertes Wasser, Dimethylsulfoxid und Ethylenglycol. Darüber hinaus ist die Messung unter Einsatztemperatur zu empfehlen, die in vielen Fällen im Bereich der Raumtemperatur und im Rahmen dieser Untersuchungen bei 23 &ring;C liegt. Zur Sicherstellung einer vollständig ausgeprägten Kontaktfläche zwischen Faser und Matrix muss ein Spreiten der Matrix auf der Faseroberfläche vorliegen. Hierbei muss die Gesamtoberflächenspannung der Matrix stets kleiner sein als die Gesamtoberflächenspannung der Faser oder gleichwertig. Die Modellerweiterung wird anhand geeigneter Faser- und Matrixwahl auf die Effekte der physikalischen Adhäsion reduziert, um dessen Einfluss klar herauszuarbeiten. Die eigenen Untersuchungen zeigen die Abweichungen der etablierten Modelle von bis zu 25 %, die mit der neuartigen Modellerweiterung stets im Bereich der Messunsicherheit des Elastizitätsmoduls des Verbundes aus den Zugversuchen liegen. Schließlich wird die Modellerweiterung an Daten aus der Literatur erprobt. Die Verbesserung der Vorhersage des Elastizitätsmoduls des Verbundes ermöglicht es, bereits in der Konzeptionsphase ein zuverlässiges elastisches Deformationsverhalten vorherzusagen und Materialwechsel oder Funktionsfaktoren im Entwicklungsprozess zu minimieren bis verhindern.

Wegen ihrer Beständigkeit gegen Korrosion sowie der guten Umformbarkeit sind austenitische CrNi-Stähle in einer Vielzahl von Anwendungen anzutreffen. Die Fähigkeit zur Ausbildung einer stabilen Passivschicht beruht dabei insbesondere auf dem Anteil an Chrom in der jeweiligen Legierung. Der Einfluss weiterer einzelner Faktoren auf das Korrosionsverhalten von CrNi-Stählen wird in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Arbeiten behandelt. Die vorliegende Arbeit befasst sich dabei explizit mit der Auswirkung einer erfolgten Kaltumformung und der erzeugten Bauteiloberfläche infolge unterschiedlicher Bearbeitungsverfahren auf das Korrosionsverhalten. Zur Betrachtung der Wechselwirkung dieser beiden Faktoren wurden zwei metastabile austenitische Stähle herangezogen, welche eine nahezu identische Korrosionsbeständigkeit (gem. PREN) aufweisen, aber deren Austenitstabilität (gem. Md30) unterschiedlich ist. Durch mehrstufiges Kaltwalzen wurden an Blechmaterial verschiedene Umformgrade erzielt. Die Differenzierung in den Oberflächenausführungen wurde anschließend durch metallografische Präparation oder durch Plan-Umfangs-Längsschleifen erzeugt. Die metallografische Präparation führte zu geschliffenen, polierten oder elektropolierten Oberflächenausführungen. Für den maschinellen Flachschleifprozess wurden jeweils Oberflächen mit Siliziumkarbid oder mit Korund als Schleifmittel bearbeitet. Die Bestimmung des Korrosionsverhaltens erfolgte mittels verschiedener elektrochemischer Messmethoden. Zur Charakterisierung der erzeugten Oberflächen wurden unterschiedliche Analysemethoden angewendet, insbesondere die taktile und optische Bestimmung der Oberflächenrauheit sowie die Untersuchung mittels REM-Aufnahmen. Der Einfluss der Kaltumformung auf das vorliegende Gefüge, die zu einer ausgeprägten Bildung von α'-Martensit führte, wurde durch konventionelle Metallografie, EBSD-Messungen und magnetinduktive Messungen erfasst. In Bezug auf das erzielte Korrosionsverhalten zeigt sich der Einfluss beider Faktoren deutlich. Die Veränderung der mechanischen Eigenschaften infolge der Kaltumformung kann dabei als dominanter Einfluss auf die erzeugte Oberflächentopografie nachgewiesen werden. Hieraus folgt für geschliffene Oberflächen ein entgegengesetzter Trend des Korrosionsverhaltens mit steigendem Umformgrad zu den polierten oder elektropolierten Oberflächen.

In einem natürlichen Gewebe wird das zelluläre Verhalten durch Stimuli der Mikroumgebung reguliert. Verschiedene chemische, mechanische und physikalische Reize befinden sich in einem lokalen Milieu und versorgen die Zellen mit einem biologischen Kontext. Im Vergleich zur in vivo Situation, zeigen Standard 2D in vitro Zellkulturmodelle viele Unterschiede in der zellulären Mikroumgebung und können infolgedessen eine Veränderung der Zellantwort verursachen. Die Schaffung einer physiologisch realistischeren Umgebung auf künstlichem Substrat ist ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung zuverlässiger Plattformen, die es den kultivierten Zellen ermöglichen, sich natürlicher zu verhalten. Daher sind neuartige Substrate auf Biomaterialbasis mit maßgeschneiderten Eigenschaften sehr gefragt. Die Mikrotechnik ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das bei der Herstellung der Funktionsgerüste hilft, um verschiedene Eigenschaften der in vivo Umgebung zu reproduzieren und auf in vitro Bedingungen zu übertragen. Die Gerüstkonstruktionsparameter können manipuliert werden, um die für das jeweilige Gewebe spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Eine der grundlegenden Einschränkungen bei aktuellen Herstellungsverfahren ist jedoch die Unfähigkeit, mehrere Gerüsteigenschaften auf vorgefertigte Weise in eine einzelne Gerüststruktur zu integrieren. Diese Dissertation befasst sich mit Gerüstmikrofabrikations- und Oberflächenmodifikations-techniken, welche die Mikrostrukturierungstechnologie verwenden und die gleichzeitige Kontrolle über verschiedene Gerüsteigenschaften ermöglichen. Diese Ansätze bei der Mikrofabrikation von Polymergerüsten werden verwendet, um physikalische und chemische Eigenschaften bereitzustellen, die für die Leberzellkultur optimiert sind. Die physikochemischen Aspekte, die die zelluläre Mikroumgebung von Lebergewebe in vivo ausmachen, werden diskutiert und anschließend werden relevante Technologien vorgestellt, mit denen einige dieser Aspekte in vitro reguliert werden können. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein neuartiges zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Polymergerüsten mit mikroporöser Struktur und definierter Topographie gezeigt. Um 3D-Matrizen mit integrierter Porosität zu erhalten, wurde nach der Herstellung mikroporöser Folien ein Mikrostrukturierungsprozess unter Verwendung der Mehrschicht Polymer-Thermoformtechnologie durchgeführt. Diese Methoden wurden verwendet, um Substrate für die organotypische 3D-Hepatozytenkultivierung herzustellen. Poröse Gerüste mit Mikrokavitäten wurden aus lösungsmittelgegossenen und phasengetrennten Polymilchsäure (PLA) Folien gebildet. Die Proben wurden auf grundlegende mechanische und Oberflächenspezifische Eigenschaften sowie auf die Zellleistung untersucht. Um einen Bezugspunkt für die Bewertung der hergestellten Matrices bereitzustellen, wurden PLA-Gerüste mit zuvor beschriebenen Substraten auf Polycarbonat (PC)-Basis mit ähnlicher Geometrie verglichen. HepG2-Zellen, die in PLA-Gerüsten kultiviert wurden, zeigten eine gewebeartige 3D-Aggregation und eine erhöhte Sekretionsrate von Albumin im Vergleich zu PC-Gerüsten. Anschließend wurde dieses zweistufige Herstellungsverfahren verwendet, um schnell abbaubare Gerüste für die gerüstfreie Zellblatttechnik herzustellen. Gerüste mit kontrollierter Porosität und Topographie, die die Schlüsselmerkmale von Lebersinusoiden nachahmen, wurden aus Poly(milch-co-glykolsäure) (PLGA)-Copolymer hergestellt und für den in vitro Abbau in Zellkultur charakterisiert. Um die Beziehung zwischen dem Abbau des Gerüsts und der Organisation der Zellen in der PLGA-Matrix aufzudecken, wurde die Lebensfähigkeit und Morphologie der kultivierten Zellen zusammen mit der Morphologie des Gerüsts untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene technische Lösungen für die gerichtete Strukturierung mikroporöser Polymergerüste bewertet und ihre Eignung zur Erzeugung einer benutzerdefinierten lebenswichtigen oligozellulären Morphologie auf künstlichem Substrat vorgestellt. Besonderes Augenmerk wurde auf das 3D-Mikrokontaktdruckverfahren (3DµCP) gelegt, das die Vorteile des Mikrothermoformens und des Mikrokontaktdrucks kombiniert und eine räumlich-zeitliche Kontrolle über morphologische und chemische Merkmale in einem einzigen Schritt ermöglicht. Um das Potenzial dieser Technik aufzuzeigen, wurden Gerüste mit bestimmten Mikrostrukturen wie Kanäle mit verschiedenen Tiefen und Breiten sowie komplexere Muster hergestellt und verschiedene ECM-Moleküle gleichzeitig in die vordefinierten Geometrien übertragen. Die Gültigkeit des 3DµCP-Prozesses wurde durch mikroskopische Messungen, Fluoreszenzfärbung und Testen der Substrate auf Zelladhäsionsantwort gezeigt. Schließlich wird in dieser Arbeit die Herstellungsmethode zur Erzeugung komplexer Gerüste für die 3D- und gesteuerte Co-Kultivierung von Leberzellen vorgestellt. Polymermatrizen, die die grundlegende Leberarchitektur replizieren und somit eine gut organisierte Leberzellzusammensetzung ermöglichen, wurden erfolgreich unter Verwendung der 3DµCP-Methode hergestellt. Auf der Polycarbonatoberfläche wurden gleichzeitig chemische und topografische Leitfäden in Form sinusförmiger Strukturen strukturiert. Um die 3D-Gewebemikrostruktur zu replizieren, wurden EA.hy926- und HepG2-Zellen auf beiden Seiten des strukturierten porösen Gerüsts Co-kultiviert und anschließend einander gegenüber gestapelt, wodurch zugehörige Kanäle zur Bildung einer Kapillare führen. Das Potenzial unseres 3DµCP-strukturierten Gerüsts für die gerichtete Co-Kultivierung von Zellen wurde unter statischen Zellkulturbedingungen demonstriert. Am Ende wurden Gerüste für die weiteren Anwendungen im perfundierten Bioreaktorsystem angepasst.

Ansätze des werkstofflichen Leichtbaus mit dem Ziel der Gewichts- und Ressourcenoptimierung in elektrischen Verbindungen haben das Fügen von Aluminium-Kupfer-Mischverbindungen zu einem stark verfolgten Forschungsschwerpunkt der letzten Jahre gemacht. Im Rahmen von Elektromobilität sowie allgemeiner Erhöhung von Komfort- und Sicherheitsstandards ergeben sich hierfür hohe Herausforderungen an die einzusetzenden Fügetechnologien. Der Zielzustand für elektrische Verbindungen besteht in großflächigen, duktilen Verbindungen mit geringem Kontaktwiderstand. Je nach Verfahren werden diese Ziele jedoch durch die Bildung spröder, intermetallischer Phasen oder erhöhte Grenzflächen- und Bauteilverformung nur zum Teil erreicht. In der vorliegenden Arbeit wurde gezielt die Bildung einer eutektischen Schmelze zwischen Aluminium und Kupfer genutzt, um den Lösungsraum zwischen Press- und Schmelzschweißverfahren zu nutzen. Während der Initialkontakt der Grenzflächen durch Fügedruck während des Rührreibpunktschweißens beschleunigt wird, findet die Vergrößerung und Benetzung der Fügefläche durch die Bildung einer eutektischen Schmelze statt. Diese bildet sich zwischen den Grundwerkstoffen, ohne dass diese in die flüssige Phase übergehen. In Abhängigkeit der Prozessführung kann der Pressschweißprozess hier erneut genutzt werden, um die Schmelze aus der Fügezone zu verdrängen. Somit kann das Erstarrungsverhalten gezielt beeinflusst werden, während sich weitere Vorteile durch den Abtransport von Einschlüssen und Verunreinigungen ergeben. Durch eine angepasste Prozessführung können vollflächige Anbindungen in kurzer Prozesszeit von weniger als 0,5 s erzielt werden. Die Bildung weiterer Sprödphasen außerhalb des eutektischen Systems wird durch die Limitierung der Spitzentemperatur und des Energieeintrags verhindert. Zusätzlich kann die Schmelzebildung als Reduzierung des Materialwiderstands während des kraftgeregelten Prozesses detektiert und diese für weitere Prozessansätze genutzt werden. Weitere Optimierungsansätze zeigen sich beim Übertrag auf weitere Pressschweißverfahren und Bauteilgeometrien.

Diese Arbeit behandelt dreidimensionale optische Mikrokavitäten in Bezug auf ihre Resonanzmoden. Die optischen Mikrokavitäten reichen dabei von Möbiusband-Kavitäten über zylindrische und kegelförmige Ringkavitäten sowie kegelförmige Tube-Kavitäten bis hin zu Arrays von Lima¸con-Kavitäten. Im ersten Teil werden flüstergalerieartige Moden von dielektrischen Möbiusband-Kavitäten mit Hilfe von FDTD-Simulationen untersucht. Die Topologie des Möbiusbands erlaubt die Entstehung einer geometrischen Phase und zwar der Pancharatnam-Phase. Darauf aufbauend wird untersucht, wie die Pancharatnam-Phase durch Verkürzung der Länge des verdrehten Anteils oder durch Erhöhung der Dicke des Möbiusbands manipuliert werden kann. Dabei untersuchen wir, wie die Polarisation und die Fernfelder der flüstergalerieartigen Moden beeinflusst werden. Außerdem wird die Nonagon-Möbiusband-Kavität - eine Möbiusband-Kavität mit Querschnittsform dreifacher Rotationssymmetrie - eingeführt, die ebenfalls eine Manipulation der Pancharatnam-Phase ermöglicht. Im zweiten Teil werden propagierende flüstergalerieartige Moden in zylindrischen Ringkavitäten, konischen Ringkavitäten und konischen Tube-Kavitäten mittels FDTD-Simulationen und vektorieller Beugungstheorie untersucht. Der propagierende Charakter der Moden ermöglicht die sogenannte Spin-Richtungs-Wechselwirkung des Lichts. Darauf aufbauend wird untersucht, wie die Fernfeldpolarisation durch die axiale Morphologie der flüstergalerieartigen Moden und durch geometrische Eigenschaften der Kavitäten wie die Öffnungswinkel von konischen Ring- und Tube-Kavitäten beeinflusst wird. Mit Hilfe vektorieller Beugungstheorie wird ein qualitativer Zusammenhang zwischen den lokalen Eigenschaften der Moden im Inneren der Kavität und der Fernfeldpolarisation beschrieben. Dabei wird die Rolle von Beugung und Präzession des elektrischen Feldvektors um die Kavitätenachse diskutiert. Es wird gezeigt, dass elliptische und zirkulare Polarisationszustände im Fernfeld unmittelbar durch propagierende flüstergalerieartige Moden auftreten, auch ohne inhomogenes oder anisotropes Kavitätenmaterial. Im dritten Teil wird die Fernfeldabstrahlung von linearen Arrays bestehend aus Lima¸con-Kavitäten mithilfe von FDTD-Simulationen untersucht. Während das Fernfeld einer einzelnen Lima¸con-Kavität gerichtete Emission aufweist, wird untersucht, wie sich diese gerichtete Emission in Abhängigkeit der Arrayeigenschaften wie dem Abstand zwischen den Kavitäten und der Anzahl der Kavitäten ändert. Es wird gezeigt, dass die Abstrahlung des Arrays entweder weiter verstärkt (Superdirektionalität) oder sogar umgekehrt Kavitäten werden kann (Richtungsumkehr).

Maskenlose holographische Lithographiesysteme nutzen die Möglichkeiten der gezielten Lichtformung in Phase und Amplitude durch Holographie, die für die Projektion zwei- und dreidimensionaler Muster genutzt werden kann. Das Ziel ist die strukturierte Belichtung von Fotoresist, wodurch das Einbringen von Strukturen in den Resist ermöglicht wird. Die computergenerierten Hologramme (CGH) werden dabei mittels Algorithmen berechnet und auf einem räumlichen Lichtmodulator (SLM) dargestellt. In dieser Arbeit wird ein solches System entwickelt, bestehend aus geeigneten Algorithmen zur Hologrammberechnung, einem Lichtmodulator zur Darstellung der Hologramme, einem optischen Projektionssystem mit Laser als Lichtquelle, sowie einem Positionierungssystem für zu belichtende Fotoresists auf Substraten. Durch gezielte Optimierung der Parameter der Berechnungs- und Darstellungsmethoden sowie des optischen Projektionssystems werden Muster projiziert, welche ein Einbringen von mikrometergroßen Strukturen in Fotoresist ermöglichen. Das Erreichen guter Uniformität der Intensität der projizierten Muster ist bei holographischer Projektion eine besondere Herausforderung, da durch die Kohärenz der Lichtquelle in Verbindung mit der Hologrammberechnungsmethodik üblicherweise ein Specklekontrast entsteht, der ein Intensitätsrauschen verursacht. Da in der Mikrolithographie die Schärfentiefe üblicherweise stark begrenzt ist, sind bei Projektion auf unebenen Substraten Teile des Musters an der Substratoberfläche nicht im Fokus, somit werden verschwommene Strukturen in den Fotoresist einbelichtet. Um dies zu korrigieren, werden eine Oberflächenvermessung des zu strukturierenden Gebiets sowie eine abschnittsweise Refokussierung mittels Anpassung der Hologrammberechnung umgesetzt. Sowohl die Messung als auch die angepasste Belichtung werden parallelisiert in dem zu strukturierenden Feld durchgeführt. Für ersteres wird ein geeignetes Muster durch den Lichtmodulator projiziert, welches eine ortsaufgelöste Bestimmung der Oberflächenpositionen ermöglicht. Für letzteres werden Kurzdistanzpropagationsschritte in die Hologrammberechnung integriert, um eine gleichzeitige Projektion in mehrere Tiefenebenen zu ermöglichen. Zuletzt zeigen Belichtungstests die Leistungsfähigkeit des Systems.

Stromdichtebildgebung (CDI) von Strömen, die dem menschlichen Kopf aufgeprägt werden, würde eine individuelle und ortsaufgelöste Abbildung der Gewebeleitfähigkeit ermöglichen. Diese ist für eine zuverlässige funktionale Bildgebung neuronaler Aktivität und für Neuromodulation von zentraler Bedeutung. Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht CDI nicht-invasiv über die Erfassung des Magnetfeldes BJ, welches aus der Stromdichte J resultiert. Die konventionelle MRT im Hochfeld ist bei der Messung von BJ auf eine Raumrichtung limitiert, was die Rekonstruktion des vollen Stromdichtevektors deutlich erschwert. MRT im Ultra-Niedrigfeld (ULF) eröffnet neue Möglichkeiten für CDI. Magnetfelder, erzeugt von Raumtemperaturspulen, können innerhalb einer Pulssequenz beliebig geschalten werden. Dies ermöglicht zero-field encoding, eine Sequenz, bei der alle Komponenten von BJ im Nullfeld detektiert werden. Bisher konnte zero-field encoding mittels ULF MRT nicht realisiert werden, vorwiegend wegen Schwierigkeiten beim definierten Schalten der Magnetfelder. Darüber hinaus ist ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erforderlich, weil die an einen Menschen angelegten Ströme durch Sicherheitsvorschriften begrenzt sind. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines ULF-MRT-Aufbaus, der in-vivo CDI ermöglicht. Hauptmerkmale sind die Möglichkeit zur definierten Manipulation der Magnetisierungsrichtung, die Fähigkeit alle MRT-Felder nahezu instantan zu schalten und eine sehr hohe Sensitivität. Außerdem wurde die Sequenz modifiziert, sodass durch ein Kalibrierverfahren Phasenverschiebungen, resultierend aus BJ, von den Effekten der Pulssequenz getrennt werden können. Die Methoden wurden erfolgreich in Phantommessungen validiert. BJ und J wurden für 2 mA Ströme in verschiedenen Richtungen zuverlässig rekonstruiert. Diese Demonstration ist die erste Rekonstruktion des vollen J-Vektors auf der Grundlage einer nicht-invasiven Methodik. Bei Stromdichteverteilungen im Bereich der in-vivo erwartbaren Größenordnungen zeigte sich jedoch eine weitere notwendige Verbesserung des SNR. Die Sensitivität wurde zusätzlich theoretisch untersucht, wobei eine Beziehung zwischen dem SNR im Bildbereich und der Unsicherheit der Feldrekonstruktionen zugrunde gelegt wurde. Die Erkenntnisse aus den Phantommessungen und der Sensitivitätsanalyse veranlassten eine Weiterentwicklung des ULF-MRT-Aufbaus. In MRT-Simulationen mit einem realistischen Kopfmodell konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit des Systems ausreichend ist um BJ intrakraniell mit einem SNR[BJ] > 10 darzustellen. Schließlich wurden zwei Demonstrationsmessungen durchgeführt, eine mit einem realistischen Kopfphantom und die andere an einem Freiwilligen, in einer tatsächlichen in-vivo Anwendung. Unter Berücksichtigung weiterer möglicher Verbesserungen stimmten die Rekonstruktionen gut mit den Simulationen überein.

Die Blitzlampentemperung (Flash Lamp Annealing - FLA) zählt zu den Kurzzeittemperverfahren (Rapid Thermal Annealing - RTA), da die Erwärmung und Abkühlung der Schicht im Bereich von Millisekunden liegen. Die mit Hilfe von Blitzlampen durchgeführte Temperung dient zur oberflächennahen Erwärmung von Festkörpern. Hierbei handelt es sich um einen thermischen Prozess, der Materialeigenschaften verändern kann. Durch die Blitzlampentemperung kann der Schichtwiderstand von transparenten leitfähigen Oxidschichten (Transparent Conductive Oxides - TCO) reduziert und die Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich erhöht werden. In der vorliegenden Forschungsarbeit wird das Prozessverhalten von dynamischen FLA-Prozessen bei Indium-Zinn-Oxid (ITO) Schichten experimentell dargelegt. Dazu wurde der Einfluss von verschiedenen Prozessparametern wie Energiedichte und Pulszeit des Xenonlichtblitzes erforscht. Erste Versuche zur Untersuchung des Einflusses der Blitzwiederholrate und der Geschwindigkeit des Substrates ließen sich erfolgreich durchführen. Die Herstellung aller Schichten erfolgte am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) in der In-Line Sputteranlage ILA 750. Für die Blitzlampentemperung wurde das Lampensystem Xenon Flash Lamp Modul FLA 2x360w der Firma ROVAK GmbH genutzt. Das Modul ist Bestandteil der Beschichtungsanlage ILA 900 am Fraunhofer FEP und erlaubt sowohl die statische als auch die dynamische FLA-Behandlung von Substraten bis zu einer Größe von 600 mm x 1200 mm. Die unterschiedlichen Einstellungen der Blitze ließen sich optisch vermessen. Für ITO-Schichten mit einer Schichtdicke von 150 nm konnte nach der FLA-Behandlung ein Widerstand von 14 [Ohm] erreicht werden. Für die Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich wurden 87 % erzielt. Diese Werte sind vergleichbar mit einer konventionellen Temperung von ITO-Schichten im Ofen. Erfolgreich ließ sich zeigen, dass der FLAProzess an eine bestehende In-Line Prozessanlage implementiert werden kann.

Zusammenfassung Geordnete Nanostruktur-Arrays zeigen immer eine überlegene Leistung gegenüber ihren ungeordneten Gegenstücken. Die templatgesteuerte Herstellung von AAO (anodisches Aluminiumoxidoxid) ist im Vergleich zu Lithographie und Selbstorganisation eine relativ kostengünstige Technik. Im Allgemeinen können AAO-Schablonen in normale Schablonen und ultradünne AAO-Membranen (UTAM) mit Durchgangsloch klassifiziert werden. Bei normalen AAO-Schablonen machen nicht wiederverwendbare AAO-Schablonen den gesamten Herstellungsprozess sehr ineffizient und haben Umwelt- und Energieprobleme, wenn man den aktuellen Prozess der Herstellung und Veredelung des für die Anodisierung verwendeten Aluminiums berücksichtigt. Bisher gibt es nur wenige Berichte über die zerstörungsfreie Replikation von AAO-Matrizen auf Metallbasis, da das Infiltrieren des Metalls in die Poren von AAO-Matrizen nur schwer möglich ist. Das UTAM wird häufig als Schablonenmaske verwendet. Die Übertragung von UTAMS auf Zielsubstrate ist schwierig. Obwohl die Übertragung von UTAM im Wafer-Maßstab auf hydrophile Substrate demonstriert wurde, stehen aktuelle Verfahren immer noch vor der großen Herausforderung, fehlerfrei auf beliebige Substrate zu übertragen. Bisher wurden fast keine Anstrengungen unternommen, um die Abhängigkeit von den hydrophilen Substraten zu überwinden, was die umfassendere Anwendung von UTAMS einschränkt. Daher ist es praktisch wichtig, eine universelle Übertragungsmethode zu entwickeln, um faltenfreies UTAM auf beliebigen Substraten zu erhalten. In dieser Dissertation konzentrieren wir uns auf die beiden Themen und schlagen entsprechende Lösungen vor. Zunächst wenden wir eine zweistufige Abscheidungsstrategie an, um die AAO-Poren mit Metallen zu filtrieren und anschließend mechanisch zu extrahieren. Wir haben diese Methode erfolgreich auf drei verschiedene Metallarten angewendet. Darüber hinaus wurden auch Kern-Schale-Metall-Nanostrukturen hergestellt. Überdies wird auch die Anwendung der Metallnanostruktur-Arrays bei der optischen Fälschungssicherheit demonstriert. Zweitens schlagen wir eine gasströmungsunterstützte Entnetzungsmethode vor, um faltenfreies UTAM im Zentimeterbereich auf beliebige Substrate zu übertragen. Dieses Verfahren kann leicht durchgeführt werden, indem Druckluft verwendet wird, um das eingeschlossene Tröpfchen zwischen dem UTAM und dem Zielsubstrat herauszudrücken, wodurch die Kontaktwinkelhysterese ausgenutzt wird, um das eingeschlossene Tröpfchen auszudehnen und gleichzeitig die Membran während einer schnellen Entnetzung zu dehnen, die durch den Gasstrom angetrieben wird. Darüber hinaus bleiben die ursprünglichen Oberflächeneigenschaften der Zielsubstrate nach dem Transfer im Vergleich zu anderen Verfahren unverändert. Überdies haben wir diese Methode auch erfolgreich auf gekrümmte Substrate angewendet.

Temperatur-Blockkalibratoren werden sehr häufig in der Industrie und in Kalibrierlaboratorien bei Vergleichskalibrierungen von Berührungsthermometern als Temperiereinrichtungen eingesetzt. Hierbei erfolgt die Temperierung der Thermometer in einem metallischen Ausgleichsblock, dessen Temperatur mit einem internen Referenzthermometer bestimmt wird. Für die Erzielung kleiner Messunsicherheiten stellen dabei die Ausbildung eines homogenen Temperaturfeldes im Ausgleichsblock sowie die Ermittlung dieser Temperatur mit rückführbar kalibrierten Referenzthermometern die größten Herausforderungen dar. In dieser Dissertation wird ein neues Konzept eines Temperatur-Blockkalibrators im Temperaturbereich von 80 &ring;C bis 430 &ring;C vorgestellt. Abweichend zum Stand der Technik besitzt der neue Blockkalibrator eine Mehrzonenheizung und Wärmestromsensoren im Ausgleichsblock. Beides sorgt für die Verbesserung der Temperaturhomogenität. Außerdem ist eine kompakte Mehrfachfixpunktzelle für die rückführbare in situ Kalibrierung des internen Referenzthermometers enthalten. Das Konzept des Temperatur-Blockkalibrators sowie seine konstruktive Realisierung werden mittels probabilistischer Berechnungen numerischer FEM-Simulationen untersucht und mit Zielrichtung bester Temperaturhomogenität im Ausgleichsblock optimiert. Auf dieses Modell gestützt werden die Heizleistungen für die Mehrzonenheizung abgeschätzt und ein Abkühlungskonzept erarbeitet. Zudem wird aus dem FEM-Modell ein Systemmodell in Zustandsraumdarstellung des Temperatur-Blockkalibrators hergeleitet. Dieses kann z.B. für eine Reglerauslegung verwendet werden. Die internationale Temperaturskala von 1990 nutzt Phasenumwandlungstemperaturen hochreiner Stoffe für ihre Definition. Diese Temperaturen FP sind idealerweise konstant, sehr gut reproduzierbar und international anerkannt. Die kompakte Mehrfachfixpunktzelle enthält die Fixpunktmaterialien Indium ([theta]FP = 156,5985 &ring;C), Zinn ([theta]FP = 231,928 &ring;C) und Zink ([theta]FP = 419,527 &ring;C). Anhand dieser Fixpunkttemperaturen kann das interne Referenzthermometer des Temperatur-Blockkalibrators in situ rückführbar zur internationalen Temperaturskala kalibriert werden. Der Entwicklungsprozess der kompakten Mehrfachfixpunktzelle wird in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Ihre Geometrie wird nach thermischen und mechanischen Kriterien entworfen und auf Grundlage von probabilistischen Berechnungen mit FEM-Modellen optimiert. Ausgehend von einer Langzeitmessung wurden Unsicherheiten für die drei Fixpunkttemperaturen von kleiner als 60 mK (k = 2) bestimmt.

Für spektroskopische und bildgebende Anwendungen im Sub-Millimeter-Wellenlängenbereich sind supraleitende Strahlungssensoren aufgrund ihrer außergewöhnlichen Empfindlichkeit von besonderem Interesse. Dabei steigt die Anzahl der in einem Array integrierten Sensoren stetig. Dies erfordert Multiplexverfahren, um die Anzahl der Leitungen, die in die Kryostufe führen, zu reduzieren und damit den Wärmeeintrag zu verringern. Eine Implementierung des Codemultiplexverfahrens verwendet Stromsteuerungsschalter (CSS) als Polaritätsschalter, die auf supraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs) basieren. Die vorliegende Arbeit stellt ein Konzept vor, das eine supraleitende Digitalelektronik (RSFQ) zur Steuerung dieser Schalter verwendet. Die SQUIDs des CSS werden dafür jeweils induktiv mit der Speicherschleife eines RSFQ-Delay-Flip-Flops (DFF) gekoppelt. Eine Zustandsänderung in den DFFs erfolgt durch Speicherung eines magnetischen Flussquants, die wiederum eine Änderung des magnetischen Flusses in den gekoppelten SQUIDs bewirkt. Damit lässt sich der Signalweg durch den CSS beeinflussen und die Polarität des Schalters steuern. Über eine Kaskadierung mehrerer dieser RSFQ-gekoppelten Schalter in Reihe lassen sich CSS-basierte Multiplexerschaltungen aufbauen. Der Zustand des Multiplexers kann dadurch mittels digitaler RSFQ-Signale gesteuert werden. Die notwendigen Schritte zur Umsetzung des Konzepts sind ausführlich in der Arbeit beschrieben. Die Ausgangskomponenten sowie die neu entwickelten Schaltelemente wurden mit Hilfe von Simulationsrechnungen analysiert beziehungsweise entworfen und anschließend experimentell validiert. Dazu wird auch deren Leistungsfähigkeit miteinander verglichen. Die Schritte für eine Implementierung der neuen Bauelemente zu Multiplexerschaltungen werden vorgestellt. Darüber hinaus wurden Maßnahmen aufgezeigt und diskutiert, welche für einen Einsatz des Systems im sensornahen Betrieb erforderlich sind. Erste Umsetzungen wurden im Rahmen der Arbeit bereits realisiert.

In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum der zweidimensionalen Materialien Graphen und hexagonales Bornitrid (h-BN) auf den beiden metallischen Oberflächen Pt(lll) und Ru(000l), sowie die Interaktion eines organischen Moleküls mit diesen Probenoberflächen, mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops untersucht. Zuerst wird das Wachstum und die strukturellen Eigenschaften von Graphen und h-BN auf beiden metallischen Oberflächen beleuchtet. Dabei wird eine chemische Gasphasenabscheidungsmethode (CVD) mit dem Ausgangsstoff Ethen für das Graphenwachstum und eine alternative temperaturregulierte Wachstumsmethode (TPG) für das h-BN-Wachstum mit dem Ausgangsstoff Amminboran verwendet. Die beobachteten strukturellen Eigenschaften beider zweidimensionaler Materialen auf den jeweiligen Metalloberflächen werden diskutiert und verglichen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird ein Verfahren zum Wachstum von Heterostrukturen bestehend aus Graphen und h-BN entwickelt. Die Heterostruktur wird analysiert und ein Modell mit festgelegter Rotation zwischen den einzelnen atomaren Lagen auf der Basis der experimentellen Beobachtungen erstellt. Während der Aufnahme von STM-Bildern mit verringertem Spitzen-ProbenAbstand kann eine zusätzliche hexagonale Struktur abgebildet werden. Zum Vergleich mit den experimentellen Daten wurden Dichtefunktionaltheorierechnungen (DFT) der Graphen/h-BN-Heterostruktur durchgeführt. Anschließend werden die spektroskopischen Signaturen der Molekülorbitale des organischen Moleküls Dibenzotetraphenylperiflanthen (DBP), welches auf Graphen bzw. h-BN auf Pt(lll) und Ru(00Ol) adsorbiert wird, miteinander verglichen. Veränderungen der Energie der Molekülorbitale von DBP werden genutzt, um Austrittarbeitsveränderungen auf verschiedenen Teilen des h-BNMoires zu beschreiben. Die Lücke der beiden Molekülorbitale bleibt auf verschiedenen Adsorptionsplätzen auf h-BN-bedecktem Pt(lll) unverändert, während sich die absolute Energie der Molekülorbitale gleichermaßen verschiebt. Im Gegensatz dazu ist die Energieveränderungen der Molekülorbitale auf h-BN-bedecktem Ru(000l) nicht gleichförmig, was mit einem möglichen Ladungstransfer zu begründen sein könnte. Die effiziente Reduzierung der Hybridisierung zwischen DBP und den Metalloberflächen mit Hilfe der zweidimensionalen Pufferschichten Graphen und h-BN wird weiter untersucht. Beide zweidimensionalen Materialen sorgen dafür, dass Franck-Condon-Anregungen in beiden Molekülorbitalen zu beobachten sind. Auf h-BN sind Schwingungsprogressionen mit zwei Vibrationsenergien mit verschiedenen Huang-Rhys-Faktoren und scharfen Vibrationsseitenbändern bis zur zweiten Vibrationsordnung zu sehen. Im Gegensatz dazu sind die Orbital- und Vibrationsspektrallinien auf Graphen breiter, wodurch die zweite Vibrationsprogression nicht mehr zu erkennen ist. In diesem Fall trägt also nur eine Vibrationsmode zum Franck-Condon-Spektrum bei.

Resin Transfer Molding (RTM) als Herstellungsverfahren für Faserverbundbauteile bietet die Vorteile kurzer Zykluszeiten und niedriger Fehlstellengehalte in Form von Poren. Die Realisierung dieser beiden Ziele ist jedoch nur möglich, wenn der Einfluss der Prozesskenngrößen auf den Fehlstellengehalt bekannt ist. Hierzu wird in der vorliegenden Arbeit ein Beitrag geleistet. Die Bildung von Poren findet während der Benetzung der Faserbündel an der Fließfront des Harzes statt. Dabei entstehen aufgrund von Permeabilitätsunterschieden sowie der Wirkung des Kapillareffekts Ungleichmäßigkeiten, die zum Einschluss von Luft führen. In bisherigen Untersuchungen wurden zur Abschätzung des Porengehalts stets statische Kenngrößen verwendet und es erfolgte keine ausreichende Berücksichtigung der Bündelgeometrie. Daher können Ergebnisse nicht zur Prozessoptimierung auf konkret vorliegende Fälle übertragen werden. Mit Hilfe hier neu entwickelter Bündeltränkungsmodelle, in denen der dynamische Kontaktwinkel zwischen Harz und Faser erstmals rechnerisch erfasst wird, werden zunächst die Vorgänge an der Fließfront beschrieben. Es wird aufgezeigt, dass der Kapillareffekt bei hohen Tränkungsgeschwindigkeiten nicht mehr vorantreibend, sondern hemmend wirkt. Die Tränkungsmodelle werden in Fehlstellenentstehungsmodelle für sphärische und zylindrische Poren überführt. Ein neuartiges Weibull-Modell liefert dabei die Viskositätsentwicklung des Harzes während der Injektionsphase. Im anschließenden praktischen Teil werden Prozessversuche innerhalb eines Versuchsraums aus unterschiedlichen Preforms durchgeführt, in denen gezielt Poren erzeugt werden. Die vorliegenden Prozesskenngrößen werden in einem Glaswerkzeug in-situ erfasst. Die Gehalte der wesentlichen Fehlstellenarten werden analysiert. Hieraus ergeben sich empirisch ermittelte Anpassungsfaktoren für die Fehlstellenentstehungsmodelle, die von Faserhalbzeug oder Benetzungsrichtung abhängig sind. Die Modelle sind damit auf weitere Halbzeuge übertragbar. Abschließend wird ein Algorithmus zur Bestimmung der Injektionsparameter auf Basis des zu erwartenden Fehlstellengehalts anhand eines Beispielbauteils präsentiert. Dieser gestattet eine Prozessoptimierung, die sowohl eine kurze Zykluszeit als auch einen niedrigen Fehlstellengehalt zum Ziel hat. Somit wird ein kostengünstiger und qualitativ hochwertiger RTM-Prozess ermöglicht.

Digitale Methode und Modellen ermöglichen den Produktdesignern eine frühzeitige Evaluierung des Produkts, damit sie das Verhalten des Produkts und seine Interaktionen mit benachbarten Systemen in seinen späteren Lebensphasen besser verstehen können. Virtual Reality (VR) ist eine Technologie, die zum frühen Evaluierungsprozess beitragen kann, indem spätere Lebenssituationen eines Produkts schon in der Entwurfsphase angezeigt werden können. Die Anwendung von VR in der Industrie ist jedoch derzeit aufgrund des hohen Modellaufbereitungsaufwands und der limitierten Wiederverwendbarkeit vorhandener Modelle begrenzt. Daher befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung einer Methode, die die frühzeitige Evaluierung des Produkts innerhalb von VR und die Verwendung von VR im Produktentwicklungsprozess erleichtern kann. Diese Methode befasst sich mit dem Prozess der Entwicklung allgemeiner Verhaltensbeschreibungen zur Verwendung in VR, die auch wiederverwendet werden können, um dynamische Anwendungsfälle eines Produkts in den verschiedenen VR-Systemen abzubilden. Der Fokus liegt auf der Reduzierung des gesamten Aufbereitungsaufwands von VR-Modellen und auf das Verwirklichen einer hohen Wiederverwendbarkeit bereits vorhandener Modelle. Die Kernkomponenten der Arbeit bestehen in der Verwendung von Model Based Systems Engineering (MBSE) zur Entwicklung allgemeingültiger Verhaltensmodellbeschreibungen, ihrer Verwendung beim Erstellen verschiedener Anwendungsfälle eines Produkts in einem VR-System und ihrer Wiederverwendung in den verschiedenen VR-Systemen. Die Systems Modeling Language (SysML) wird zur Beschreibung der Verhaltensmodelle verwendet, der Modellierungsprozess wird systematisch beschrieben und auch in Form allgemeiner Anwendungsrichtlinien für die spätere Verwendung zusammengefasst. Darüber hinaus wird eine dedizierte Physik-Engine verwendet, um die physikalischen Berechnungen für virtuelle Objekte in VR durchzuführen, welche auch mit SysML integriert ist. Diese SysML-Verhaltensmodelle zusammen mit der Physik-Engine bilden eine echtzeitfähige Produktanwendungssimulation in VR. Dieselben SysML-Verhaltensmodelle werden für verschiedene VR-Systeme verwendet, um Echtzeitsimulationen abzubilden und ihre Wiederverwendung zu validieren. Zwei VR-Prototypen wurden entwickelt, um die Wirksamkeit und Verwendung der vorgestellten Methoden zu demonstrieren. Schließlich wurde einer der Prototypen einer empirischen Untersuchung unterzogen, die mithilfe von Experten aus Wissenschaft und Industrie durchgeführt wurde.

Die Behandlungsmöglichkeiten neurologischer und neuropsychiatrischer Erkrankungen haben sich in den letzten Jahrzehnten deutlich verbessert, sind aber immer noch eingeschränkt. Eine Dysregulation oder Störung der Neuroplastizität ist bei vielen psychischen und Hirnfunktionsstörungen beteiligt. Hier sind nicht-invasive Hirnstimulationstechniken relevant, die die Plastizität des Gehirns modulieren, ohne die physische Integrität des Schädels zu beeinträchtigen. Eine davon, die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), hat in mehreren klinischen Pilotstudien vielversprechende Ergebnisse zur Verminderung von Symptomen auf der Grundlage von Störungen des Zentralnervensystems gezeigt. Diese Effekte sind jedoch häufig moderat, zeigen eine nichtlineare Dosisabhängigkeit und eine interindividuelle Variabilität. Um die Wirksamkeit dieses Verfahrens zu verbessern, sind länger anhaltende und homogenere Effekte erforderlich. Dies erfordert neuartige, verbesserte Interventionsstrategien. Darüber hinaus wurden die neuromodulatorischen Wirkungen von tDCS auf den primären motorischen Kortex bisher weitgehend als Grundlage für die Anwendung dieser Intervention auf andere Hirnregionen herangezogen, während eine direkte Untersuchung der physiologischen Wirkungen von tDCS auf nichtmotorische Regionen weitgehend fehlt. Die Arbeit zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch den Einsatz innovativer neurophysiologischer und mathematischer Techniken anzugehen, um die Wirksamkeit des kathodalen tDCS über dem primären motorischen Kortex zu verbessern, aber auch die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den präfrontalen Kortex zu untersuchen. Zu diesem Zweck titrierten wir im ersten Schritt systematisch kathodale tDCS-Parameter für das humane motorische Kortexmodell mit unterschiedlichen Intensitäten (1, 2 und 3 mA) und Stimulationsdauern (15, 20 und 30 min). Die Ergebnisse zeigten intensitätsabhängige nichtlineare Effekte, bei denen die Stimulation mit 1 mA eine signifikante Verringerung der Amplitude der motorisch evozierten Potentiale (MEP) induzierte, während die Stimulation mit 2 mA zu einer signifikanten Erhöhung der kortikospinalen Erregbarkeit führte. Protokolle mit höherer Stimulationsintensität (insbesondere Stimulation mit 3 mA) induzierten erneut eine signifikante Verringerung der Erregbarkeit, die etwa eineinhalb Stunden nach der Stimulation andauerte, und waren daher effizienter als die anderen Protokolle. Im zweiten Schritt haben wir untersucht, ob wiederholte tDCS-Protokolle mit unterschiedlichen Intervallen die Nacheffekte verlängern können. Wir verglichen die Auswirkungen von Einzelinterventionen mit konventioneller (1 mA für 15 Minuten) und optimierter kathodaler tDCS (3 mA für 20 Minuten) mit den Auswirkungen einer wiederholten Anwendung in Intervallen von 20 Minuten und 24 Stunden auf die Erregbarkeit des primären motorischen Kortex, basierend auf tierexperimentellen Befunden, dass kurze, aber nicht lange Intervalle zwischen einzelnen Interventionen eine langanhaltende Plastizität erzeugen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Dauer der Nacheffekte wiederholter konventioneller und optimierter Protokolle mit kurzen Intervallen im Vergleich zu den jeweiligen Einzelinterventionsprotokollen nahezu unverändert blieb. Für das lange Intervall (24 h) veränderte die Stimulation mit dem herkömmlichen Protokoll die jeweiligen Nachwirkungen nicht signifikant, während sie die Wirksamkeit des optimierten Protokolls im Vergleich zu den jeweiligen Einzelinterventionen verringerte. Ein wichtiges Ergebnis der ersten Studie waren die beobachteten nichtlinearen intensitätsabhängigen Effekte von tDCS, die eine Erklärung für teilweise heterogene Ergebnisse der kathodalen Stimulation bieten können, allerdings hinsichtlich ihrer neurophysiologischen Grundlagen bisher nur unzureichend untersucht waren. Im dritten Schritt haben wir daher die zugrunde liegenden Mechanismen dieser nonlinearen Effekte untersucht. Da tDCS eine NMDA-Rezeptor-abhängige Neuroplastizität erzeugt, die Kalzium-abhängig ist, kann eine solche Nichtlinearität möglicherweise durch unterschiedliche durch die Intervention induzierte Kalziumkonzentrationen erklärt werden, die die Richtung der Plastizität steuern. Wir verabreichten daher den Kalziumkanalblocker Flunarizin in niedrigen (2,5 mg), mittleren (5 mg) oder hohen (10 mg) Dosierungen vor der kathodalen tDCS des motorischen Kortex mit 3 mA für 20 Minuten. Die Ergebnisse zeigten, dass die durch kathodale tDCS hoher Intensität induzierten inhibitorischen Nachwirkungen bei niedrigen, mittleren bzw. hohen Dosierungen eines Kalziumblockers nicht verändert, verringert oder in eine Erregbarkeitserhöhung modifiziert wurden, was die Kalzium-abhängige Direktionalität von tDCS-induzierter Neuroplastizität bestätigt. Das Ergebnis der ersten und zweiten Studie zeigten eine relevante interindividuelle Variabilität der tDCS-Effekte, die eine weitere Quelle für die begrenzte Wirksamkeit dieser Intervention sein könnte. Jüngste In-vivo-Experimente und Computerstudien am Menschen zeigten, dass das tDCS-induzierte elektrische Feld (EF) stark von der individuellen Anatomie des Gehirns und den Leitfähigkeitseigenschaften des Gewebes abhängt. Die EF-Variabilität könnte daher ein wichtiger Faktor für heterogene Ergebnisse der tDCS sein. Im vierten Schritt, basierend auf neurophysiologischen Daten, die in früheren Studien unserer Gruppe erhoben wurden, die tDCS-induzierte MEP- (induziert durch transkranielle Magnetstimulation (TMS)) und zerebrale Blutfluss-Veränderungen (CBF; gemessen durch funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) über arterielles Spin-Labelling) erfaßten, untersuchten wir den Zusammenhang zwischen einzelnen anatomischen Faktoren, tDCS-induziertem EF und den jeweiligen physiologischen Parametern auf der Ebene des Individuums. Zu diesem Zweck wurde für jeden Teilnehmer ein MRT-basiertes realistisches Kopfmodell entworfen, um 1) anatomische Faktoren zu berechnen und 2) die tDCS- und TMS-induzierten elektrischen Felder (EF) zu simulieren. Anschließend untersuchten wir auf regionaler Ebene, welche einzelnen anatomischen Faktoren die simulierten EFs erklären. Schließlich untersuchten wir, welche spezifischen anatomischen und / oder EF-Faktoren die neurophysiologischen Ergebnisse der tDCS vorhersagten. Die Ergebnisse zeigten, dass von den untersuchten anatomischen Faktoren höhere EF-Werte mit einem geringeren Abstand zwischen Elektrode und Kortex (ECD) und einer geringeren Dicke des Liquor cerebrospinalis (CSF) verbunden waren. Zusätzlich waren CSF-Dicke und ECD negativ korreliert, während EFs positiv mit tDCS-induzierten physiologischen Veränderungen korreliert waren. Schließlich untersuchten wir im fünften Schritt die Übertragbarkeit der durch kathodale tDCS induzierten Neuroplastizität vom motorischen auf den präfrontalen Kortex. Die neurophysiologischen Wirkungen von tDCS auf den primärmotorischen Kortex wurden bereits in einer vielzahl von Studien untersucht. Viel weniger ist jedoch hinsichtlich physiologischer Effekte der tDCS auf nichtmotorische Bereiche wie den präfrontalen Kortex bekannt, der eine wichtige Basis für vielfältige kognitive Funktionen darstellt und dessen Dysfunktionen an neuropsychiatrischen Störungen beteiligt sind. Zu diesem Zweck wurde kathodale tDCS mit niedrigen, mittleren und hohen Dosierungen oder eine Placebo-Stimulation über dem primärmotorischen und dorsolateralen präfrontalen Kortex appliziert. Die Nacheffekte der tDCS wurden mittels TMS-Elektroenzephalographie (EEG) und TMS-MEP auf regionaler Ebene für die Ergebnisparameter TMS-evozierte Potentiale (TEP), TMS-evozierte Oszillationen und MEP-Amplitudenänderungen bewertet. Die Ergebnisse zeigten eine dosisabhängige nichtlineare neurophysiologische Wirkung der tDCS über dem motorischen Kortex, die nicht vollständig auf die Ergebnisse der tDCS über dem präfrontalen tDCS übertragbar war. Niedrige und hohe Dosierungen der tDCS über dem motorischen Kortex reduzierten frühe positive TEP-Peaks und MEP-Amplituden, während eine Erhöhung der Amplituden dieser Potentiale für primärmotorische tDCS mit mittlerer Dosierung beobachtet wurde. Im Gegensatz dazu reduzierte präfrontale tDCS mit niedriger, mittlerer und hoher Dosierung die frühen positiven TEP-Amplituden gleichermaßen. Darüber hinaus wurden für beide kortikalen Bereiche keine tDCS-induzierten neuromodulatorischen Effekte auf späte TEP-Amplituden (mit Ausnahme präfrontaler tDCS mit niedriger Dosierung) oder TMS-evozierte Oszillationen beobachtet. Zusammengenommen hat diese Arbeit unter Verwendung innovativer neurophysiologischer, Computergestützter und bildgebender Verfahren wichtige Aspekte in Bezug auf tDCS-induzierte neuroplastische Effekte untersucht, und liefert neue Erkenntnisse für zukünftige Anwendungen von tDCS in Grundlagen- und klinischen Studien.

Die elektrochemische Abscheidung von Silicium ist eine aussichtsreiche Alternative zu den derzeitigen energieintensiven Herstellungsverfahren. Bisher ist der Reduktionsprozess jedoch kaum verstanden und die Schichten weisen starke Kohlenstoff- und Sauerstoffverunreinigungen auf. Für den Einsatz als hochkapazitive Anoden in Lithium-Ionen-Batterien ist deshalb die Anpassung der Schichteigenschaften und chemischen Zusammensetzung erforderlich. Diese Parameter werden durch das verwendete Substrat, die Stabilität des Elektrolyten und dem angelegten Potential beeinflusst. Daher wird in dieser Arbeit die Reduktion von SiCl4 in diversen aprotischen Medien, u.a. 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium Bis(trifluoromethylsulfonyl)imid ([BMP][TFSI]) und Sulfolan (SL), untersucht. Als Hauptanalysewerkzeug dient dabei die elektrochemische Quarzkristallmikrowaage mit Dissipationsüberwachung. Die morphologische und chemische Charakterisierung erfolgt mittels Rasterelektronenmikroskopie bzw. Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Die Ergebnisse zeigen unabhängig von Substrat und Potential eine starke Zersetzung von [BMP][TFSI] während der Abscheidung. Die Menge an Si(0) unterscheidet sich jedoch auf den einzelnen Substraten und reicht von 18,1 at.% (Glaskohlenstoff - GC) bis 7,5 at.% (Ni). Im Gegensatz dazu wird die Reduktion von SiCl4 auf den Metallelektroden in SL bei niedrigen Potentialen kaum durch die Nebenreaktionen beeinträchtigt, wodurch doppelt so hohe Anteile an Si(0) in den Schichten erreicht werden. Auf GC verhindert die Zersetzung von SL eine erfolgreiche Abscheidung von Si. In beiden Elektrolyten nehmen Rauheit und Viskoelastizität des Si mit zunehmender Abscheidezeit (t>1h) zu. Das (De-)Lithiierungsverhalten der Schichten wird mittels galvanostatischer Zyklisierung in EC/DMC (1:1, v/v) - LiPF6 Elektrolyten bei verschiedenen spezifischen Strömen untersucht. Die Daten zeigen eine schnelle Abnahme der Kapazität aufgrund der hohen Volumenexpansion während der Legierungsbildung. Durch Verwendung eines porösen Kupfer-Stromabnehmers konnten die Zyklenstabilität, Ratenfähigkeit und Coulomb-Effizienz von aus SL abgeschiedenem Si jedoch deutlich verbessert werden. Selbst nach 1200 Zyklen besitzt das Material noch eine Kapazität von ca. 1,5 Ah/g. Darüber hinaus konnten keine Risse in der Schicht festgestellt werden, was die hohe Stabilität der Elektrode belegt.

Die vorliegende Dissertation beschreibt den Einsatz von Qualitätsmanagementmethoden in der Galvanotechnik, um die geforderten Schichteigenschaften zu jeder Zeit gewährleisten zu können. Im Sinne einer Null-Fehler-Strategie müssen dazu die Prozessschwankungen möglichst minimiert werden. Die Dissertation ist an die DMAIC-Methode der Six Sigma Philosophie (Define, Measure, Analyze, Improve und Control) angelehnt. In der Definitionsphase werden die grundlegenden Zusammenhänge der Galvanotechnik und der untersuchten Prozesse der Nickel- und Nickel-Phosphorabscheidung beschrieben. Als Schlussfolgerung daraus rückt die chemische Badzusammensetzung ins Zentrum der Untersuchung, da diese die Schichteigenschaften wesentlich bestimmt und prozessimmanenten Schwankungen unterliegt. Ausgehend von der Messung und Analyse der Konzentrationsschwankungen lassen sich Regeln zur Festlegung von Analyseintervallen und Eingriffsgrenzen zur Steuerung der Prozesse definieren. Diese münden in eine Neukonzipierung der Badführung mit dem Ziel Schwankungen zu minimieren. Darauf aufbauend lassen sich durch Bilanzierung der Reaktionen und Stoffverbräuche die komplexen Konzentrationsänderungen makroskopisch durch einfache chemische und physikalische Zusammenhänge beschreiben, wodurch sich Prozessveränderungen im Voraus berechnen lassen. Dazu ist die Ermittlung charakteristischer Kenngrößen, wie Verschleppung, Stromausbeute und Reaktionsumsätze nötig, die mit Hilfe eines numerischen Lösungsverfahrens aus den Prozessdaten selbst gewonnen werden können. Durch die Simulation der Konzentrationsänderungen lassen sich Maßnahmen definieren um möglichst stationäre Bedingungen in den galvanischen Bädern einzustellen. In der Kontrollphase werden die beschriebene Systematik und Umsetzung anhand ausgewählter Prozesse überprüft. Die berechneten Prozesskennwerte und Konzentrationsverläufe wiesen dabei eine Abweichung von etwa 10% im Vergleich zu den gemessenen Werten auf. Für die elektrolytische und chemische Nickel-Phosphorabscheidung konnten kurzfristige Prozessfähigkeiten über 2 erreicht werden. Ebenso konnte flankierend mit weiteren Verbesserungen der Ausschussanteil bei der Beschichtung von MID-Bauteilen (molded interconnect devices) von 3% auf dauerhaft weniger als 0,1% gesenkt werden. Dies zeigt, dass ein galvanischer Serienprozess die heutigen industriellen Anforderungen erfüllen kann.

Die Forschungsarbeit zielt darauf ab einen Beitrag zum besseren Verständnis der Zerspanungsmechanismen nachgiebiger CFK-Strukturen zu leisten. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Werkzeuggeometrie, des Werkzeugverschleißes sowie den spannsituationsspezifischen Einflussfaktoren. Es wird insbesondere die spanende Bearbeitung von endkonturnahen 3-dimensionalen Bauteilen adressiert, welche aktuell mit komplexen Spannsystemen realisiert werden muss. Im Gegensatz zur industriellen Praxis sieht der Forschungsansatz vor, eine gewisse Werkstücknachgiebigkeit an der Bearbeitungsstelle zuzulassen, welche eine ausreichende Bearbeitungsqualität gewährleisten kann. Dadurch schafft die Abhandlung eine Grundlage zur Auslegung und Optimierung von Spannsystemen. Durch die Reduktion der Komplexität von Spannsystemen können Kosten eingespart werden. Gleichzeitig verringert sich damit auch der Platzbedarf zur Lagerung der Spannsysteme. Obwohl sich ein Großteil der Arbeit mit elementaren Grundlagen der Zerspanung von nachgiebigen CFK-Strukturen befasst, ist der Fokus der Untersuchungen der angewandten Forschung zuzuordnen. Diesbezüglich werden als Zerspanungsmaterial CFK-Laminate aus dem luftfahrttypischen Prepreg HexPly® M21/T800S verwendet, welche mit VHM-Stufenbohrergeometrien nach aktuellem Industriestandard bearbeitet werden. Im experimentellen Teil erfolgt eine messtechnische Analyse der Werkstückkinematik relativ zur Werkzeugbewegung und in Abhängigkeit von der lokalen Werkstücknachgiebigkeit an der Bearbeitungsposition. Dabei steht die zeitliche Entwicklung des Spanungsquerschnittes und der Vorschubswerte des Bearbeitungsprozesses im Vordergrund. Diese werden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Austrittsdelamination bewertet. Werkzeugseitig werden dabei die Schneidkantenverrundung von 10 [my]m bis 50 [my]m sowie der Spitzenwinkel der Hauptschneiden zwischen 70&ring; und 130&ring; variiert. Die Erkenntnisse der Quantifizierung der Zerspanungsmechanismen gehen Hand in Hand mit der Neuentwicklung dreier unterschiedlicher Simulationsmodelle. Diese bilden die Entstehung von Maßabweichungen der Bohrungskontur, den zeitabhängigen Prozesskraftverlauf sowie die initiale Schädigungsentstehung beim Werkzeugaustritt aus dem CFK-Laminat nach.

Aus neurowissenschaftlicher Sicht sind die Möglichkeiten für die Echtzeitverarbeitung neuronaler Daten vielfältig. Echtzeit-Tools ermöglichen nicht nur einen schnelleren und intuitiveren Einblick in augenblickliche Gehirnfunktionen, sondern schaffen eine Grundlage für eine Vielzahl von Neurofeedback-Szenarien. Darüber hinaus ermöglichen sie eine frühzeitige Beurteilung der Datenqualität und des Versuchsaufbaus. Dies erlaubt ein frühes Eingreifen und Beheben von möglichen Fehlern. Aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung sind Magnetoenzephalographie (MEG) und die Elektroenzephalographie (EEG) geeignete Messverfahren für die Echtzeitdatenverarbeitung. Es existieren bereits Software-Toolboxen, welche in der Lage sind, M/EEG-Daten in Echtzeit zu überwachen und zu verarbeiten. Diese Arbeit stellt eine Reihe neuer Werkzeuge zur Erfassung und Verarbeitung elektrophysiologischer Datenströme vor. Die Methoden in dieser Arbeit ermöglichen die Schätzung und Visualisierung großer funktionaler Netzwerke in Echtzeit. Bereits existierende Arbeiten haben sich bisher stets auf Netzwerke mit wenigen Knoten konzentriert. Alle neuen Tools wurden in das Open-Source-Projekt MNE-CPP integriert, welches eine API und GUI-Anwendungen bereitstellt. Damit stehen die neuen Tools sowohl für Entwickler als auch Anwendern, welche keine oder nur wenig Programmiererfahrung besitzen, zur Verfügung. Die neuen Echtzeit-Tools sind in der Lage funktionale Netzwerke auf Sensor- und Quellebene zu verarbeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Proof-of-Principle-Messung durchgeführt, welche funktionale Netzwerke auf Quellniveau und evozierten Reaktionen, die durch eine Stimulation des sog. Nervus medianus ausgelöst wurden, geschätzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die implementierten Echtzeit-Tools wie erwartet funktionieren und in der Lage sind, während einer laufenden Messung, Einblicke in funktionale Netzwerke zu geben. Die implementierten Tools ermöglichen es dadurch eine laufende Messung zu überwachen und Experiment- bzw. Einrichtungsprobleme frühzeitig zu erkennen. Weiterhin können die Echtzeitergebnisse genutzt werden, um neuartige Gehirn-Maschinen Schnittstellen zu entwerfen.

Die zur Verfügung stehenden Frequenzen stellen für eine zunehmende Anzahl von Anwendungen eine zentrale Ressource dar. Die effiziente Nutzung der verfügbaren Frequenzen ist erforderlich und damit die Entwicklung von frequenzagilen Sender- und Empfängerarchitekturen. Dafür können entweder mehrere Schaltungen für die jeweiligen Frequenzen parallel aufgebaut werden, oder im Sinne der fortschreitenden Miniaturisierung konfigurierbare Schaltungen verwendet werden. Die steuerbaren Bauelemente, die für konfigurierbare Schaltungen notwendig sind, sind auf vielfältige Weise realisierbar. Die vorliegende Arbeit beinhaltet den Funktionsbeweis der transistorbasierten Induktivitätsschaltung, zeigt das Potenzial des Ansatzes und stellt Richtlinien für die Dimensionierung beziehungsweise den Aufbau der Schaltung auf. Das Potenzial als symmetrische, variierbare und miniaturisierbare Induktivität im Hochfrequenzbereich für frequenzagile Anwendungen wird untersucht. Eine Literaturrecherche zum Stand der Technik beschreibt die bisher üblichen Methoden für abstimmbare Induktivitäten und ermöglicht einen Vergleich mit der Induktivitätsschaltung. Sie ist aufgrund der Möglichkeit der Integration und Miniaturisierung eine nützliche Ergänzung für die HF-Schaltungstechnik. Analytische Untersuchungen in Kombination mit numerischen Simulationsmethoden erlauben das Ableiten von präziseren Entwurfskriterien, die nach Wissen der Autorin das erste Mal auch transistorinterne Größen berücksichtigen. Die Richtlinien werden anschließend durch die Messung realisierter Schaltungen validiert, in denen symmetrisches Verhalten.

Ein wesentlicher Treiber in vielen heutigen Technologiebereichen ist die Miniaturisierung von elektrischen, optischen und mechanischen Systemen. Mehrachsige Geräte mit großen Verfahrbereichen und extremer Präzision spielen dabei nicht nur in der Messung und Qualitätssicherung, sondern auch in der Fabrikation und Manipulation von Nanometerstrukturen eine entscheidende Rolle. Die vertikale Bewegungsaufgabe stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Schwerkraft des bewegten Objektes permanent kompensiert werden muss. Diese Arbeit schlägt dafür eine Vertikalhub- und -aktuiereinheit vor und trägt damit zur Weiterentwicklung von Nanometer-Präzisionsantriebssystemen bei. Grundlegende mögliche kinematische Integrationsvarianten werden betrachtet und entsprechend anwendungsrelevanter Kriterien gegenübergestellt. Der gezeigte parallelkinematische Ansatz zeichnet sich durch seine gute Integrierbarkeit, geringe negative Einflüsse auf die umliegenden Systeme, sowie die Verteilung der Last auf mehrere Stellglieder aus. Folgend wird ein konstruktiver Entwicklungsprozess zusammengestellt, um diese favorisierte Variante weiter auszuarbeiten. Im Laufe dieses Prozesses wird die zu entwickelnde Einheit in das Gesamtsystem eingeordnet und ihre Anforderungen, Randbedingungen und enthaltenen Teilsysteme definiert. Die vertikale Aktuierung besteht dabei aus zwei Systemen: Einer pneumatische Gewichtskraftkompensation und einem elektromagnetischen Präzisionsantrieb. Das technische Prinzip der Hubeinheit wird erstellt und die Teilsysteme im verfügbaren Bauraum angeordnet. Daraus wird ein detailliertes Modell des pneumatischen Aktors abgeleitet, dieser dimensioniert und dessen Eigenschaften bestimmt. Die Ausdehnung dieses Teilsystems definiert die räumlichen Grenzen für den umliegenden Präzisionsantrieb. Zur Auslegung dieses Antriebs wird das Kraft-/Leistungsverhältnis als Zielgröße definiert. Mit Hilfe von numerischer Simulation und Optimierung werden Geometrien für verschiedenste Topologien entworfen und bewertet. Die geeignetste Variante wird mit allen Teilsystemen in eine Einheit integriert und auskonstruiert. Abschließend werden zukünftige Schritte für die Integration der Einheit in ein Präzisionsantriebssystem dargestellt und mögliche Anwendungsszenarien in der Nanofabrikation präsentiert.

Das PCB Jet Printing ist eine innovative Methode um Lotpaste ohne die Verwendung von Schablonen auf Leiterplatten (PCB - printed circtuit board) zu applizieren. In Fertigungslinien enthaltene Inspektionssysteme sind in der Lage zu entscheiden, ob eine Leiterplatte korrekt bedruckt wurde und somit weiterverwendbar ist. Eine Korrektur fehlerhafter Platten ist in diesem Schritt mit vertretbaren Kosten und Aufwand jedoch nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines integrierbaren und online-fähigen Inspektionssystems um den Druckprozess zu überwachen. Dazu soll das Volumen der Lotpunkte ermittelt werden um dieses bei Bedarf zu korrigieren, bevor die Leiterplatte den Drucker verlässt. Somit können Unsicherheiten reduziert und die Effizienz des Systems erhöht werden. Für die Umsetzung wird eine photogrammertrische Rekonstruktion etabliert. Dies beinhaltet das Design und die Realisierung eines Demonstratorsystems. Es wurde ein neuartiger Ansatz für die Kamerakalibrierung im neu eingeführten Bereich der ultra-close range normal case photogrammetry vorgeschlagen und über den 2D Reprojektionsfehler sowie den 3D Rekonstruktionsfehler evaluiert. Um effizient Bildmerkmale zu extrahieren wurden bekannte Merkmalsextraktoren und -deskriptoren untersucht und beispielsweise in Bezug auf eine Skalenraumprozessierung angepasst. Für die Evaluierung wurde ein neuer Parameter eingeführt (Solder Joint Feature Coverage - SolFeC), welcher die Abdeckung der Lotpunkte mit Bildmerkmalen beschreibt. Das kalibrierte Kameramodell wurde neben der Rekonstruktion zur modellbasierten Punktkorrespondenzkorrektur verwendet, da dieser Schritt im Nahbereich aufgrund des identischen Erscheinungsbildes verschiedener Lotpunkte eine hohe Herausforderung darstellt. Die Ergebnisse des feature matchings wurde über die Parameter precision und recall sowie über das Rekonstruktionsergebnis bewertet. Mittels angepasster Kameramodelle wurden die Punktkorrespondenzen zur 3D Rekonstruktion einer Punktwolke verwendet. Diese wird in ein Clustering überführt. Anschließend wird jede Lotpunktwolke über eine konkave Hülle vermascht und gefiltert. Die Abweichung der berechneten Volumina innerhalb der Lotpunkte mit einem Volumen von mehr als 30 nl beträgt weniger als 12%, was mit der Schwankung des Lotpastendrucks korrespondiert. Die allgemeine Abweichung beträgt 14%.

Superkondensatoren sind als elektrochemische Energiespeicher von großer Bedeutung, was auf ihre hervorragende elektrische Leistung, ihre ausgezeichnete Reversibilität und ihre lange Lebensdauer zurückzuführen ist. Im Vergleich zu Batterien haben Superkondensatoren jedoch eine geringe Energiedichte, was ihre breite Anwendung einschränkt. Pseudokapazitive Materialien mit einer hohen theoretischen Kapazität sind sehr vielversprechend, um die Energiespeicherfähigkeit von Superkondensatoren zu erhöhen. Die Forschung an nanoarchitektonischen Stromspeichern zielt darauf ab, ihr volles Potenzial im Bereich der Ladungsspeicherung auszuschöpfen, indem man sich mit den herausfordernden Aspekten wie der inhärent niedrigen elektrischen Leitfähigkeit und dem trägen Lade- und Entladeverhalten der meisten pseudokapazitiven Materialien befasst. In diesem Zusammenhang wurden drei Arten von nanoarchitektonischen Stromkollektoren entworfen, um pseudokapazitive Elektroden zu konstruieren, die unter verschiedenen Aspekten untersucht werden sollten. Es handelt sich dabei um Nickel-Nanorod-Arrays (NN), geätzte poröse Aluminiumoxidmembranen (EPAM), die mit einer SnO2-Schicht beschichtet sind (EPAMSnO2), und in EPAM eingeschlossene Nickel-Nanodrähte (NiNWs-EPAM): Zunächst wird die Rolle von NN-Nanoarchitekten-Stromkollektoren in Superkondensator-Elektroden mit den pseudokapazitiven Materialien bei hoher Massenbelastung und dicker Schicht bewertet. Durch die elektrochemische Leistungs- und Impedanzanalyse der Elektroden mit und ohne die NN-nanoarchitektierten Stromkollektoren wird die Validierung des Designs von Dickschichtelektroden auf der Basis von nanoarchitektierten Stromkollektoren demonstriert. Zweitens werden EPAM@SnO2-Gerüste als nanoarchitektonische Stromkollektoren für Nanoelektroden entworfen und eingesetzt, um die Energiedichte des Mikro-Superkondensators (MSC) zu verbessern. Dank der orientierten und robusten Nanokanäle in EPAM@SnO2 können die daraus resultierenden Nanoelektroden sowohl die effektive Ionenmigration als auch die sehr große elektroaktive Oberfläche innerhalb des begrenzten Footprints synergetisch nutzen. Ein MSC wird schließlich konstruiert und weist eine rekordverdächtig hohe Leistung auf, was auf die Umsetzbarkeit des derzeitigen Designs für Energiespeichervorrichtungen hindeutet. Drittens wird der NiNWs-EPAM nanoarchitektierte Stromkollektor hergestellt, um nicht aggregierende und robuste eindimensionale (1D) Nanoelektroden-Arrays zu konstruieren. Das EPAM verhindert die Selbstaggregation von 1D-Nanoelektroden-Arrays und verleiht ihnen gleichzeitig eine hohe strukturelle Integrität und elektrochemische Stabilität während der Montage und des Betriebsprozesses der Geräte. MSCs, die mit diesen nicht aggregierenden und robusten 1D-Nanoelektroden bestückt sind, erreichen eine bemerkenswerte Energiespeicherleistung. Die im Rahmen dieser Arbeit zu nanoarchitektonischen Stromkollektoren für Superkondensatoren erzielten Ergebnisse geben einen Ausblick auf den Entwurf zukünftiger Energiespeicher und -wandler.

Die Strukturerzeugung im Einzelnanometerbereich stellt einen der kritischsten technologischen Aspekte der Nanofabrikation dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll ein Fowler-Nordheim Feldemissionsprozess am Spitzenapex einer diamanthaltigen Rastersonde genutzt werden, um in Molekularglasresistsystemen lithographisch nutzbare Reaktionen auszulösen. Dabei bieten aktive Cantilever die Möglichkeit von Detektion und Lithographie mit der gleichen Rastersonde und vielversprechende Möglichkeiten für eine gezielte Strukturierung im Bereich weniger Nanometer. Gleichzeitig hängt die Herstellung von zukünftigen Quantenbauteilen zu einem größeren Teil von der Qualität der Musterübertragung in ein Siliziumsubstrat ab. Daher ist ein weiterer Bestandteil der vorliegenden Dissertationsschrift die Einführung und Charakterisierung eines reaktiven Ionenätzprozesses bei kryogenen Temperaturen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt erstmalig die Strukturierung von Calixarenresist mittels Feldemissions-Rastersondenlithographie (FE-SPL) durch die Verwendung von Diamantspitzen. Dafür wurden zunächst aktive Cantilever mit diamantbeschichteten Siliziumspitzen und einkristallinen Diamantspitzen hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass (i) die Elektronenemissionsstabilität und (ii) die mechanische Stabilität dieser Materialien besser ist als die der standardmäßig genutzten Siliziumspitzen. Auch nach langer Nutzungsdauer einer einzelnen Diamantspitze ist die Strukturerzeugung im Bereich von sub-10nm möglich. Die Zukunftsfähigkeit dieser Materialien im Rahmen einer FE-SPL-Anwendung ist somit signifikant. In Verbindung mit einem reaktiven Ionenätzprozess bei kryogenen Temperaturen (cRIE) erfolgt zudem die Charakterisierung eines Ätzprotokolls für den erfolgreichen Musterübertrag im Bereich von sub-10nm. Weiterhin werden herausfordernde Aspekte bezüglich der Anwendbarkeit, des Durchsatzes und des Strukturübertrages untersucht und durch geeignete Techniken gelöst. Eine neuartige Kombination aus direktem Laserschreiben (DLW) und FE-SPL verbindet Strukturgrößen im Mikro- und Nanometerbereich durch eine sogenannte Mix & Match Lithographie. Eine maskenlose und gleichzeitig großflächige Strukturerzeugung ist möglich, woraus sich wiederum höhere Durchsätze ergeben. Die breit gefächerten Einsatzmöglichkeiten von FE-SPL werden im Abschluss der vorliegenden Arbeit durch die erfolgreiche Herstellung von Lift-Off-Strukturen unterstrichen. In Verbindung mit cRIE ist die Erzeugung von neuartigen und technisch vielversprechenden Bauelementen im Einzelnanometerbereich möglich.

Wissen entwickelt sich immer mehr zur wichtigsten Ressource der Unternehmen. Besonders in der Einzelfertigung stellt das Wissen erfahrener Mitarbeiter ein kritisches Erfolgspotenzial zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit sowie zu Auf- und Ausbau von Wettbewerbsvorteilen dar. Bedingt durch die charakteristischen Eigenschaften der Einzelfertigung, wie wenig detaillierte Arbeitsvorgaben, große Arbeitsinhalte und eine hohe Komplexität von Produkten und Prozessen, ist ein umfangreiches Spezial- und Erfahrungswissen zur qualitäts- und zielgerichteten Durchführung der Arbeitshandlungen unerlässlich. Zum Erhalt dieser wichtigen Ressource in der Einzelfertigung und zur Reduzierung des Risikos des Wissensverlustes bei Ausscheiden erfahrener Mitarbeiter bedarf es der Etablierung effizienter Lösungen. Übliche Methoden zum Wissenstransfer sind hierzu jedoch aufgrund der charakteristischen Eigenschaften der Einzelfertigung sowie zumeist fehlender Betrachtung der komplexen Wissensstruktur erfahrener Mitarbeiter zur Regulation der Arbeitshandlungen in der Einzelfertigung nur bedingt geeignet. In der vorliegenden Arbeit wird daher eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, die Wissensinhalte der komplexen Wissensstrukturen erfahrener Mitarbeiter zur erfolgreichen Handlungsdurchführung in der Einzelfertigung zu heben und auf junge Mitarbeiter zu übertragen. Hierzu wird zunächst, basierend auf arbeitspsychologischen Theorien zur Handlungsregulation, die Beziehung zwischen dem Wissen des erfahrenen Mitarbeiters und dessen Handeln im Arbeitsprozess herausgearbeitet. Ausgehend von diesen Erkenntnissen werden die Anforderungen an die Methode definiert sowie eine allgemeingültige Referenzmethode zum Einsatz in der Einzelfertigung entwickelt. Anschließend wird, basierend auf der Referenzmethode, eine, an den Einsatzbereich adaptierte, spezifische Methode in einem systematisch geleiteten partizipativen Verfahren mit Mitarbeitern der Dampfturbinenfertigung der Siemens AG am Standort Mülheim an der Ruhr erarbeitet und angewandt. Die multifaktorielle Wirksamkeit der entwickelten Methode sowohl für die anwendenden Mitarbeiter, den Anlernprozess und die Organisation als Ganzes durch die erfolgreiche Übertragung des Spezial- und Erfahrungswissens erfahrener Mitarbeiter konnte anhand der Ergebnisse der Vorversuche sowie durch Expertenbefragungen bestätigt werden.

In der vorliegenden Dissertation wurden die Schwerpunkte des Wachstums auf semi-isolierendem 6H-SiC, der Schicht- als auch der Bauelementecharakterisierung auf Basis von epitaktischem Graphen behandelt. Die Schichten wurden mittels REM, AFM, LEED, XPS und ARPES untersucht. Anhand von REM Aufnahmen wurde durch einen neuartigen Ansatz die Qualität der Schichten über die Bildentropie mit den Wachstumsparametern korreliert. Für die Bestimmung der Schichtdicke mit Hilfe von XPS wurden (a-)symmetrische Fit-Funktionen und ihr Fehler bei der Dickenbestimmung betrachtet. Der zweite Schwerpunkt befasst sich mit der Charakterisierung der hergestellten Schichten durch Raman- und FTIR-Spektroskopie. Die Einflüsse von Verspannung, Fermi-Niveau und Lagenzahl auf das Raman-Spektrum des Graphen wurden klassifiziert und quantifiziert. Uniaxiale konnte von biaxialer Dehnung anhand des Unterschieds in der G/2D-Dispersion unterschieden werden, die Asymmetrie der G-Mode wird dabei maßgeblich von uniaxialer Dehnung, der Lage des Fermi-Niveaus als auch durch Transferdotierung bei Anwesenheit von Adsorbaten beeinflusst. Zunehmende Lagenzahl verursachte eine Blauverschiebung der 2D-Mode bei zunehmender Halbwertbreite. Mittels FTIR wurden Änderung des Reststrahlenbands des SiCs in Abhängigkeit des Wachstums durch Anregung eines Oberflächenplasmon-Polaritons im Graphen untersucht. Eine Auswertemethode wurde entwickelt, um die sich im Divisionsspektrum der Reflektivitäten ausbildende Fano-Resonanz zu beschreiben. Die Intensität der resultierenden Fano-Resonanz wird dabei maßgeblich von der Verschiebung der Modell-Oszillatoren zueinander beeinflusst. Der dritte Schwerpunkt befasst sich mit der Strukturierung und Charakterisierung von vollständig aus Graphen bestehenden, Three Terminal Junctions (TTJ) und Side-Gate-Transistoren (SG-FET). Für die Vermessung kleinster Strukturbreiten anhand von REM-Aufnahmen wurden Methoden zur Schwingungskorrektur und der Breitenbestimmung nahe/unterhalb der Auflösungsgrenze des REMs hergeleitet. Es konnte gezeigt werden, dass TTJs einen Gleichrichtungseffekt mit hoher Gleichrichtungseffizienz aufweisen. Des Weiteren wurden die auftretenden Stromverstärkungseffekte untersucht. Die realisierten SG-FETs zeigen vergleichbar gute Eigenschaften wie konventionelle Top-Gate-Transistoren auf bei Minimierung parasitärer Einflüsse.

Das Gewinde zählt heutzutage zu den am häufigsten eingesetzten Maschinenelementen. Der Grund dafür ist die universelle Anwendbarkeit als Befestigungs-, Verbindungs-, Bewegungs-, Dichtungs- oder Zentrierelement. Dabei stellt die Funktion häufig höchste Anforderungen an die Genauigkeit der Gewindegeometrie. Demzufolge wächst der Anspruch an die technologischen Lösungen zur Fertigung und Prüfung von geometrischen Merkmalen am Gewinde stetig. Gewinde werden gemäß aktueller Normen und Richtlinien bislang nur stichprobenartig an bestimmten Punkten und in ausgewählten Schnitten gemessen und ausgewertet. Die wendelförmige Geometrie lässt sich hinsichtlich ihrer Funktionalität daher nur unzureichend bewerten. Der Einsatz einer flächenhaften Messstrategie und einer ganzheitlichen Auswertemethode revolutioniert die konventionellen Vorgehensweisen und ermöglicht zudem erstmals eine funktionsorientierte Prüfung von Gewinden. Die Gewindemetrologie steht deshalb in ihrer fast hundertjährigen Entwicklungsgeschichte im Zuge der vierten industriellen Revolution vor einem Paradigmenwechsel. Um diesem Rechnung zu tragen, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung eines fortschrittlichen messtechnischen Verfahrens zur Rückführung von Bestimmungsgrößen am Gewinde mit den höchsten Anforderungen an die Messunsicherheit im Umfeld eines nationalen Metrologie Instituts, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Das Messverfahren zielt auf den Einsatz von flächenhaften Messstrategien und ganzheitlichen Auswertemethoden im Sinne der im Jahre 2015 aktualisierten Technologie-Roadmap Fertigungsmesstechnik 2020 ab. Die messtechnische Erfassung der Werkstückgestalt eines Gewindes erfolgt auf einem Koordinatenmessgerät, welches in den letzten Jahrzehnten Einzug in viele Messlaboratorien gefunden hat. Die ganzheitliche Auswertung basiert auf dem erfassten dreidimensionalen Messdatensatz und einem geometrisch-idealen Modell eines Gewindes. Die bestmögliche Einpassung des Modells in den Messdatensatz erfolgt mit einem im Rahmen dieser Arbeit implementierten Approximationsalgorithmus. Das Messergebnis liefert eine umfassende Angabe der Abweichungen in Maß-, Form- und Lage der Istgeometrie bezüglich der Nenngeometrie. Im praktischen Teil der Arbeit erfolgt anhand werkstückähnlicher Normale von Gewinden der PTB die Verifikation der metrologischen Lösungsansätze.

Die Bestimmung von Faktoren, welche die Kinetik von photokatalytischen Prozessen beeinflussen und das Nachvollziehen von deren Funktion in Übergangsmetalloxiden, ist das Hauptthema beim Design von effizienten Materialien. Vorhergehende Studien haben gezeigt, dass Punktdefekte wie zum Beispiel Substitutionsatome, Zwischengitteratome und Leerstellen einen wesentlichen Beitrag zur Bandstruktur und zu den chemischen Eigenschaften eines Materials beitragen. Die Veränderung dieser Eigenschaften beeinflusst die Performance von Materialien in gewissen Anwendungsbereichen stark. Die Erwartung, dass ein fundamentales Verständnis von solchen Gitterdefekten positiv zur Aufklärung von deren Wirkung auf die Eigenschaften eines Materials beiträgt, ist die treibende Kraft hinter theoretischer und praktischer Forschung an dotierten und reduzierten Materialien. Das Ziel dieser Dissertation ist die Veränderung der elektronischen Struktur von Rutil und Anatas TiO2, welche die Modellsysteme von Übergangsmetalloxiden darstellen, unter der Beeinflussung von niedrigen Dotierungen mit Wasserstoff, Eisen und Cadmium sowie den Einfluss von Punktdefekten, zu untersuchen. Hierfür wurden Untersuchungen mir der Gestörte y-y Winkelkorrelation (englisch: time-differential perturbed angular correlation oder PAC) Methode, gemeinsam mit Mössbauer Spektroskopie und Tracer Diffusionsexperimenten durchgeführt, welche durch theoretische Studien und Untersuchungen mit Standardmethoden ergänzt wurden. Des Weiteren präsentiert der Autor einen neuen Versuchsaufbau zur Durchführung von Emissions-Mössbauer Messungen (eMIL), welches während dieser Arbeit entwickelt und konstruiert wurde. Die beobachteten Ergebnisse zeigen, dass das Dotandenverhalten nicht leicht voraussehbar ist und das Cd als Dotand in monokristallinem Rutil nicht nur am Kationenplatz sitzt, sondern dass Anteile davon auch andere Umgebungen, die von Leerstellenkonfigurationen beeinflusst werden, besetzen. Beide entdeckten Probenumgebungen scheinen hohen Temperaturen zu wiederstehen, allerdings sind Änderungen im Anteilverhalten sichtbar. Bei Emissions-Mössbauer Messungen zeigen dünne Schichten von Anastase ein temperaturabhängiges Verhalten im gesamten Messbereich. Dies hat zur Folge, dass zwei Anlass Stufen entstehen, welche durch Leerstellenbewegung und deren Interaktion mit Ti Zwischengitteratomen hervorgerufen werden. Die Oxidationsstufe Fe3+, welche eine Spin-Gitter-Relaxation zeigt, ändert sich durch Hydrierung. Dies impliziert, dass Wasserstoff ein sogenannter flacher Donator ist. Experimente in einem bestimmten Temperaturbereich zeigen, dass Leerstellen und Leerstellenansammlungen die Wasserstoffbewegung beeinflussen. Weitere PAC Experimente an den Temperaturwerten, an denen die Wasserstoffbewegung startet, zeigen eine Abhängigkeit des Verhaltens des Dotanden (Wasserstoff), zum Beispiel eine Kopplung mit Cd, von der Hydrierungsstärke. Längere Hydrierungsdauern zeigen, dass nach Dotierungs- bzw. Reduktionsprozessen Erholungseffekte folgen können. Die vorliegende Arbeit zeigt deutlich, dass die Methoden der Hyperfeinwechselwirkungen Informationen über die Natur und das Verhalten von Defekten in Übergangsmetalloxiden bereitstellen können. Diese Ergebnisse können einfach evaluiert und mit detaillierten Dichtefunktionaltheoriesimulationen verglichen werden.

Die Flüssigphaseninfiltration von porösen Kohlenstoffvorformen mit Silicium, im Allgemeinen als Liquid Silicon Infiltration (LSI) bezeichnet, ist eine der wirtschaftlichsten Technologien zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärktem Siliciumcarbid (C/SiC). Trotz jahrzehntelanger Forschung sind die physikalischen Phänomene an der Infiltrationsfront noch nicht hinreichend verstanden worden. Folglich existiert bislang kein mechanistisches Modell, das helfen würde, den Produktionsprozess von C/SiC-Bauteilen zu optimieren. Die vorliegende Arbeit dient dazu, die Forschungslücken zu schließen und ein validiertes Simulationsmodell zur Prozessoptimierung zur Verfügung zu stellen. Inhaltlich wurde die Arbeit in drei Teile gegliedert, wobei sich der erste Teil zunächst mit den Herstellverfahren von C/SiC-Komponenten befasst. Anschließend werden die grundlegenden chemischen und physikalischen Vorgänge der Reaktion von Silicium und Kohlenstoff zu Siliciumcarbid erläutert. Gefolgt von dem bisherigen Verständnis der Infiltration von porösen, kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffvorformen (C/C-Preforms) mit flüssigem Silicium, wird der Stand der Technik mit den bisweilen existierenden Infiltrations-und Diffusionsmodellen abgehandelt. Der zweite Teil befasst sich mit einem neu entwickelten Versuchsaufbau zur Untersuchung des LSI-Prozesses. Dieser ermöglicht eine In-situ-Beobachtung während der Infiltration einer Spaltkapillare aus Glaskohlenstoff mit Silicium. Ursprünglich war der Versuchsaufbau zur Validierung der bisher anerkannten Infiltrationsmodelle angedacht, die auf der allgemeinen Kapillartheorie beruhen. Allerdings zeigten die Versuche, dass sich die Infiltrationskinetik grundlegend von dem Verhalten unterscheidet, dass durch die bekannten Infiltrationsmodelle vorhergesagt wird. Weitere Untersuchungen führten zu neuen Erkenntnissen, die den Aufbau eines mesoskopischen Modells zur Vorhersage des tatsächlichen Infiltrationsverhaltens ermöglichten. Mit der Infiltration und Untersuchung von porösen C/C-Materialien, wird der Anwendungsbereich des Infiltrationsmodells auf kommerzielle C/C-Materialien erweitert. Der dritte und letzte Teil behandelt den Aufbau eines numerischen Modells zur Simulation des LSI-Prozesses. Erstmals wurde die reaktive Infiltration von porösen C/C-Preforms im Dreidimensionalen simuliert und das Modell mit In-situ-Messungen validiert. Eine neu entwickelte Infiltrationsgleichung und die Einführung eines zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten führten zu einer guten Übereinstimmung von Simulations-und Messergebnisse sowie zu kurzen Rechenzeiten auch für komplexe Bauteile im Industriemaßstab.

Die Mikro- und Nanofabrikation verspricht für die nächsten Jahre ein enormes Wachstumspotenzial, insbesondere auch im Bereich der laserbasierten Fertigung. Die hochauflösende Technik des Laserschreibens mittels Zwei-Photonen-Absorption (2PA) kann zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen mit minimalen Strukturbreiten von sub-100 nm verwendet werden. Mit der optischen Präzision gehen auch Forderungen an die Präzision der Mess- und Positioniersysteme einher, um den technischen Stand von zweiphotonenbasiertem Laserschreiben weiter voranzutreiben. Die an der TU Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) ermöglichen eine hochgenaue und metrologisch rückführbare Positionierung mit Positionierauflösungen von 0,1 nm und einer Wiederholbarkeit von unter von 1 nm. Dabei eröffnet der Positionierbereich von 25 mm × 25 mm × 5mm bzw. von 200 mm × 200 mm × 25 mm der NPM-Maschinen ganz neue Dimensionen der skalenübergreifenden Fabrikation, sodass mikro- und sub-mikrometergenaue Artefakte bei Bauteilen mit Millimeterabmessungen erzielt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird die Erweiterung von NPM-Maschinen zu Fabrikationsmaschinen durch die Kombination mit 2PA-Laserschreiben thematisiert. Dazu wird zunächst ein Konzept zur Integration der Zwei-Photonen-Technologie in eine NPM-Maschine entwickelt und umgesetzt. Anschließend erfolgen eine Charakterisierung des Systems sowie gezielte Untersuchungen, um den Nachweis für die Synergie der beiden Techniken zu erbringen. Es konnten diverse erfolgreiche Experimente durchgeführt werden, sodass nach Untersuchungen zur Belichtungsdosis die Herstellung von großflächigen Justiermarken gezeigt wurde. Das Potential der genauen Positionierung wird durch bahnbrechende Ergebnisse zur Abstandsreduzierung zwischen zwei geschriebenen Linien, welche die Beugungsbegrenzung unterschreiten, demonstriert. Zudem zeigten erste Versuche zur dreidimensionalen Strukturierung von Hybridpolymeren das enorme Potential für zukünftige komplexe 3D-Anwendungen in einer bisher nicht möglichen Präzision. Im Fokus stand außerdem die Entwicklung und Untersuchung eines neuen Ansatzes zur Mikro- und Nanofabrikation mit hohem Durchsatz, der auf einer Verbindung von zweiphotonenbasiertem Laserschreiben mit Feldemissionslithographie zur Herstellung von Mastern für anschließende Nanoprägelithographie basiert.

Die vorliegende Arbeit stellt ein neuartiges Konzept für eine fünfachsige Nanomessmaschine zur Messung von Formabweichungen auf stark gekrümmten Asphären oder Freiform-Flächen vor. Bis zu einem Anstieg von bis zu 60&ring; der Messobjektoberfläche kann der Sensor orthogonal zu dieser ausgerichtet werden. Unter vollständiger Einhaltung des Abbe-Komparatorprinzips wird das Messobjekt translatorisch in einem Bereich von 25mm 25mm 5mm relativ zu dem um zwei Rotationsachsen drehbaren Sensor bewegt. Die Messachsen der translatorischen Positionsmessung schneiden sich im so genannten Abbe-Punkt. Dieser Abbe-Punkt ist gleichzeitig auch der Antastpunkt des Sensors und der konstante Momentanpol der beiden Rotationsachsen zur Sensorrotation, die sich rechtwinklig in dem Abbe-Punkt schneiden. Zur Bestimmung der zufälligen und systematischen Positionsabweichungen des Sensors in Folge seiner Rotation wird ein Referenzmesssystem vorgestellt. Dieses besteht aus drei fest mit dem Sensor verbundenen, kartesisch angeordneten Fabry-Pérot-Interferometern, die kontinuierlich den Abstand des Sensors zu der Innenfläche einer Referenzhemisphäre messen. Die Messstrahlen der Fabry-Pérot-Interferometer schneiden sich dabei virtuell im Abbe-Punkt. Um die Formabweichung dieser Referenzhemisphäre zu bestimmen, wird ein in-situ-Kalibrierverfahren beschrieben, das die Bestimmung der Formabweichung mit den im System vorhanden Sensoren im Einbauzustand erlaubt. Dazu wird der Sensor durch einen Kugelreflektor im Abbe-Punkt (Kugellinse n=2) ersetzt. Dessen Positionsabweichung wird während der Rotation gemessen und zur Bestimmung der Formabweichung der Referenzhemisphäre genutzt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Prototyp des vorgestellten Konzepts aufgebaut und die Funktion des Referenzmesssystems verifiziert. Über einen großen translatorischen Verschiebungsbereich von 80 [my]m, kann die Verschiebung des Antastpunktes mit Hilfe des Referenzmesssystems auf +-200nm erfasst werden. Eine Wiederholungsmessung zwischen zwei Stellungen des Rotationssystems zeigte, dass die Antastpunktposition mit einer maximalen Abweichung von 27nm bestimmt werden kann. Die ausführliche theoretische Messunsicherheitsbetrachtung auf Grundlage von sechs Untermodellen ergibt eine Messunsicherheit für die Bestimmung des Antastpunktes von maximal 18nm p = 68%.

Seit dem Michelson-Morley-Experiment im Jahr 1887 werden Interferometer erfolgreich in Forschung und Industrie für verschiedenste Aufgaben eingesetzt. Laserinterferometer sind heute hochentwickelte und enorm leistungsfähige Geräte mit beachtlichen Parametern hinsichtlich Messauflösung und Messunsicherheit. Diese Leistungsfähigkeit jedoch beruht auf einem äußerst komplexen Aufbau mit einer großen Anzahl optischer Präzisionskomponenten, weshalb klassische Laserinterferometer kostenintensive Messmittel nahezu ausschließlich für Aufgaben der Präzisionsmesstechnik mit höchsten Anforderungen darstellen. Gemeinsam mit der begrenzten Miniaturisierbarkeit von diskret aufgebauten Interferometern resultiert daraus eine Einschränkung der möglichen Einsatzgebiete. Das Stehende-Welle-Interferometer stellt einen neuen Interferometeransatz dar, mit dem die genannten Einschränkungen überwunden werden können. Das Konzept basiert auf einer optischen stehenden Welle, welche im Raum vor einem Spiegel bei senkrechter Reflexion eines Laserstrahls in sich selbst entsteht. Die Intensitätsminima und -maxima der stehenden Welle sind räumlich an den Spiegel gekoppelt und können mit einem dünnen, transparenten Photosensor detektiert werden. Eine Zählung der den Sensor bei einer Spiegelverschiebung durchlaufenden Extrema ermöglicht bei bekannter Wellenlänge der Laserquelle eine Bestimmung des Verschiebewegs des Spiegels. Da sich der genannte Sensor im optischen Strahlengang befindet, beeinflusst dieser direkt die stehende Welle. Für den Sensor existieren daher besondere Anforderungen hinsichtlich dessen Dicke, Transparenz, Reflexionsgrad und Ebenheit. Im Rahmen dieser Arbeit werden entsprechende Stehende-Welle-Sensoren für hochdynamische Messungen und verschiedene optische Aufbauten entwickelt und untersucht. Die Sensoren basieren auf kommerziellen SOI-Wafern und können mit üblichen Halbleitertechnologien hergestellt werden. Bei der Entwicklung liegen die Schwerpunkte auf einer hohen Grenzfrequenz, auf der Entspiegelung der Sensoren und auf Verfahren zur mechanischen Stabilisierung der äußerst dünnen photoaktiven Schicht. Die elektrischen, optischen und elektrooptischen Eigenschaften der Sensoren werden umfangreich untersucht und deren Einsatz in Homodyn-, Heterodyn - und Interferometeraufbauten mit Phasenmodulation nachgewiesen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von breitbandig absorbierenden dreidimensionalen Hybrid-Nanostrukturen unter Verwendung eines neuartiges Abscheideprozesses: Metastabile Atomlagenabscheidung (kurz MS-ALD). Klassischerweise wird die Atomlagenabscheidung für die Abscheidung von planaren, binären Dünnschichten verwendet. Dabei werden zwei Präkursoren abwechselnd in einen Reaktor eingelassen. Die Präkursoren reagieren jeweils mit der Substratoberfläche, wobei die Reaktionen selbstlimitierend sind. So bindet nur eine Monolage der Präkursoren an der Oberfläche an. Dadurch lassen sich Dünnschichten mit perfekter Schichtdickenkontrolle homogen und winkeltreu herstellen. Im Gegensatz dazu können mit MS-ALD 3D-Strukturen hergestellt werden. Essentiell für diesen Prozess ist die Auswahl des Substrates. Das Substrat reagiert, im Gegensatz zur klassischen ALD, mit einem der beiden Präkursoren und bildet eine metastabile Phase aus. Diese metastabile Phase zerfällt augenblicklich in ihren ursprünglichen Anfangszustand unter Freigabe des Präkursors. Die Reaktion führt zum einen zu einer morphologischen Veränderung der Substratoberfläche und zum anderen zu einer Anreicherung des freigegebenen Präkursors an der Substratoberfläche. Durch den Einlass des zweiten Präkursors kommt es zu weiteren Reaktionen mit dem freigegebenen Präkursor. Diese Nebenreaktionen bewirken die Entstehung der beobachtbaren 3D-Strukturen. Kern dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter der MS-ALD bei Verwendung zweier unterschiedlicher Substrate auf die Morphologie der resultierenden Strukturen. Da MS-ALD im Verlauf der Arbeit entwickelt wurde, wird zudem ein möglicher Wachstumsprozess diskutiert. Der zweite Teil der Arbeit untersucht die Absorptionseiegenschaften der Strukturen vom ultravioletten bis zum nahem Infrarotbereich. Die hergestellten Strukturen erscheinen matt-schwarz und weisen eine extrem hohe Absorption bei senkrecht einfallender Strahlung auf (mehr als 99 % im Bereich von 220 nm bis 1582 nm). Die hohe Absorption und die Möglichkeit der problemlosen Skalierbarkeit des MS-ALD-Prozesses können dazu beitragen, neue Lösungsansätze für die Nutzung von Solarenergie zur regenerativen Stromerzeugung zu entwickeln.

HEMTs (high electron mobility transistors) auf GaN-Basis besitzen großes Potenzial für die HF- (Hochfrequenz) und Leistungselektronik und werden bereits in HF-Leistungsverstärkern und als Leistungsschalter verwendet. Üblicherweise sind GaN HEMTs Normally-On Transistoren (d.h. Transistoren, die sich bei einer Gatespannung von 0 V im Ein-Zustand befinden), was für Anwendungen wie Fail-Safe-Leistungsschalter und HF-Verstärker mit nur einer Versorgungsspannung nachteilig ist. Es schwierig, GaN HEMTs mit Normally-Off-Charakteristik (HEMTs mit positiver Schwellspannung) zu realisieren, da in diesen Transistoren die Dichte des sich an der Grenzfläche Barriere/Puffer ausbildenden 2DEG (zweidimensionales Elektronengas) auf Grund starker Polarisationseffekte erheblich größer als in GaAs und InP HEMTs ist. Die Realisierung schneller HF-HEMTs erfordert kurze Gates. Allerdings leiden Transistoren mit sehr kurzen Gates häufig unter Kurzkanaleffekten und einer reduzierten Steuerwirkung des Gates, was zu einer Verschlechterung des Verhaltens im Aus-Zustand (erhöhte Werte für den Subthreshold Swing und das Drain-Induced Barrier Lowering) und im Ein-Zustand (erhöhter Drainleitwert) führt. In jüngster Zeit wird bei MOSFETs und HEMTs das Tri-Gate-Design angewendet, um die Gatesteuerwirkung zu verbessern und Kurzkanaleffekte zu unterdrücken. So wurden bereits Tri-Gate-Transistoren mit ausgezeichnetem Skalierungsverhalten, verbesserten Eigenschaften und, speziell im Fall von GaN Tri-Gate-HEMTs, positiver Schwellspannung, demonstriert. Auf der anderen Seite leiden GaN Tri-Gate-HEMTs mit Normally-Off-Charakteristik jedoch unter großen Parasitäten, die das HF-Verhalten (insbesondere die Transitfrequenz) beeinträchtigen. Die Verbesserung des HF-Verhaltens und eine Reduzierung der Parasitäten von GaN Tri-Gate-HEMTs ist daher dringend nötig. Das erfordert jedoch ein tiefes Eindringen in die Physik dieser Bauelemente. In der vorliegenden Arbeit werden umfassende theoretische Untersuchungen und Bauelementesimulationen zu GaN Tri-Gate-HEMT beschrieben, die zu einem deutlichen verbesserten Verständnis der Wirkungsweise von GaN Tri-Gate-HEMTs führten. So konnten das Potential dieses Transistortyps bewertet, Designregeln erarbeitet und vorteilhafte Transistordesigns entwickelt werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass eine Verringerung der Bodyweite bei gegebener Gatespannung zu einer Verringerung der Ladungsträgerdichte im 2DEG führt, dass die Schwellspannung maßgeblich von der Bodyweite bestimmt wird und dass bei hinreichend geringer Bodyweite der Übergang vom Normall-On- zum Normally-Off-Betrieb erfolgt. Es wird auch gezeigt, dass der Abstand zwischen benachbarten Bodies nur einen geringen Einfluss auf die Schwellspannung hat. Darüber hinaus wird demonstriert, dass im Fall weiter Bodies (> 200 nm) der Kanal sowohl durch das Top-Gate als auch durch die Seiten-Gates gesteuert wird, während bei schmaleren Bodies die Steuerwirkung durch das Top-Gate geringer wird und die Verhältnisse im Kanal im Wesentlichen durch das Seiten-Gates bestimmt werden. In der Arbeit wird weiterhin Rolle des Designs der AlGaN-Barriere (Al-Gehalt, Dicke) untersucht und demonstriert, dass die Gestaltung der Barriere bei schmalen Bodies nur einen begrenzten Einfluss auf die Schwellspannung hat. Die Untersuchungen zeigen deutlich, dass das mit dem Tri-Gate-Konzept Normally-Off-Transistoren realisierbar sind, dass das Transistorverhalten im Ein-Zustand verbessert (höhere Steilheit) wird, und dass Kurzkanaleffekte im Aus-Zustand wirkungsvoll unterdrückt. Es wird auch demonstriert, dass GaN Tri-Gate HEMTs höhere Durchbruchspannungen zeigen und näher an der theoretischen Grenze für GaN-Bauelemente arbeiten als planare GaN HEMTs. Ein weiteres Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist der Nachweis, dass GaN Tri-Gate-HEMTs mit sorgfältig optimiertem Design den planaren HEMTs auch hinsichtlich des HF-Verhaltens überlegen sind. Ein Mittel zur Verbesserung des HF-Verhaltens ist die Reduzierung der Body-Ätzhöhe, die zur Verringerung der parasitären Kopplung zwischen den Body-Seitenwänden und den Source/Drain-Elektroden und somit zu einer geringeren Gatekapazität führt. Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der Gatekapazität ist die Beschichtung der Body-Seitenwände mit einem Dielektrikum (z.B. SiN). Das verringert die Streukapazität, da jetzt die mit dem Gatemetall gefüllte Lücken zwischen benachbarten Bodies schmaler sind. Schließlich wird gezeigt, dass die Polarisationsladung an der Grenzfläche Barrier/Kanal und somit die Elektronendichte im 2DEG durch Erhöhung des Al-Gehalts der AlGaN-Barriere oder durch Nutzung eines anderen Materials für die Barriere (z.B. gitterangepasstes In0.17 Al0.83 N) gesteigert werden kann.

Eine impulsförmige Blitzentladung erreicht Ströme von 200 kA und mehr. Ein direkter Blitzeinschlag in den menschlichen Kopf kann mechanische und thermische sowie neurologische Schädigungen verursachen. Die Wirkung eines indirekten Blitzschlages und des resultierenden impulsförmigen Magnetfeldes auf den menschlichen Körper ist weitestgehend unbekannt. Weiterhin wird angenommen, dass die Wahrscheinlichkeit einen Blitzschlag zu überleben bei 70 % - 90 % liegt. Jedoch sind die Ursachen der biologischen und physikalischen Wirkmechanismen nicht umfassend geklärt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es eine Methodik zu entwickeln, um die Stromverteilung während eines nachgebildeten direkten Blitzeinschlages sowie die elektrische Feldstärkeverteilung während eines indirekten Blitzeinschlages in physikalischen Kopfphantomen zu ermitteln. Die Kopfphantome bildeten die geometrischen und dielektrischen Eigenschaften der Kopfhaut, des Neurocraniums sowie des intrakraniellen Volumens (Hirn) des menschlichen Kopfes nach. Diese Kopfphantome wurden für die Analyse der Stromverteilung mit Spannungen und Strömen beaufschlagt, die bei Blitzentladungen zu erwarten sind. Die Integration eines Elektrodenarrays in das Hirn ermöglichte die Erfassung der Potentialverteilung sowie die Berechnung der elektrischen Feldstärke im Kopfphantom während eines indirekt applizierten Impulses. Simulationen erlaubten die Bildung weiterer Interpretationen. Die Experimente und Simulationen, die einen direkten Blitzeinschlag nachbildeten, zeigten, dass die Kopfhaut primär der Stromwirkung (70-92 %) exponiert war, gefolgt vom Hirn (3-28 %) und Neurocranium (1-9 %). Mit ausgebildetem Überschlagkanal floss der größte Anteil (82-99 %) des Stromes in diesem ab und die Kompartimente des Kopfphantomes waren geringer exponiert. In den Experimenten, die einen indirekten Blitzeinschlag nachbildeten, wurde eine Feldstärke von bis zu 10V/m im Hirn ermittelt. Vier Schutzmechanismen erklären, wieso eine Person einen direkten Blitzschlag überleben kann. (1) Der Überschlagkanal wurde als der wichtigste Schutzmechanismus identifiziert und erstmalig verifiziert. Als weitere Schutzmechanismen wurden (2) die isolierende Wirkung des Neurocraniums und (3) die Ableitfähigkeit der cerebrospinalen Flüssigkeit ermittelt. (4) Die Hirnregionen, die mit Vitalfunktionen assoziiert werden, sind im Falle des Überschlags durch Stromamplituden exponiert, die mit medizinischen Anwendungen vergleichbar sind. Die mögliche Schädigung durch einen indirekten Blitzschlag wurde identifiziert.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Entwurf und der Analyse von MEMS-Oszillatoren auf dem so genannten SiCer-Verbundsubstrat. Dafür wird eine Methodik erarbeitet, die den Entwurf von Mikroelektronik und Mikroelektromechanik vereint. Diese Methodik basiert auf einem analytischen Entwurfsmodell zur Synthese von Resonatorstrukturen über die elektrischen Spezifikation. In der Arbeit wird weiterhin der Entwurf zweier aufeinander aufbauender Oszillatortypen beschrieben, einem Festfrequenzoszillator für Frequenzen bis zu 600 MHz sowie einem Mehrfrequenzoszillator für Ausgangsfrequenzen im oberen MHz- bis unteren GHz-Bereich und der Bereitstellung von Referenzfrequenzen von etwa 10 MHz. Beide Typen von Oszillatoren werden in verschiedenen Varianten implementiert und auf eine möglichst kompakte Baugröße und geringes Phasenrauschen hin optimiert. Die Resultate aller Präparationen heben sich vom Stand der Technik ab, sowohl in der Aufbautechnik als auch in der Oszillationsfrequenz und im Phasenrauschen. Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit die Thematik der Temperaturabhängigkeit von MEMS-Resonatoren und -Oszillatoren betrachtet, welche im Vergleich zur thermischen Drift kommerziell verfügbarer Quarz-Resonatoren und -Oszillatoren höher ausfällt. Dazu wird das analytische Entwurfsmodell für MEMS-Resonatoren derart modifiziert, dass sich die geometrischen Abmessungen und Materialparameter in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur verändern. Messungen an Resonatoren verschiedener Geometrien werden im Anschluss genutzt, um die analytischen Berechnungen zu verifizieren. Die messtechnisch ermittelte Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz liegt dabei zwischen -26 ppm/K und -20 ppm/K, was dem analytisch modellierten Temperaturkoeffizienten von -28,1 ppm/K sehr nahe kommt. Auf Basis von in der Literatur veröffentlichten Temperaturkompensationsmethoden wird das analytische Modell um eine Lage Siliziumdioxid erweitert, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und so die Temperaturabhängigkeit kompensiert.

In dieser Dissertation habe ich drei Arten von hochgeordneten Nanostrukturen realisiert, einschließlich 1D-PTP-Au-Core / CdS-Shell-Array, Au-NW / TiO2-NT-Janus-Hetero-Nanostruktur-Array und 2D-Metall-SPhCs. Diese fortschrittlichen Architekturen könnten als vielseitige Gerüste zum Aufbau energiebezogener Geräte eingesetzt werden und haben ein großes Potenzial, die Gesamtleistung drastisch zu verbessern und die durch die planare Konfiguration auferlegten Grenzen zu durchbrechen. Insbesondere die geordneten Nanostruktur-Arrays mit mehreren Komponenten sind von großer Bedeutung, und die entsprechenden Geräte können die Vorteile dieser nanostrukturierten Komponenten kombinieren, wodurch die relevante Leistung systematisch verbessert wird. Darüber hinaus ermöglichen die hohe Regelmäßigkeit der Nanostrukturverteilung, die Gleichmäßigkeit der Nanounits sowie die steuerbaren Größen und Profile der Nanostruktur die resultierenden Architekturen als leistungsfähige Plattform, um die spezifischen Energieumwandlungsreaktionen mikroskopisch zu untersuchen. Diese Ergebnisse könnten wiederum die weitere Entwicklung der relevanten Geräte leiten.

Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse der experimentellen Prüfung des originalen Konzepts für eine Heißladungsträgersolarzelle. Die zu entwickelnde Solarzelle soll einen Energiegewinn durch fotogenerierte Heißladungsträger nachweisen und somit einen neuartigen Ansatz für die Weiterentwicklung effizienterer Solarzellenaufzeigen aufzeigen. Zwei Prototypstrukturen auf der Basis von Au:Zn/InP/PbSe/ZnO:Al und Ag/ZnTe/PbSe/ZnO:Al wurden mit kosteneffektiven Technologieprozessen hergestellt. Die Bandversätze und der Kristallaufbau in einer neuartigen heteroepitaktischen ZnTe/PbSe-Struktur wurden bestimmt und publiziert. Die gesamte Bänderanordnung der beiden Prototypzellen wurde rekonstruiert und analysiert. Beide Prototypzellen wurden sowohl mit klassischen als auch mit einer neuartigen Doppelstrahlmessmethode charakterisiert. In der zweiten Doppelheterostruktur wurde eine höhere Ausbeute an Heißladungsträgern festgestellt und diese begründet. An diesem zweiten Prototyp wurde unter natürlicher Sonnenbeleuchtung und bei Raumtemperatur eine Leerlaufspannung größer als die Bandlücke des Absorbers ermittelt. Dieses für Heißladungsträgersolarzellen charakteristische Verhalten wurde mit weiteren unabhängigen Messungen bestätigt. Die für den zweiten Solarzellenprototyp ungewöhnlichen Kennlinien erforderten eine neue Interpretation der Dynamik der Heißladungsträger auf Basis der Kinetischen Transporttheorie und der Thermoelektrizitätstheorie. Beide Modelle wurden anhand der bisher bekannten Phänomene betrachtet und in der vorliegenden Arbeit präsentiert.

Die exakte Bestimmung der Temperatur gewinnt u. a. in der Wärmeverbrauchsmessung eine immer höhere Bedeutung. Hier wird mithilfe der Temperaturdifferenz an einem Vor- und Rücklauf in Kombination mit der Durchflussmenge die entnommene Wärme bestimmt. Messabweichungen haben hier eine direkte Auswirkung auf die Kostenabrechnung. Konstruktionsbedingt ist bei den gängigen Wärmemengenzählern an der Thermometer-Einbaustelle des Rücklaufs nur wenig Platz. Hier wird häufig tangential in das Medium eingetaucht, was eine nicht vernachlässigbare Messabweichung verursacht. In der Arbeit wird die Messabweichung durch Wärmeableitung und das Ansprechverhalten von Widerstandsthermometern bei geringen Eintauchtiefen in ein zu messendes Medium näher untersucht. Dabei wird die Bedeutung einer thermischen Ankopplung des Sensors an das Medium, sowie die Entkopplung von der anders temperierten Umgebung deutlich. Einen Einfluss hat auch das verwendete Medium. In der Wärme-/Kälteübertragung werden häufig Wasser-Glykol-Gemische verwendet. Deren Verwendung hat gerade bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten einen hohen Einfluss auf die thermische Messabweichung und das Ansprechverhalten eines Widerstandsthermometers. Zudem wurde auch die Möglichkeit zur Nutzung des Loop Current Step Response Tests in der Wärmeverbrauchsmessung validiert. Dies erlaubt das Messen von Ansprechzeiten unter Einbaubedingungen. Ziel der Arbeit ist die Nutzbarmachung erzielter Erkenntnisse. So wurde eine Prüfeinrichtung zur Untersuchung von Widerstandsthermometern unter Einbaubedingungen entwickelt und validiert. Diese, als Strömungskanal konzipierte Prüfeinrichtung, erlaubt die Untersuchung des statischen und dynamischen Verhaltens von Thermometern, sowie den direkten Vergleich unterschiedlicher Einbaustellen. Die Messstrecken sind über ein Kleinflansch-Verbindungssystem austauschbar. Die Durchführung und Auswertung der unterschiedlichen Messprogramme läuft automatisch über eine eigens entwickelte Software ab. Eine weitere Neuentwicklung ist ein für niedrige Eintauchtiefen optimiertes Widerstandsthermometer. Hier wurden wärmeleitfähige und thermisch isolierende Kunststoffe kombiniert. So wurde eine gute Ankopplung des Temperatursensors an das zu messende Medium, sowie eine Entkopplung von der anders temperierten Umgebung realisiert.

Im Bereich der tropfenbasierten Mikrofluidik werden medizinische, biologische oder auch chemische Experimente in diskrete Reaktionsräume überführt. Diese als Tropfen bezeichneten Reaktionsräume besitzen als seriell angeordnete Mikroreaktoren ein hohes Anwendungspotenzial, sei es zur Optimierung von Screening-Prozessen für die Medikamentenentwicklung oder zur Manipulation von Zellen und 3D Zellstrukturen. Für solche Anwendungen bieten die derzeit existierenden Konzepte jedoch nicht die erforderliche Zuverlässigkeit und Praktikabilität. Vor allem die Aufrechterhaltung reproduzierbarer und stabiler Prozessbedingungen sind ausschlaggebende Faktoren als Voraussetzung für einen Durchbruch dieser Technologie am Markt. Insbesondere bei Anwendungen mit multizellulären Systemen wie nativen Gewebefragmenten oder in vitro kultivierten Sphäroiden sind besondere Voraussetzungen zu erfüllen. Beispielsweise ist die Verwendung oberflächenaktiver Substanzen (Tenside), die bei der Mehrzahl tropfenbasierter mikrofluidischer Applikationen zur Stabilisierung der Tropfen eingesetzt werden, nachteilig für Untersuchungen dieser Proben. Der Verzicht auf Tenside ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer grundlegenden Akzeptanz tropfenbasierter Verfahren. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen eine Alternative auf, bei der für das Handling und die Kultivierung multizellulärer Systeme auf die Verwendung von Tensiden verzichtet werden kann. Das im Rahmen der Forschungsarbeiten entwickelte technische System beruht auf neuartigen, mikrofluidischen Komponenten, die die hohen Ansprüche für das Handling multizellulärer Systeme erfüllen. Neben der Beschreibung der Systementwicklung steht die Charakterisierung der Einflussfaktoren auf die Tropfengenerierung im Mittelpunkt der Arbeit. Relevante Einflussgrößen wie die Kanalanordnung und deren Oberflächenbeschaffenheit sowie der Einfluss der Volumenströme und unterschiedlicher Probenmedien auf die Tropfengenerierung wurden untersucht. Die Arbeit beschreibt weiterhin die Entwicklung eines biomimetischen Ansatzes zur Steigerung der Stabilität der Tropfengenerierung durch die Verringerung des Adhäsionspotenzials wässriger Proben mit den Kanaloberflächen der Mikrosysteme. Damit ist die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte mikrofluidische Plattform insbesondere für Anwendungen im Bereich der Biowissenschaften prädestiniert.

Die Entwicklung neuer Materialien sowie die ansteigenden Anforderungen an Qualität und Sicherheit erfordern die Entwicklung hochauflösender, zerstörungsfreier Werkstoffevaluierungsverfahren für die Produktion und Wartung. Im neuen Lorentzkraftevaluierungsverfahren wird ein Permanentmagnet relativ zu einem elektrisch leitenden Prüfkörper bewegt. Aufgrund der Bewegung werden Wirbelströme im Prüfkörper induziert. Die Wechselwirkung der Wirbelströme mit dem Magnetfeld führt zur Lorentzkraft, welche auf den Prüfkörper wirkt. Eine Kraft derselben Größe aber in entgegengesetzte Richtung wirkt auf den Permanentmagneten, wo sie gemessen wird. Bei Vorliegen eines Defekts sind die Wirbelstromverteilung und entsprechend die Lorentzkraft verändert. Die Defekteigenschaften werden aus den gemessenen Lorentzkraftkomponenten mittels der Lösung eines schlecht gestellten inversen Problems bestimmt. Die Ziele der Dissertation umfassen die Entwicklung einer neuen Vorwärtslösung, den Vergleich verschiedener Vorwärtslösungen, die Entwicklung neuer inverser Verfahren sowie die Erarbeitung einer Methode zur verbesserten Defekttiefenbestimmung für die Lorentzkraftevaluierung. Des Weiteren wurde ein qualitativer Vergleich mit der klassischen Wirbelstromevaluierung umgesetzt. Die existierenden Vorwärtslösungen für die Lorentzkraftevaluierung: "Approximate Forward Solution" und "Extended Area Approach" wurden hinsichtlich der Defektrekonstruktionsgüte verglichen. Es wurde ein Zielfunktionsscanningverfahren angewandt um den Einfluss der beiden Vorwärtslösungen direkt zu vergleichen. Damit wurde eine Verzerrung durch die sonst notwendige Parameterwahl bei inversen Methoden vermieden. Die Verwendung der Vorwärtslösung "Extended Area Approach" erzielte genauere Schätzungen der Defekttiefe und -abmessungen im Vergleich zur "Approximate Forward Solution". Die beiden Vorwärtslösungen sind jedoch auf Defekte mit gleichmäßiger Geometrie beschränkt. Aus diesem Grund wurde die neue Vorwärtslösung "Single Voxel Approach" entwickelt. Sie basiert auf der Superposition von Kraftveränderungssignalen von kleinen elementaren Defekten. Bei numerischen Simulationen mit Defekten verschiedener Größen, Tiefen und Formen zeigte der "Single Voxel Approach" die geringste Abweichung im Vergleich zu den beiden existierenden Vorwärtslösungen. Eine Minimum-Norm-Schätzung mit Elastic-Net-Regularisierung wurde auf die Lorentzkraftmessdaten eines Aluminiumprüfkörpers zur Rekonstruktion der Defekteigenschaften angewandt. Die Motivation zur Nutzung der Elastic-Net-Regularisierung stammt aus dem a priori Wissen, dass ein nicht-leitender Defekt von einem Prüfstück mit konstanter Leitfähigkeit umgeben ist. Die weit verbreitete Tikhonov-Phillips-Regularisierung wurde zu Vergleichszwecken angewandt. Mit beiden Regularisierungsmethoden konnte reproduzierbar eine korrekte Defekttiefenschätzung und eine adäquate Größenschätzung erzielt werden. Dasselbe inverse Verfahren wurde für die Defektrekonstruktion aus Wirbelstromevaluierungsmessdaten eines Aluminiumprüfkörpers angewandt. Die Defektrekonstruktionsergebnisse stellten sich für tiefer liegende Defekte verschwommen und weniger stabil im Vergleich zur Lorentzkraftevaluierung dar. Im Gegensatz war mit der Wirbelstromevaluierung die Rekonstruktion komplexerer Defektgeometrien möglich. Als weitere inverse Methode, wurde die adaptierte Landweber-Iteration für die Lorentzkraftevaluierung eingeführt. Die Landweber-Iteration wurde ausgewählt, da sich im Bereich der elektrischen Kapazitätstomographie vielversprechende Rekonstruktionsergebnisse gezeigt haben. Die adaptierte Landweber-Iteration erzielte adäquate Defektgrößenschätzungen. Die Position von tief liegenden Defekten wurde zu hoch rekonstruiert. Die Lorentzkraftevaluierung ist gekennzeichnet durch die Schwierigkeit, dass ein kleiner Defekt nahe der Prüfkörperoberfläche und ein größerer tiefer liegender Defekt ähnliche Kraftveränderungssignale zeigen. Das erschwert die Bestimmung der korrekten Defekttiefe. Das neue Prinzip der geschwindigkeitsabhängigen Lorentzkraftevaluierung wurde eingeführt um die Defekttiefenbestimmung zu unterstützen. Die Lorentzkraftveränderungssignale werden bei einer hohen Geschwindigkeit (10 m/s) relativ zu den Signalen bei einer niedrigen Geschwindigkeit (0.1 m/s) ausgewertet. Amplitudenveränderungen und Signalverschiebungen werden genutzt um die Defekttiefe zu bestimmen. Dabei wird der bewegungsinduzierte Skineffekt ausgenutzt. Die Plausibilität dieser neuen Methode wurde für Simulationsdaten gezeigt.

Die Plasmabehandlung gilt als eine einfache und effektive Methode zur Modifikation der Materialoberfläche von Elektroden für elektrochemische Energiespeicher- und Umwandlungs-vorrichtungen, um die Leistungen zu verbessern. Infolgedessen konnten nach der Hochleistungsplasmabehandlung ungeordnete Oberflächenschichten und Atomleerstellen entstehen, die eine wichtige Rolle bei der Leistungssteigerung von Energiespeicher- und Umwandlungsmaterialien spielen. In dieser Arbeit werden Wasserstoff- und Stickstoffplasma verwendet, um Lithium- und Natriumionenbatterien (LIBs und SIBs) Anodenmaterialien und elektrochemische Katalysatoren für die Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) zu modifizieren, und die elektrochemischen Anwendungsleistungen dieser Materialien zu untersuchen. Erstens, werden WS2-Nanopartikel durch Wasserstoff-Plasma-Behandlung bei 300 &ring;C für 2 Stunden modifiziert, und die hydrierten WS2 (H-WS2)-Nanopartikel zeigen eine deutlich verbesserte elektrochemische Leistung als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) und Natrium-Ionen-Batterien (SIBs). Die TEM-Untersuchung zeigt eine ungeordnete Oberflächenschicht mit einer Dicke von etwa 2,5 nm nach der Behandlung, was auch durch die Ergebnisse der Raman Spektroskopie bestätigt wird. Die Verschiebung der XPS-Peaks deutet an, dass die Oberflächenstörungen der Struktur in die kristalline Struktur integriert sind. Die H-WS2-basierten LIBs und SIBs weisen eine deutlich höhere spezifische Kapazität bei unterschiedlichen Stromdichten auf. Darüber hinaus zeigt die Untersuchung der elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) eine drastische Verringerung des Ladungsübertragungswiderstands sowohl für LIB als auch für SIB. Das bedeutet, dass die plasmahydrierte Elektrode für den Elektronentransport während des elektrochemischen Prozesses vorteilhafter ist. Die verbesserte Leistung von H-WS2 in beiden Anwendungen von Li und Na Ionenbatterien ist auf den reduzierten Ladungsübertragungswiderstand an der ungeordneten Oberflächenschicht und die verbesserte elektronische Leitfähigkeit durch die Störungsoberfläche in der kristallinen Struktur zurückzuführen. Zweitens, werden stickstoffdotierte TiO2 (N-TiO2)-Nanopartikel durch Stickstoffplasma-Behandlung hergestellt und als Anodenmaterial von Natriumionenbatterien (SIBs) untersucht. Die N-TiO2-Nanopartikel weisen eine wesentlich bessere Ratenleistung auf und liefern Entladekapazitäten von etwa 621 mAh-g-1 bei 0,1 C und 75 mAh-g-1 bei 5 C sowie eine deutlich verbesserte Kapazitätserhaltung (mehr als 98% nach mehr als 400 Zyklen) als das unbehandelte TiO2. Im Gegensatz zu den anderen stickstoffdotierten TiO2, von denen in der Literatur berichtet werden, bildet sich in den N-TiO2-Nanopartikeln nach der N2-Plasmabehandlung eine ungeordnete Oberflächenschicht mit einer Dicke von etwa 2,5 nm. Sowohl der dotierte Stickstoff als auch die ungeordnete Oberflächenschicht spielen eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Natriumspeicherleistung. Drittens, haben wir das TiO2-Au (P-TiO2-Au, Goldnanocluster, unterstützt durch P25 TiO2-Nanopartikel, Au-Belastung: ˜ 2 wt%) als elektrochemische Katalysatoren für die Stickstoffreduktionsreaktion benutzt. Das Material wurde mit H2-Plasma modifiziert und bildete dann einen blau-schwarzen H-TiO2-Au-Katalysator, der eine verbesserte Leistung für den Prozess der Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) im Vergleich zur unbehandelten Probe zeigte. Aus den TEM-Untersuchungen konnten wir einige ungeordnete Positionen an der Oberfläche finden, und auch die Raman-Intensitäten von H-TiO2-Au sind viel niedriger als das unbehandelte Material, das auf die ungeordnete Oberfläche und die Bildung von Sauerstoffleerstellen zurückzuführen ist. Darüber hinaus konnte nach der Wasserstoff-Plasma-Behandlung ein kleiner Peak-Shift im XPS -Spektrum festgestellt werden. Wenn die Probe für die elektrochemische NRR verwendet wurde, ist die Ausbeute an NH3 von blau-schwarzem H-TiO2-Au etwa 9,5 mal höher als die unbehandelte Probe, während die höchste faradaysche Effizienz von 2,7 % auch bei dem Potential von -0,1V erreicht wird. Die Ergebnisse der DFT-Berechnung bestätigen, dass H-TiO2-Au bei Sauerstoffleerstellen und ungeordneter Oberflächenschicht für den NRR-Prozess sehr bevorzugt wird. Es zeigt außerdem, dass der Reduktionsprozess der H2-Plasma-Behandlung eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Leistung von Katalysatoren spielt. Es könnte das erste Mal sein, dass die Plasmatechnik zur Modifikation des Katalysators für elektrochemische NRR-Prozesse eingesetzt wurde.

Wie Systeme ihre Umwelt erfassen und Umgebungen wahrnehmen ist in den letzten Jahren in nahezu allen Lebensbereichen in den Fokus technischer Entwicklungen gerückt. Es sind Anwendungen der Assistenz oder Automatisierung im privaten Raum (Smart Home), in der Produktion (Industrie 4.0) oder in Mobilitätssystemen der Logistik bzw. des Verkehrs (autonomes Fahren), welche möglichst qualitativ hochwertige und von Umgebungseinflüssen unabhängige Sensorinformationen für ihre korrekte Funktionsweise benötigen. Radar-Sensoren bieten die Möglichkeit von der Umgebung zurückgestreute Signale zu erfassen und durch räumlich verteilte Messungen eine Abbildung der Umwelt vorzunehmen. Unter Nutzung einer synthetischen Apertur und Radar-Signalen großer Bandbreite entstehen dabei Kartierungen, welche räumliche Informationen von Rückstreuobjekten bereitstellen. Die Auswertung des Polarisationszustands gesendeter und empfangener Signale, bietet außerdem eine detailliertere Aussage über deren Interaktion mit der Umgebung und ursächliche Streumechanismen. In der klassischen Radar-Fernerkundung sind die Aufgaben der Bildgebung und der Polarimetrie voneinander getrennte Verarbeitungsschritte, da erst nach der Bildgebung die notwendige Auflösung zur Trennung einzelner Mechanismen zur Verfügung steht. Informationen der Objekte wie Form oder Ausrichtung im Raum werden entsprechend durch Auswertung des polarimetrischen Streumechanismus im Bildbereich gewonnen. Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung wissenschaftlicher Ausgangspunkte der bildgebenden UWB-Radar-Sensorik durch Methoden der Radar-Polarimetrie der Fernerkundung. Durch die Erschließung polarimetrischer Signalanalyse breitbandiger Radar-Signale als Vorverarbeitung bildgebender Verfahren, können polarimetrische Mechanismen bereits im Zeitbereich identifiziert und ausgewertet werden. Die daraus gewonnenen Informationen dienen der Zerlegung der Radar-Daten in einzelne Rückstreukomponenten, wodurch bildgebende Verfahren die Umgebung des Sensors mit höherer Genauigkeit und Interpretierbarkeit erfassen. Dazu werden zwei neuartige Methoden detailliert diskutiert und mit bestehenden polarimetrischen Verfahren in Bezug gesetzt. Es handelt sich dabei, um einen modellbasierten Ansatz für die Zerlegung im Zeitbereich und ein Verfahren der statistischen Analyse in Zeit- und Bildbereich. Die Funktionsweise der Methoden wird in dieser Arbeit mit Simulationsdaten veranschaulicht und mithilfe von Messungen in realitätsnaher Umgebung verifiziert.

Die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterschaltkreisen erfordert die Entwicklung neuartiger Strukturierungs-, Abscheidungs- und Ätzmethoden. Die dafür erforderliche Auflösung nähert sich heutzutage atomaren Maßstäben. Die derzeitigen Trends in der Fabrikation von elektronischen Schaltkreisen stellen strenge Anforderungen an die verwendeten Nanostrukturierungsmethoden, in Bezug auf Kontrolle der Materialeigenschaften und der Strukturabmessungen. Für diese nanoskalige Strukturen sind außerdem Oberflächenzusammensetzung und Oberflächendefekte genauso wichtig wie die Strukturabmessungen, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Letztendlich ist es daher notwendig beliebige Materialien mit der Präzision einzelner atomarer Lagen abzuscheiden und abzutragen. Die vorliegende Arbeit untersucht geeignete Fabrikations- und Charakterisierungsprozesse für die Ära der atomar genauen Materialstrukturierung mittels sogenannter Atomic Layer Deposition (ALD) und Atomic Layer Etching (ALE). Um die Herausforderungen atomar genauer Materialstrukturierung zu adressieren ist ein tiefgehendes Verständnis der Materialien und ihrer physikalisch-chemischen Wechselwirkungen von Nöten. In der vorliegenden Arbeit wird die Synergie verschiedener Materialien und Fabrikationsprozesse untersucht. Durch Anwendung von ALD für die Doppelstrukturierung mittels Spacer-Technik (spacer defined double patterning, SDDP) wird gezeigt wie sich Strukturen mit Dimensionen unterhalb von 10 nm herstellen lassen. Generell ist die Auflösung von SDDP durch das Fehlen geeigneter Nanofabrikationsprozesse für Strukturen unterhalb von 10 nm limitiert. Die Arbeit etabliert, dass thermische ALD eine konforme Abscheidung einer Titandioxid-Spacer-Schicht erlaubt, ohne dabei das darunterliegende Substrate zu beschädigen oder zu modifizieren. Zusammenfassen lässt sich sagen, dass die erste erfolgreiche Fabrikation von 7.5 nm breiten Titanoxidstrukturen mittels SDDP nur durch die Anwendung von Prozessen auf atomarem Maßstab ermöglicht wurde. Während ALD bereits zu einer produktiven Standardtechnologie geworden ist, erweist sich die Etablierung des korrespondieren Ätzprozesses, nämlich ALE, als ungleich schwieriger. Tatsächlich ist die kontrollierte Materialabtragung um jeweils eine Atomlage ein komplexes wissenschaftliches Problem. Dies gilt besonders für direktionales Ätzen. Ein Hauptziel der Arbeit besteht in der Entwicklung von Methoden, die es erlauben existierende Plasmaätzanlagen für ALE zu verwenden. In diesem Zusammenhand etabliert und evaluiert diese Arbeit einen zyklischen Prozess basierend auf Fluorcarbonen (FC) für ALE von Siliziumdioxid. Es werden die beteiligten Reaktionsmechanismen charakterisiert und der Einfluss der Prozessparameter evaluiert. Mittels eines zyklischen FC- und Argon-Plasmas ist es möglich Siliciumdioxid atomar genau in einer minimal modifizierten, konventionellen Plasmaätzanlage zu ätzen. Plasma-basiertes ALE erlaubt direktionales Ätzen, das für tiefe, schmale Strukturen erforderlich ist. Zum ersten Mal werden hier sowohl seitenverhältnisunabhängiges Ätzen als auch hohe Zuverlässigkeit beim Strukturtransfer mittels FC-basiertem ALE erreicht. Das Resultat wird durch eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der Plasmaparameter auf das Ätzverhalten von Siliziumdioxid und Anwendung der gewonnenen Informationen auf ein selbstlimitierendes Verhalten ermöglicht. Zusammengefasst demonstriert die vorliegende Arbeit wie neue Technologieknoten, die Teil des zunehmenden Trends zu atomar genauer Halbleiterprozessierung sind, durch ALD und ALE ermöglicht werden.

Die Geothermie sowie die Solarthermie stellen sehr große technische Potenziale zur Energiegewinnung zur Verfügung. Die derzeit zwei verfügbaren Umwandlungsverfahren dieser niedertemperierten Wärme mit Sekundärkreislauf sind der Organic Rankine Cycle (ORC) und das Kalina-Cycle-System (KCS). Für geringe Quellentemperaturen bis 120 &ring;C wird der ORC ohne und mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) analysiert sowie weiter optimiert und mit der Ausführung von Kalina Cycle KCS 34 gewichtet. Für die geothermische Stromerzeugung erzielen zeotrope Fluidgemische mit ziemlich geringen kritischen Temperaturen, im subkritischen Bereich des ORC, Leistungssteigerungen sowie Optimierungen nach dem zweiten Hauptsatz bis 30 %, verglichen mit den Reinfluiden. Dies richtet sich jedoch nach der Geothermalwassertemperatur; d.h.: Jeder Temperatur ist einem sachgemäßen zeotropen Gemisch zugeordnet. Dabei sind Eigenschaften von Gemischen wie z.B. R422A und R402A für die Geothermalwassertemperatur 100 &ring;C, R22M und R438A für 120 &ring;C supergeeignet. Für die KWK werden Hybridmodelle entworfen, in denen verschiedene Kopplungsvarianten sowie Prozessführungen, wie Verwendung von zwei Vorwärmern, zwei Verdampfungsaggregaten oder die Basisführung, stehen. Verglichen mit dem bekannten Serien- und Parallelmodell haben all diese Systemführungen geringere Sensitivität zu Auslegungs- und Betriebsparametern des Heizsystems sowie zu den Fluidklassen, zusammen mit optimierter Leistungserzeugung. Der Cash-Flow als Maßstab der Wirtschaftlichkeit folgt dem thermodynamischen Zielfaktor und bestätigt die Überkompensation des Mehraufwands der optimierten Anlagen. Im Vergleich des ORC und KCS 34 für die Geothermalwassertemperaturen bis 120 &ring;C zeigt sich der ORC mit den Fluidgemischen überlegen. Dagegen liefert KCS 34 bei Limitierung der Geothermalwasserauskühlung Mehrleistung. Für die KWK beweisen sich die Hybridmodelle des ORC als hervorragende Kreisläufe. Für Reservoire mit höheren Temperaturen als 120 &ring;C ist das Serienmodell mit KCS 34 vorteilhafter. In der solarthermischen Betrachtung scheint die kaskadierte Methode der Wärmekopplung mit dem ORC und Flachkollektor zusammen mit Verwendung der zeotropen Gemische zur Optimierung des Teillastverhaltens und Verringerung der Systemsensitivität vielversprechend, verglichen mit der klassischen Wärmekopplung mit dem ORC-Kondensator und Reinarbeitsmitteln.

Das Metall Chrom ist ein wichtiger Funktionswerkstoff in der Mikro- und Nanotechnik, wo konstant sinkende Strukturgrößen in Richtung sub-10 nm zunehmend zu Schwierigkeiten bezüglich dessen Trockenätzstrukturierung führen. Insbesondere die Nutzung als Hartmaske für SiO2 Templates in der UV-Nanoimprint Lithographie (UV-NIL) ist durch die isotrope Natur des Trockenätzprozesses begrenzt, was zu lateralem Ätzen und Maskenhinterschnitt führt. In Konsequenz, sind die erreichbaren Aspektverhältnisse stark begrenzt und minimal erreichbare Strukturgrößen limitiert. Daher wird in dieser Arbeit das induktiv gekoppelte Plasmaätzen (ICP) von Chrom untersucht, mit der Zielstellung die Kontrollierbarkeit des Ätzprozesses zu verbessern. Ätzraten und Ätzprofile werden analysiert um Ätzmechanismen zu bestimmen. Spektroskopische Ellipsometrie und Querschnittsrasterelektronenmikroskopie werden genutzt um geätzte Chromdünnschichten unter verschiedenen Prozessbedingungen zu untersuchen. Die Hauptprozessvariablen sind die Oberflächentemperatur, die Sauerstoffkonzentration, die gerichtete RF Leistung und die Strukturgröße. Die Entwicklung einer neuen Probenpräparationsmethode zur hochpräzisen Querschnittssekundärelektronenbildgebung war zudem Grundvoraussetzung um eine ausreichende Sichtbarkeit der Strukturprofile zu gewährleisten. Resultierend demonstriert diese Arbeit zum ersten Mal die Möglichkeit die Form geätzter Chromprofile ohne Überätzen direkt und präzise kontrollieren zu können. Ermöglicht wird dies durch die Entdeckung und Nutzung eines Selbstpassivationseffektes bei niedrigen Temperaturen. Der Ätzmechanismus konnte auf die Re-deposition von sauerstoffreichen Nebenprodukten zurückgeführt werden, welche vom Boden des Ätzgrabens stammend, die Seitenwand passivieren. Zusätzlich wird mit dieser Arbeit ein neuer Stand der Technik definiert indem die anisotrope Strukturierung von Chrom mit Aspektverhältnissen von bis zu 3,25 demonstriert wird. Im Bezug auf die Fabrikation von einstellig nanoskaligen Strukturgrößen in Chrom, demonstriert diese Arbeit weiterhin die großflächige Herstellung von Nanostrukturen mit 7.5 nm in SiO2. Mit den Resultaten dieser Dissertation kann nun mit einem vorher nicht dagewesenen Grad der Kontrolle Chrom nanostrukturiert werden, womit zukünftige Anforderungen an die sub-10 nm Fabrikationsfähigkeit erfüllt sind.

Die Miniaturisierung der kleinsten Bauelemente, d. h. der Transistoren, in integrierten Schaltungen auf Siliziumbasis nähert sich langsam den physikalischen Grenzen und alternative Strukturierungs- und Strukturübertragungsmethoden werden benötigt um zu noch kleineren Strukturen zu gelangen. Eine dieser alternativen Strukturierungsverfahren ist die feldemissionsbasierte Rastersondenlithographie. Diese Technologie beruht auf der Belichtung einer Resistschicht mittels Elektronen, welche aus der Rastersondenspitze aufgrund des angelegten elektrischen Feldes emittiert werden. Das Verfahren wurde schon erfolgreich zur Herstellung neuartiger Einzelquantenpunkttransistoren verwendet, welche bei Raumtemperatur arbeiten und kann Strukturgrößen von unter 10 nm erzeugen. Nichtsdestotrotz mangelt es an einer theoretischen Beschreibung, welche insbesondere den Einfluss der Resistschicht auf das Emissionsverhalten der Elektronen aus der Spitze wie auch die Wechselwirkung der Elektronen mit den Molekülen der Resistschicht umfasst. Optimale Parameter zum Erreichen der besten Auflösung mit einer bestimmten Emissionsspitze müssen zurzeit in einem empirischen Versuch bestimmt werden. Das ist sowohl zeitaufwendig, nutzt die Spitze ab und birgt das Risiko einer Berührung der Spitze mit der Probe. Dadurch entsteht wiederum die Gefahr, dass die empirische Optimierung wiederholt werden muss. Um dies zu vermeiden, wäre ein theoretisches Modell wünschenswert, welches die optimalen Parameter vorhersagen kann. In dieser Arbeit wird ein umfassendes numerisches Modell der Rastersondenlithographie vorgestellt, welches die Berechnung des elektrischen Feldes, der Emissionsstromdichte aus der Spitze und der Elektronentrajektorien beinhaltet sowie eine Monte Carlo Simulation zur Berechnung der elektronischen Wechselwirkungen in der Resistschicht einschließt. Dieses Modell ist für beliebige zylindersymmetrische Spitzen anwendbar (u. a. für Spitzen mit einer umschließenden Elektrode) und berücksichtigt den Einfluss der Resistschicht in der gesamten Berechnung. Zur Verbesserung des Verständnisses der physikalischen Grundlagen, zur Vorhersage optimaler Parameter und zur Resourcenminimierung der Berechnung wurde ein analytisches Modell abgeleitet, welches, bis auf die Wechselwirkungen in der Resistschicht, alle Teile des numerischen Modells für eine typische Spitzenform beinhaltet. Damit konnte der Einfluss der durch die Spitze vorgegebenen Parameter (z. B. Spitzenradius) und der extern einstellbaren Parameter (z. B. Spannung, Schreibgeschwindigkeit) untersucht werden. Das analytische Modell wurde erfolgreich zur Analyse von Feldemissionsexperimenten genutzt und es konnte damit die systemeigene Driftgeschwindigkeit beziehungsweise die Wachstumsrate der experimentell beobachteten Strukturen abgeschätzt werden. Weiterhin konnte es die experimentell beobachtete Abhängigkeit der Linienbreite von der Bestrahlungsdosis und der Spannung reproduzieren. Somit steht erstmals ein vollständiges theoretisches Modell zur Beschreibung der feldemissionsbasierten Rastersondenlithographie zur Verfügung, welches alle relevanten Parametereinflüsse (im Vakuumbetrieb) beinhaltet. Der analytische Teil des Modells kann zur Vorhersage der zu schreibenden Strukturen und zur Parameteranpassung verwendet und in die Software des Lithographiesystems eingebaut werden.

Bleifreie, niedrigschmelzende und hochbrechende Spezialgläser wurden mit dem Ziel synthetisiert, diese als Streuschicht in einer organischen Leuchtdiode (OLED) zu verarbeiten und damit die interne Lichtauskopplung zu erhöhen. Ausgehend von ternären Systemen auf Basis eines B2O3- und/oder SiO2-Netzwerks wurden zunächst Bi2O3- respektive TeO2-haltige Gläser hergestellt. Darüber hinaus wurden der Einfluss und die Wirkungsweise weiterer Oxide auf diese Glassysteme analytisch erfasst. Ausgewählte Gläser wurden als Pulver zusammen mit 1-3 [my]m großen TiO2- oder SiO2-Streupartikeln zu einer Paste verarbeitet, in einem Siebdruckprozess auf ein Substrat aus Kalk-Natron-Silicatglas appliziert und abschließend verglast. Um daraus eine funktionsfähige OLED herzustellen wurde in einem Reinraumprozess auf die Komponente aus Substratglas und Streuschicht eine Schichtabfolge aus ITO-Anode, Emitterschichten und Kathode aufgebracht. Als besonders geeignet stellten sich Gläser aus dem System Bi2O3-B2O3-SiO2-ZnO-SrO-BaO (B:BSZSB) heraus. Mit ihnen konnten neben der Anpassung der Wärmeausdehnung an das Substrat auch die Brechzahlanpassung an die ITO-Anode mit nd = 1,90 ± 0,1, eine Transformationstemperatur Tg < 450 &ring;C und eine hohe Transmission im sichtbaren Bereich gewährleistet werden. Als ideal für die Verglasung von B:BSZSB-haltigen Schichten stellte sich ein Partikeldurchmesser d90 = 4,76 [my]m und eine möglichst enge Kornverteilung aus abgerundeten Partikeln dar. Die Partikel sollten dabei idealerweise gleichverteilt sein. Ziel war es, die Auskoppeleffizienz der OLED mittels Glasstreuschicht um mindestens 50 % zu steigern. Konkret bedeutet das, eine Lichtausbeute von [eta] ≥ 40 lm/W zu erreichen. Das optimale Streuvermögen für die Lichtextraktion aus einer OLED konnte durch einen Haze von 0,6-0,9 erzielt werden. Maßgeblich dafür sind die Schichtdicke und die darin enthaltene Streupartikelkonzentration. Die höchste Lichtausbeute von [eta] = 55 lm/W konnte für OLEDs mit einer eigenentwickelten 15 [my]m dicken Streuschicht der Zusammensetzung 23Bi2O3-38B2O3-4SiO2-24ZnO-4SrO-7BaO (mol-%) und einer Streupartikelkonzentration von 2,5 Vol.-% TiO2 realisiert werden. Im Vergleich zur Referenz-OLED ohne Streuschicht ([eta] = 26 lm/W) entspricht die erzielte Lichtausbeute, bei einer konstanten Leuchtdichte von 2000 cd/m2, einer Steigerung um 110 %. Die Übertragung des Prozesses vom Labormaßstab in die industrielle Fertigung im Reinraum konnte durch die Übergabe des Beschichtungsverfahrens inklusive aller nötigen optimierten Prozessschritte und -parameter an die OSRAM OLED GmbH gewährleistet werden.

Werkstoffinnovation ist eine wesentliche treibende Kraft des 21. Jahrhunderts. Die Forschung und Weiterentwicklung von innovativen Materialien vergrößert stets deren Anwendungsbereich und den ressourceneffizienten Einsatz in technischen Gebilden. Dieser allgemeine Trend der Weiterentwicklung von Materialien führt zu höheren Anforderungen an Messgeräte, welche die zugehörigen Materialkenngrößen ermitteln. Im Bereich der Dilatometrie wird die Längenänderung von thermisch beeinflussten Materialien analysiert. Zukünftige und zum Teil bereits aktuelle messtechnische Anforderungen von z. B. weichen Materialien können mit bestehenden Möglichkeiten der technischen Realisierung nicht mehr sicher erfüllt werden. Hieraus leitet sich ein Handlungsbedarf hinsichtlich technischer und konstruktiver Weiterentwicklung ab. Ziel dieser Arbeit ist es, den aktuellen Entwicklungsstand zur messtechnischen Erfassung von thermisch induzierten Längenänderungen darzustellen und Möglichkeiten für dessen Weiterentwicklung zu erarbeiten. Hierzu wird das Arbeitsfeld begrifflich und inhaltlich abgegrenzt. Mithilfe einer Betrachtung des Standes der Technik werden Anforderungen für die Weiterentwicklung abgeleitet. Im Rahmen der konstruktiven Entwicklung spielt hierbei die Reduzierung wesentlicher Störeinflüsse auf die Längenänderung der Probe eine entscheidende Rolle. Ein besonderes Ziel besteht darin, den Krafteinfluss während der Längenmessung stark zu verringern sowie den Einfluss durch manuelle Bedienung zu eliminieren. In der vorliegenden Arbeit werden für die Entwicklung und Realisierung einer kraftgesteuerten Messzelle systematisch Lösungsräume erarbeitet sowie anschließend schrittweise hinsichtlich der Erfüllung der gegebenen Anforderungen untersucht und bewertet. Aus methodischer Sicht stellt diese Arbeit eine Vorgehensweise zur zielgerichteten Entwicklung einer kraftgesteuerten Messzelle dar. Die Funktionsfähigkeit des erarbeiteten Konstruktionsentwurfs wird durch experimentelle Ergebnisse im Rahmen des messtechnischen Nachweises bestätigt. Den Abschluss dieser Arbeit bilden sowohl eine Einflussgrößenanalyse als auch eine Zusammenfassung ermittelter charakteristischer Eigenschaften der Messzelle gefolgt von einem Ausblick zur Weiterentwicklung.

Viele moderne Applikationen, z.B. aus der Biotechnologie oder der Halbleiterindustrie, benötigen Mehrkoordinatenantriebe, die Positioniergenauigkeiten im Nanometerbereich und große planare Bewegungsbereiche besitzen. Zudem müssen die zum Einsatz kommenden Systeme auch vakuumtauglich sein. Um diese hohen Anforderungen zu erfüllen, werden magnetisch geführte Mehrkoordinatenantriebe untersucht und entwickelt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, einen neuartigen magnetisch geführten Mehrkoordinatenantrieb mit einem großen Fahrbereich zu entwickeln. Im Vergleich zu anderen, aus der Literatur bekannten Lösungen zeichnet sich das vorgeschlagene Konzept durch eine wesentlich vereinfachte kompakte Konstruktion, entkoppelte Antriebsund Führungskräfte und einen von oben frei zugänglichen passiven Läufer aus. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeit ist die semi-analytische Kraftberechnung der eingesetzten Aktoren. Die Ergebnisse der hergeleiteten Kraftgleichungen werden den numerischen 3D-FEM und den experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt. Zwischen den Ergebnissen der hergeleiteten Kraftgleichungen und den numerisch ermittelten Kräften zeigt sich ein maximaler Fehler von 1 %. Zwischen den Berechnungen und den Messungen ergibt sich ein maximaler Fehler von 5 %. Da der Funktionsnachweis des vorgeschlagenen Konzepts im Vordergrund steht, ist ein Funktionsmuster mit einem Bewegungsbereich von 50 × 50 × 2 mm^3 aufgebaut und in Betrieb genommen worden. Für die Regelung des Systems ist ein Zustandsregler mit integrierender Rückführung implementiert. Erste experimentelle Messungen zeigen, dass das System stabilisiert und der Läufer in den sechs Bewegungsfreiheiten positioniert werden kann. Dabei besitzt das Positionsrauschen in den Koordinaten x, y und z eine Standardabweichung von [sigma]x = 193 [my]m, [sigma]y = 178 [my]m und [sigma]z = 8.2 [my]m und liegt damit im Bereich der Messsystemauflösung.

Elektrische Entladungen, die bei schaltenden elektrischen Kontakten oder beim Ziehen einer Steckverbindung unter Spannung entstehen können, sind eine bedeutende Zündquelle in explosionsfähigen Atmosphären. Elektrische Komponenten in solchen Atmosphären entsprechen daher einem Zündschutzkonzept wie beispielsweise der Eigensicherheit "i". Hierbei werden durch definierte Begrenzung von elektrischen Parametern Zündungen verhindert. Das wird nach dem Stand der Technik mit dem IEC-Funkenprüfgerät getestet, indem mit der Energie der Testkomponente elektrische Entladungen in einem explosionsfähigen Gasgemisch erzeugt werden. Die komplexen Phänomene der auftretenden Entladungstypen sind jedoch bis heute noch nicht vollständig verstanden. Die Ergebnisse der Prüfgeräte streuen stark und können zu Wettbewerbsverzerrungen führen. Zum Erreichen reproduzierbarer Ergebnisse ist es daher notwendig, eine verbesserte alternative Prüfmethode zu entwickeln. Diese soll die für die Zündung relevante elektrische Entladung nachbilden. Das Ziel ist, die Zündgrenzwerte durch diese Prüfmethode möglichst einfach und reproduzierbar bestimmen zu können. Dies wird durch einen Lösungsansatz erreicht, der auf der Verwendung der Zündgrenzwerte basiert, wie sie sich im IEC-Funkenprüfgerät bei einer definierten Zündwahrscheinlichkeit unter Worst-Case-Bedingungen ergeben. Hierzu wird eine spezielle Kontaktvorrichtung verwendet, mit der diese Entladungen unter Worst-Case-Bedingungen gezielt erzeugt werden. Die Untersuchungen umfassen daher die Ermittlung der Worst-Case-Bedingungen und die Charakterisierung der Entladungen bei Öffnungsvorgängen in einem Wasserstoff-Luft-Gemisch mit Stromwerten kleiner als 60 mA und einer maximalen Spannung von 30 VDC. Dabei werden die Strom-Spannungs-Kennlinie, das optische Spektrum, eine Abschätzung der Temperatur und eine vereinfachte Bewertung der Zündfähigkeit über den Leistungsverlauf einschließlich der Abschätzung der Messunsicherheit dargestellt. Die Nachbildung orientiert sich an der Physik der Entladung, ermöglicht reproduzierbare Ergebnisse und kann in einem Prüfgerät oder einem Programm eingesetzt werden. Die Arbeit bildet eine erste Grundlage für eine alternative Prüfmethode zum bisherigen IEC-Funkenprüfgerät, deren Ergebnisse in die internationale Normung einfließen können.

Bariumhexaferrit (BaFe12O19) hat aufgrund seiner großen uniaxialen magnetokristallinen Anisotropie, des hohen spezifischen Widerstands und der Permeabilität bei hohen Frequenzen viel Aufmerksamkeit für Anwendungen im Mikrowellenbereich erregt. Es kann zum Beispiel als Absorber für elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) Anwendungen eingesetzt werden. Die chemische Substitution von Eisen durch Titan im Bariumhexaferrit zeigt, dass die magnetischen Eigenschaften stark beeinflussbar und die Mikrowelleneigenschaften verbesserbar sind. In der vorliegenden Arbeit werden für Mikrowellenanwendungen Titan-substituierte hexagonale M-Typ Ferrite in einer schnellgekühlten Glasschmelze der Grundzusammensetzung (Mol-%): 40 + 33 B2O3 BaO + (27-x) Fe2O3 + x TiO2. mit der Glaskristallisationstechnik bei Variation der Schmelzsubstitution und der Kristallisationsparameter hergestellt. Dabei wird insbesondere der Einfluss der Schmelzsubstitution und der Temperbedingungen auf die magnetischen Eigenschaften, die Wertigkeit der Eisen-Ionen im Glas und in den Pulvern, die Phasenbildung im Glas und die Mikrowellenabsorption der Pulver untersucht. Thermokinetische Analysen sind die Basis, die Phasentransformationen durch die Analyse der kinetischen Parameter zu verstehen und die Gitterplatzbesetzung und den Fe2+ -Gehalt in der ferrimagnetischen Phase zu kontrollieren, um somit die Mikrowellenabsorption von Ti-substituierten Bariumhexaferritpulvern zu optimieren. Dabei wurde der Einfluss von Temperatur und Heizrate untersucht. Für die Kristallisation von Bariumhexaferrit in der glasigen Matrix von x= 0, 1,8, 3,6, 4,2 und 6,4 Mol %-TiO2, die mittels dem ASTM E698-Verfahren bestimmt wurde, ist eine Gesamtaktivierungsenergie von 311,74 ± 3 kJ mol-1 erforderlich. Die Phasenumwandlung während der Kristallisation wurde nicht von der Ti-Substitution beeinflusst. Die Substitution der Fe3+- durch Ti4+-Ionen verändert die magnetokristalline Anisotropie des Bariumhexaferrites. Dieser Effekt wurde durch Messung der statischen magnetischen Eigenschaften (JHC und MS) an den synthetisierten Pulvern mit einem Probenvibrationsmagnetometer untersucht. Weiterhin wurde mittels Mößbauer Spektroskopie festgestellt, dass die Ti4+ Ionen bevorzugt die 2a und geringfügig auch die 2b Zwischengitterplätze besetzen. Für höhere Schmelzsubstitutionen x = 5,4 Mol %-TiO2 werden auch die 4f1 und 4f2- Plätze besetzt. Außerdem wurde mittels Röntgendiffraktometrie nachgewiesen, dass sich bei diesen hohen Schmelzsubstitutionen x = 4.6 Mol-% TiO2 neben der ferrimagnetischen (BaFe3+xFe2+12-2xTi4+xO19) auch eine dielektrische Phase ausbildet, welche BaTi6O13 entspricht. Die kontrollierte Beeinflussung der Gitterplatzbesetzung durch Ti4+-Ionen und des Fe2+-Gehaltes in der ferrimagnetischen Phase sowie die Einstellung des dielektrischen Phasenanteils während der Temperung sind Möglichkeiten zur Optimierung der Mikrowellenabsorption von mit der Glaskristallisationstechnik hergestellten Ti-substituierten Bariumhexaferrite Pulvern.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals mit Hilfe von XPS und AFM systematisch das Alterungsverhalten von Floatgläsern unter Berücksichtigung von drei kommerziell relevanten Aspekten untersucht: Vorspannprozesse, Korrosion bei Belegung mit Partikeln und Glasschutzmittel. Es konnten zwei spezifische Carbonatphasen nachgewiesen werden, die unter dem Einfluss von warmer, feuchter Umgebungsluft auf Floatglasoberflächen entstehen: Dendritisches Trona und Natriumhydrogencarbonat. Des Weiteren wurde im oberflächennahen Bereich Mg-Diffusion nachgewiesen. Ermöglicht wird sie durch die Akkumulation von Na und Ca und den damit verbundenen Änderungen der Glasstruktur und -zusammensetzung an der Oberfläche. Thermisches Vorspannen hat keinen signifikanten Einfluss auf diese Prozesse. Chemisches Vorspannen führt jedoch zu signifikanten Veränderungen: Es kommt zu einer erheblich inhomogeneren lateralen Ausbildung von Kristalliten, während chemische Veränderungen in der Glaszusammensetzung nur halb so tief in das Glas hineinreichen. Ursache ist das beim chemischen Vorspannen eingebaute K, welches die Zwischenräume des Glasnetzwerks verengt, so dass ein Eindringen von Wasserspezies erschwert wird. Untersucht wurde auch der Einfluss von Sandpartikeln der Sahara auf Glaskorrosion. Der anhaftende Sand verstärkt die Auslaugung der Netzwerkwandler drastisch und beeinflusst Kristallisationsprozesse sowie die Chemie der Glasoberfläche. Während er die Bildung von Carbonatphasen drastisch unterdrückt, führt er zur Entstehung von Ca-Anorthit und Na-Phillipsit. Diese können im weiteren Bewitterungsverlauf das Glas besonders stark schädigen, da sie unter dem Einfluss von Luftfeuchtigkeit eine hochbasische Umgebung bilden, die zur Auflösung des Glasnetzwerks führt. Erstmals wurde der Einfluss eines kommerziell erhältlichen Glasprotektors auf Flachglas untersucht, um seinen möglichen Nutzen für die Floatglasreinigung abzuschätzen und seine Wirkungsweise zu verstehen. Das saure Milieu des Protektors führt zu einer verstärkten Auslaugung von Na, was die Eindiffusion von im Protektor enthaltenem Zn in das Glas ermöglicht, welches das Netzwerk durch Stärkung geschwächter Glasverbindungen stabilisiert. Das dem Protektor beigemischte Bi diffundiert nicht in das Glas ein, sondern lagert sich an dessen Oberfläche ab und schützt diese dort. Unter Langzeiteinwirkung bildet sich eine Schutzschicht aus geringvernetztem hydratisierten Zinkphosphat aus. Deren Dicke ist mit unter 15 nm nach 19 Tagen äußerst gering und führt somit zu keinen störenden Interferenzerscheinungen. Die Ausbildung dieser Präzipitatschicht kann durch die Anwesenheit von Sn auf der Floatglasoberfläche erheblich beschleunigt werden.

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Defekten und deren Dynamik, die lokal in der Energiekonvertierungsfläche von Solarzellen auftreten. Ziel war es eineindeutige Erkennungsmerkmale für unterschiedliche Defekttypen aufzustellen und die Erscheinungsbilder der Defekte in Bildgebende Messmethoden besser zu verstehen. Die Defekte wurden dazu sowohl experimentell untersucht als auch durch Simulationen rekonstruiert. Besonderes Augenmerk lag auf der Untersuchung der zeitlichen Entwicklung des "dark spot" Defektes. Zum Einsatz kamen Bildgebende Elektrolumineszenz (ELI), Lichtinduzierte Strom Kartografierung (LBIC) und Loch-in Wärmebilder (DLIT). Diese Methoden lassen ortsaufgelöste Aussagen über die Proben zu. Elektrische Schaltkreissimulationen wurden eingesetzt, um den Signal-Verlauf der bildgebenden Messmethoden zu reproduzieren. Abschließend wurde betrachtet, inwieweit es möglich ist, durch eine Kombination von zwei bildgebenden Verfahren (ELI und LBIC), ortsaufgelöst Rückschlüsse auf quantitative Größen ziehen zu können. Dazu wurden diese beiden komplementären Messmethoden durch eine gemeinsame Auswertung kombiniert. Es zeigt sich, dass die dynamische Entwicklung des "dark spot" Defekts durch ein Diffusionsmodell beschrieben werden kann. Die weiterentwickelten elektrischen Schaltkreissimulationen bieten die Möglichkeit, die Signalverläufe von ELI, LBIC und DLIT im Umfeld der lokal auftretenden Defekte beschreiben zu können. In Verbindung mit den experimentellen Ergebnissen ist es möglich, Kombinationen verschiedener Messsignale aus mehreren bildgebenden Methoden mit unterschiedlichen Defekttypen zu verknüpfen. Die kombinierte Auswertung der Messsignale ermöglicht Aussagen über die lokalen Serien- und Parallelwiderstände der Zellen. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine Qualitätskontrolle basierenden auf bildgebenden Messverfahren. Die in der Arbeit entwickelten und modifizierten Methoden lassen sich sowohl auf organische als auch auf andere Solarzellentypen sowie flächige organische Leuchtdioden anwenden.

Die vorliegende Arbeit nutzt die Interkalation von Graphen mit verschiedenen Metallen zur Anpassung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von Graphen und für die Entwicklung einer neuartigen Präparationsmethode für Graphen-Bilagen. Mithilfe eines Rastertunnelmikroskops (STM) werden außerdem inelastische Anregungen im Graphen sowie die erzeugten Überstrukturen untersucht. Der erste Teil der Dissertation stellt eine Studie zum inelastischen Tunneln in Graphen auf Metalloberflächen vor. Die Interkalation von Graphen auf Ir(111) mit Cs und Li bewirkt deutliche Signaturen von Phononenanregungen in den Tunnelspektren. Im Gegensatz dazu werden nach Ni-Interkalation keine inelastischen Anregungen detektiert. Die Stärke der Phononensignale kann durch die Bedeckung der Alkalimetalle sowie durch die Veränderung des Spitze-Probe-Abstandes beeinflusst werden. Mithilfe von Transportrechnungen anhand eines innovativen Drei-Elektroden-Setups wird der Zusammenhang zwischen der Kopplung von Graphen zu den angrenzenden Elektroden und der spektralen Signaturen der Graphen-Phononen analysiert. Ähnliche Phononensignaturen auf Graphen-Mono- und Bilagen auf Ru(0001) zeigen eine räumliche Abhängigkeit der Intensität von der Messposition innerhalb der Moiréstruktur. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Präparationsmethode für Graphen-Bilagen auf Basis einer sequenziellen chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Zunächst wird eine Monolage Graphen auf Pt(111) in einem CVD-Prozess aus Ethen erzeugt. Anschließend wird zusätzliches Pt auf die Probenoberfläche aufgedampft. Hierdurch wird diese für einen weiteren CVD-Schritt reaktiviert, in welchem die zweite Lage Graphen wächst. Die nachfolgende Interkalation der Pt-Schicht unter die vergrabene Graphenlage erzeugt schließlich die Graphen-Bilagen auf Pt(111). Eine Analyse der Moirémuster bestätigt die erfolgreiche Präparation von Graphen-Doppellagen. Den Abschluss dieser Dissertation bildet eine explorative Studie der Wirkung von Graphen auf die Überstrukturen der Interkalanten. Exemplarisch werden die Pt-Interkalation von Graphen auf Pt(111) sowie die Interkalation von Cs und Li unter Graphen auf Ru(0001) untersucht. Bei graphenbedecktem Pt(111) ruft das eingefügte Pt eine Rekonstruktion der Substratoberfläche hervor. Aufgrund des Einflusses von Graphen unterscheidet sich deren Struktur qualtitativ von der einer Klasse verwandter Rekonstruktionen. Darüber hinaus wird die erfolgreiche Kointerkalation von Graphen auf Ru(0001) mit Cs und Li präsentiert. Die Alkalimetalle bilden separate Phasen mit Übergittern, die sich jeweils am Graphengitter statt an dem des Ru-Substrates ausrichten.

Tandem-Absorberstrukturen bestehend aus ternären III-V-Halbleiter-Nanodrähten (ND) als obere Teilzellen und Si als untere Teilzelle besitzen ein hohes Potential für kostengünstige, hocheffiziente Photovoltaik und solare Wasserspaltung. Ziel dieser Arbeit ist es den Weg zu einem solchem Tandem zu ebnen, wobei GaP als Pufferschicht zum Si(111)-Substrat und die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) als Präparationsmethode dient. Dafür soll ein detailliertes Verständnis hierbei erforderlicher Prozessschritte auf möglichst atomarer Skala geschaffen werden, um somit die Kontrolle über jeden einzelnen dieser Präparationsschritte zu erlangen. Es zeigte sich, dass die Si(111)-Oberfläche sich in der H2-Atmosphäre des MOVPE-Reaktors wesentlich anders verhält als während der etablierten Präparation in Ultrahochvakuum: So ist diese nach thermischer Deoxidation (1×1)-rekonstruiert und Monohydrid-terminiert. Reflexionsanisotropie-Spektroskopie erweist sich als geeignet die thermische Deoxidation fehlorientierter Substrate in-situ zu beobachten. Senkrechtes, geradliniges Wachstum von ND erfordert B-polare GaP(111) Pufferschichten auf Si. Epitaxie von GaP auf H-terminiertem Si(111) resultierte jedoch in A-Typ Polarität. Mit Hilfe einer vorangehenden As-Terminierung der Si(111)-Oberfläche gelingt es, die Polarität zu GaP(111)B umzukehren. Die Verwendung geeigneter Si-Substrate und Nukleationsbedingungen erlaubte es die Dichte an Rotationszwillingengrenzen (RZGs) deutlich zu reduzieren und somit den Anteil senkrechter ND auf über 97% zu steigern. Denn wie sich zeigte, wirken sich RZGs nachteilig auf anschließendes ND-Wachstum aus, indem sie es entweder vollständig unterdrücken, diagonal zur Substratoberfläche oder horizontal entlang der RZG verlaufen lassen. Verlässt ein horizontaler ND die RZG, entscheidet die Gitterfehlanpassung über die weitere Wachstumsrichtung: homoepitaktische ND setzen ihre Wachstum in die Senkrechte fort, während heteroepitaktische ND horizontal bleiben. Zum Verständnis dieser Phänomenologie wird ein quantitatives, kinetisches Nukleationsmodell entwickelt. Unabhängig vom Auftreten von RZGs vermag dieses Modell, das horizontale ND-Wachstum in gitterfehlangepassten Systemen zu erklären. Außerdem gelingt es erstmals verdünnt-Stickstoff-haltige ND-Strukturen via MOVPE zu präparieren. Zwei Ansätze sind erfolgreich: N-Einbau während des vapor-liquid-solid-Wachstums; und N-Einbau in eine Hülle. Darüber hinaus wird die Dotierung von Nanodrähten mittels eines Vierspitzen-Rastertunnelmikroskops untersucht. Hiermit werden Widerstandsprofile freistehender ND bestimmt, was eine anschließende Anpassung der Wachstumsparameter an gewünschte Dotierprofile erlaubt.

Die zunehmende Verbreitung von Elektronik im Alltag und die weitere Verringerung der Strukturgrößen stellt neue Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit integrierter Schaltungen. Modellierung zur Unterstützung des Schaltkreis- und Systementwurfs wird seit langer Zeit eingesetzt, bisher hauptsächlich zur Nachbildung des funktionalen Verhaltens einer Schaltung. Die vorliegende Arbeit verfolgt zwei Ziele: - Zu bekannten Modellierungsverfahren für das funktionale Verhalten wird eine Systematik entwickelt und in einen durchgängigen Modellierungsablauf abgebildet. - Die Methodik wird um die Modellierung nichtfunktionaler Eigenschaften erweitert, insbesondere werden Verfahren zur Berücksichtigung der Zuverlässigkeit entwickelt. Für die Zuverlässigkeitsmodellierung werden in erster Linie Degradationseffekte betrachtet, die während des bestimmungsgemäßen Betriebs entstehen und sich auf das elektrische Verhalten integrierter Bauelemente auswirken. Als eine wesentliche Voraussetzung für die entwickelten Verfahren zur Berücksichtigung der elektrischen Degradation wird lineare Schadensakkumulation angenommen. Dies bedeutet, dass die zeitliche Abfolge des anliegenden Stresses keine Rolle spielt, sondern sich die entstehende Schädigung linear akkumuliert. Das Ergebnis der Arbeit ist eine systematische Vorgehensweise zur Modellierung des funktionalen Verhaltens von analogen und Mixed-Signal-Schaltungen. Diese wird ergänzt um neue Verfahren zur Berücksichtigung zuverlässigkeitsrelevanter Eigenschaften der Schaltung. Analogien zur Mechanik erlauben es, in diesem Bereich etablierte Vorgehensweisen zur Beschreibung und Analyse der Zuverlässigkeit zu übernehmen und auf die Degradationseffekte integrierter Halbleiterbauelemente anzuwenden. Entsprechende Lebensdauermodelle zu relevanten Degradationsmechanismen sind dargestellt. Ausgehend von der generellen Struktur solcher Modelle werden allgemeine Maße zur Zuverlässigkeitsbewertung von Bauelementen unter Anwendungsbedingungen abgeleitet. Die Diskussion von Methoden zur Analyse der Zuverlässigkeit ganzer Schaltungen im Entwurf rundet die Darstellung ab. Die entwickelten Verfahren dienen der Unterstützung eines schnellen und fehlerfreien Entwurfs sicherer und zuverlässiger Schaltungen. Anhand der Optimierung einer Schaltung auf der Grundlage ihres Alterungsverhaltens wird dieser Nutzen verdeutlicht.

Lithium-Ionen Batterien (LIB) verwenden organische Elektrolyte, die auch bei hohen Spannungen von über 4 V stabil sind. Das Leitsalz, das für die meisten Elektrolyten genutzt wird, ist LiPF6. Dieses hat eine Reihe an positiven Eigenschaften, wie eine hohe Leitfähigkeit und chemische Stabilität, ist aber hydrolyseempfindlich. Die Hydrolyseprodukte können zu einer verringerten Batterieperformance und Zyklenstabilität sowie - im Falle einer Elektrolytleckage - zu Gesundheitsrisiken führen. Diese Arbeit untersucht deshalb, welche Materialien zu den Wasserverunreinigungen in einer LIB beitragen, wie die Wasserverunreinigungen mit LiPF6 reagieren und was die Effekte dieser Verunreinigungen auf das elektrochemische Verhalten der LIB sind. Das Trocknungsverhalten von Zellkomponenten wurde mittels Karl-Fischer Titration untersucht und zeigt, dass insbesondere das Anodenmaterial Graphit und der Glasfaserseparator eingehend getrocknet werden müssen, um einen Wassereintrag in die LIB zu minimieren. Unter den Kathodenmaterialien weist insbesondere LiFePO4 einen hohen Wassergehalt auf. Andere Zellkomponenten sind weniger hygroskopisch und können einfacher getrocknet werden, was bei der industriellen LIB Herstellung mit einer Kostenreduktion verbunden ist. Die Hydrolyse von LiPF6 wurde durch Ionenchromatographie im organischen Lösungsmittel EC/DEC (1:1 v/v) und in Wasser untersucht. Die Hydrolyseprodukte von LiPF6 in EC/DEC sind HF und HPO2F2. Um die komplexen Reaktionskinetiken zu untersuchen, wurde ein kinetisches Model erstellt, mit dem Vorhersagen über weniger hydrolyseempfindliche Elektrolyten möglich sind. Insbesondere zeigt sich, dass der Dissoziationsgrad eine große Rolle in der Hydrolyse von LiPF6 im spezifischen Lösungsmittel spielt, und ein höherer Dissoziationsgrad zu einer höheren Toleranz gegenüber Wasserverunreinigungen führt. Wasserverunreinigungen haben negative Effekte auf die Zyklenstabilität und führen zu einem erhöhten Ladungsübergangswiderstand, was auf eine veränderte SEI-Formierung und Zusammensetzung hindeutet. Die Erklärung wird auch durch die Erkenntnis gestützt, dass die coulombsche Effizienz im ersten Zyklus bei wasserkontaminierten Zellen niedriger ist. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig eine Limitierung und Kontrolle der Wasserkontamination in LIB für deren Langlebigkeit, Performance und Sicherheit ist.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Wirkzusammenhänge des Schadensmechanismus "Torsionsschwingbruch durch Kontaktermüdung" zu untersuchen und Möglichkeiten zur Quantifizierung des Schadensmechanismus aufzuzeigen. Zu diesem Zweck werden Federvarianten mit unterschiedlichen Anlageverhalten gefertigt, charakterisiert und geprüft. Mit den bisher etablierten Methoden kann das Anlageverhalten nicht lokal und zugleich bei einer definierten Federkraft bewertet werden, was für die Fertigung von Versuchsfedern mit gezielt variierenden Anlageverhalten erforderlich ist. Vor diesem Hintergrund wird die Lichtspaltmethode entwickelt. Die Lichtspaltmethode eignet sich im Gegensatz zu numerischen Verfahren auch zur fertigungsnahen Beurteilung des Anlageverhaltens. Zusätzlich ermöglicht die Lichtspaltmethode einen höherwertigen FE-Abgleich im Endwindungsbereich, als ein Abgleich über die Federrate oder mittels druckempfindlichen Papiers. Aufgrund der Schwingfestigkeitsergebnisse wird eine Untergliederung des Schadensmechanismus hinsichtlich HCF-Kontaktermüdung mit Bruchausgang im Oberflächennahen Bereich und VHCF-Kontaktermüdung mit Bruchausgang unterhalb der Oberfläche vorgenommen. Begleitender Untersuchungen an Federn und Drähten zeigen, dass begünstigende Ursachen für Endwindungsbrüche mit der Ausprägung HCF-Kontaktermüdung sich auf eine fertigungs- bzw. verschleißbedingte Primärschädigung zurückführen lassen. Endwindungsbrüche im Bereich erhöhter Schwingspielzahlen mit einem Bruchausgang unterhalb der Oberfläche weisen auf eine Primärschädigung durch Kontaktermüdungsrissbildung hin. Auf Grundlage der Schwingfestigkeitsversuche an Schraubendruckfedern und numerischen Berechnungen wird eine Vorgehensweise zur Auslegung der Endwindungsgeometrie bei erhöhter Schwingspielzahl erarbeitet. Die Grobauslegung der Endwindungsgeometrie erfolgt über die Analyse des Kontaktwinkels in Abhängigkeit der Torsionsbeanspruchung. Die örtliche Bewertung erfolgt auf Basis der Finiten Elemente Methode und geeigneter Schadensparameter. Die numerische Nachrechnung der Schwingversuche zeigt, dass die lokale Kontaktdruckschwingweite als auch der Schadensparameter nach Dang Van geeignete Kenngrößen zur Beschreibung der VHCF-Kontaktermüdung darstellen. Durch diese Arbeit lassen sich Endwindungsbrüche durch Kontaktermüdung im VHCF-Bereich lokal bewerten.

Zweiphasenströmungen elektrischer leitfähiger Flüssigkeiten treten in einer Reihe von metallurgischen Prozessen auf. Zum Beispiel werden beim Stranggießen von Stahl Argonblasen in die Schmelze eingelassen, um ein Zusetzen des Tauchrohrs durch das Anlagern von Oxiden zu verhindern, die Schmelze in der Kokille zu mischen und zu homogenisieren sowie Verunreinigungen an die Badoberfläche zu transportieren, wo diese dann gezielt abgezogen werden können. Für eine lückenlose Prozess- und Qualitätskontrolle ist es unabdingbar, solche zweiphasigen Strömungstransportvorgänge messtechnisch zu erfassen. Unter den verschiedenen Strömungsmessverfahren für Flüssigmetalle ist die neu entwickelte Lorentzkraft-Anemometrie (LKA) ein vielversprechender Variante. Sie beruht auf der Messung der strömungsinduzierten Kraft, die sogenannte Lorentzkraft, die auf ein extern in der Nähe der Strömung angeordnetes Permanentmagnetsystem wirkt. Diese Lorentzkraft ist nach den Gesetzmäßigkeiten der Magnetofluiddynamik direkt proportional zur Geschwindigkeit bzw. zur Durchflussmenge der Schmelzenströmung und der elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze. Der wesentliche Vorteil der LKA ist ihr berührungsfreier und nicht intrusiver Charakter, der es auch bei industriellen Anwendungen im Hochtemperaturbereich erlaubt, Messungen zur lokalen Geschwindigkeitsverteilung bzw. Bestimmung des globalen Durchflusses in heißen und chemisch aggressiven Substanzen durchzuführen. Die Funktionalität der LKA wurde bereits in einer Reihe von Laborexperimenten mit der bei Raumtemperatur schmelzflüssigen Modelllegierung GaInSn sowie in Feldtests im Aluminium- und Stahlbereich nachgewiesen. Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel, dieses Messverfahren auf Flüssigmetall-Zwei-Phasenströmungen anzuwenden und damit den Einsatzbereich der LKA auf industriell relevante Problemstellungen zu erweitern. Hierzu werden eine Reihe von Modellexperimenten mit der Testschmelze GaInSn durchgeführt, in denen sich elektrisch nicht leitfähige Gasblasen oder Festkörperpartikel bewegen. Das Ziel der Untersuchungen ist die Beantwortung der Frage, ob aus den gemessenen Kraftsignalen reproduzierbare Aussagen über Blasen- bzw. Partikelgröße sowie deren Geschwindigkeit und Position treffen lassen. Die Schwierigkeit bei dieser Aufgabe besteht darin, dass die elektrisch nicht leitfähigen Blasen oder Partikel nicht direkt mittels LKA detektierbar sind, sondern nur ihre dynamischen Wechselwirkungen mit der Schmelze. In allen Experimenten erfolgt die Kraftmessung durch einen interferometrisch-optischen Kraftsensor (IOFS), der an einen kleinen würfelförmigen Permanentmagnet auf NdFeB-Basis gekoppelt ist. Die Kraftsignale für Partikel und Blasen werden erfasst und ausgewertet. Im Detail werden die Abhängigkeit des Maximalwertes der Lorentzkraft vom Partikeldurchmesser, von der Magnetfeldstärke, vom Abstand zwischen Partikel und Wand sowie der Partikelgeschwindigkeit analysiert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die erfolgreiche Anwendung der LKA zur Partikel- oder Blasenerkennung in Flüssigmetallströmungen. Die experimentellen Untersuchungen werden zudem durch entsprechende numerischen Simulationen flankiert. Es zeigen sich gute bis sehr gute Übereinstimmungen zwischen den experimentellen Beobachtungen und den theoretischen Voraussagen. In zwei weiteren Testexperimenten, in denen die Dynamik von aufsteigenden Blasen in einer Hochtemperaturschmelze und unter dem Einfluss eines starken Hintergrundmagnetfelds (bis 1 T) mittels LKA analysiert werden, bestätigen die Leistungsfähigkeit der Messmethode nicht nur unter Laborbedingungen, sondern auch unter rauen industrienahen Produktionsbedingungen.

Die Lorentzkraft-Anemometrie wurde als neuartige Methode für die berührungslosen Geschwindigkeitsmessungen leitfähiger Strömungen entwickelt. Die induzierte Lorentzkraft ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Mit einem Kraftmesssystem kann die Reaktionskraft der induzierten Lorentzkraft, die auf das integrierte Magnetsystem wirkt, gemessen werden. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Eigenschaften der Geschwindigkeitsmessung hängen von den Eigenschaften des Kraftmesssystems ab. Bei Fluiden mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B. Elektrolyten, liegt die erzeugte Lorentzkraft im Bereich von Mikronewton und darunter. Das Kraftmesssystem unterstützt eine Masse eines Magnetsystems von ca. 1 kg. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit ein Kraftmesssystem zu entwickeln, welches auf der einen Seite eine verbesserte Kraftauflösung in horizontaler Richtung für niedrigleitende Elektrolyte aufweist und auf der anderen Seite die Tragfähigkeit der Eigenlast von über 1 kg zur Unterstützung des integrierten Magnetsystems gewährleistet. In vorherigen Arbeiten wurde die Wägezelle nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Wägzelle) in aufgehängter Konfiguration mit dem 1 kg Magnetsystem zur Messung der Lorentzkraft verwendet. Basierend auf verschiedenen Experimenten in dieser vorgestellten Arbeit wird festgestellt, dass aufgrund des mechanischen Aufbaus sowohl Neigungsempfindlichkeit als auch Steifigkeit der EMK-Wägezelle stark von der genutzten Konfiguration und dem Gewicht der unterstützten Eigenlast abhängig sind. Um die durch diese Abhängigkeiten verursachten Einflüsse zu minimieren, wird ein Torsionskraftmesssystem basierend auf dem Prinzip der Torsionswaage entwickelt. Diese ist theoretisch neigungsunempfindlich und behält bei unterschiedlichen Eigenlasten eine konstante Steifigkeit bei. Die Auslenkungsmessungen werden verwendet, um die Ausgangsspannung des Torsionskraftmesssystems sowohl in Positionswerten als auch in Kraftwerten zu kalibrieren. Ein Closed-Loop-Betriebsmodus wird mithilfe eines PID-Reglers aufgebaut, mit dem die Grenzfrequenz von 0,002 Hz auf 0,1 Hz verbessert wird. Ein spezialangefertigter kapazitiver Aktor wird entwickelt, um eine rückführbare elektrostatische Kraft zu erzeugen, die anstelle der elektromagnetischen Kraft verwendet werden kann. Um die elektrostatische Kraft zu kalibrieren, werden drei Methoden genutzt: (a) durch Messung des Kapazitätsgradienten; (b) durch Vergleich mit einer elektromagnetischen Kraft und (c) durch Messung des induzierten Stroms in einem Velocity-Modus. Bei der Datenauswertung wird eine numerische Verarbeitung mit Newton-Polynominterpolation durchgeführt, um die thermischen und seismischen Störungen und Driften während der Messungen zu schätzen und zu korrigieren. Im Vergleich zu vorherigen Arbeiten, wo die Kraftauflösung auf 20 nN und die Eigenlast auf 3 kg begrenzt waren, ist das Torsionskraftmesssystem in der Lage, Kräfte bis zu 2 nN aufzulösen und eine Eigenlast bis zu 10 kg zu tragen. Schließlich wird die sogenannte Halb-Trocken-Kalibrierung am Torsionskraftmesssystem durchgeführt. Die Messempfindlichkeit wird für unterschiedliche Leitfähigkeiten ermittelt. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen, zeigt das Torsionskraftmesssystem das Potential, um Messungen mit weiter geringerer Leitfähigkeit bis hinunter zu 0.0064 S/m durchzuführen.

Fluglotsenarbeitsplätze in den Kontrollzentren der Flugsicherung verfügen über ein zentral angebrachtes Radardisplay. Die laterale Position der Luftfahrzeuge wird auf einer kartenähnlichen Luftlagedarstellung zweidimensional anzeigt. Die Flughöhe wird alphanumerisch auf einem zusätzlichen Beschriftungsfeld eingeblendet. Die Verknüpfung dieser Informationen zu einem fusionierten Verkehrsbild stellt hohe Anforderungen an die Fluglotsen. Es wird angenommen, dass eine integrierte, dreidimensionale Darstellung eine Unterstützung für bestimmte Aufgaben der Flugsicherung bietet. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Eignung stereoskopischer 3D Displays als zentrales Anzeigeelement von Fluglotsenarbeitsplätzen. Basierend auf einer Anforderungsanalyse sowie unter Einbezug relevanter Gestaltungsrichtlinien und -normen wurde ein prototypischer Arbeitsplatz entwickelt. Dieser wurde im Rahmen der Arbeit zur Durchführung zweier Studien verwendet, deren Zielsetzung die vergleichende Untersuchung von 2D- und 3D-Luftlagedarstellungen im Nutzungskontext ist. Im Zuge des ersten Versuchs wurde die Erkennung potentieller Kollisionsgefahren zwischen Luftfahrzeugen als relevante Aufgabe aus dem Spektrum der Flugsicherung herausgegriffen. Das Probandenkollektiv bestand dabei aus Fluglotsen, Piloten und Laien. In Ergänzung des standardisierten Versuchs wurde eine zusätzliche Simulator-Studie im realitätsnahen Umfeld mit aktiven Fluglotsen der Flugsicherung durchgeführt. Der Aufgabenumfang der Anflugkontrolle wurde dabei umfänglich abgebildet. Im Rahmen der Studien konnten bei den stereoskopischen Darstellungen u.a. verlängerte Antwortlatenzzeiten beobachtet werden. Hinsichtlich der Aufgabenerfüllung zeigen die Ergebnisse keine auffälligen Unterschiede zwischen den Anzeigen. Die zudem erhobenen Parameter zur Arbeitsbelastung, Gebrauchstauglichkeit sowie zum Situationsbewusstsein liefern ergänzende Hinweise zu den Eigenschaften stereoskopischer Darstellungen. Die im Zuge der Simulator-Studie mit Fluglotsen durchgeführten Leitfadeninterviews bieten umfangreiche Hinweise zur Gestaltung und Anwendung dreidimensionaler Luftlagedarstellungen im heutigen sowie zukünftigen Nutzungskontext. Die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Mensch-Maschine-Schnittstelle an Fluglotsenarbeitsplätzen.

Die geschaltete Reluktanzmaschine als elektro-magneto-mechanischer Energiewandler gehört zur Gruppe der Synchronmaschinen. Neben dem Verzicht auf Seltenerdmetalle und der Möglichkeit zur kostengünstigen Fertigung ist dieser Maschinentyp besonders robust und kann auch bei Überlast zuverlässig betrieben werden. Insbesondere bei hohen Drehzahlen kann die geschaltete Reluktanzmaschine vorteilhaft zur Anwendung kommen. Dem entgegen stehen eine inhärente Geräuschemission und die Notwendigkeit einer Information über die Lage des beweglichen bezüglich des feststehenden Teils. Vielfältige Forschungsarbeiten versuchen, die bisherige geringe Akzeptanz der geschalteten Reluktanzmaschine zu steigern. Dabei bezieht sich jedoch nur ein verhältnismäßig geringer Teil auf die Ansteuerung bei reduzierter Stromsensorik. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur mehrphasigen Stromregelung geschalteter Reluktanzmaschinen mit nur einem Sensor zur Erfassung der für den Betrieb benötigten Phasenströme. Hierzu wird insbesondere der Überlappungsbereich der Phasen in den Vordergrund gestellt und dessen Bedeutung für den Maschinenbetrieb herausgearbeitet. Zusätzlich werden Definitionen zur Unterscheidung der relevanten Vorgänge für die Darstellung der Problematik eingeführt. Es wird gezeigt, wie sich die Maschine mit verschiedenen leistungselektronischen Topologien bei einer modifizierten Anbindung der Freilaufdioden betreiben lässt. Die dazu notwendigen Verläufe der Steuersignale werden empirisch und parallel dazu über einen genetischen Algorithmus ermittelt. Beide Ansätze führen für den Spezialfall zweier gleichzeitig aktiver Phasen mit jeweils zwei Schaltern im Überlappungsbereich zu einer wechselseitigen Anordnung der Schaltflanken. Hierdurch wird die Funktion des genetischen Optimierungsalgorithmus deduktiv nachgewiesen und die Anwendbarkeit auf allgemeinere Konfigurationen in Aussicht gestellt. Mithilfe eines Demonstrators werden die Einflüsse auf die Strommessung ermittelt und die grundlegende Funktionsfähigkeit der entwickelten Methode in der geschlossenen Kette nachgewiesen.

Der Nanometerkomparator (NMK) ist ein nationales Normal der Bundesrepublik Deutschland zur metrologischen Weitergabe der Längeneinheit gemäß der Definition des Internationalen Einheitensystems. Er wird zur Kalibrierung von Strichmaßstäben, Photomasken und interferometrischen Messsystemen über eine Länge von bis zu 550 mm eingesetzt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Positionierungssystems für dieses Referenzsystem. Das Ziel ist eine Optimierung der Positionserfassung und eine präzisere Positionierung von Längenmaßverkörperungen im stationären und dynamischen Zustand. Bei der Konzeption des NMK wurde bereits auf die Einhaltung wesentlicher Designparadigmen im Präzisionsmaschinenbau geachtet, um minimale Messunsicherheiten zu erzielen. Um die Leistungsfähigkeit in dieser Hinsicht weiter zu erhöhen und somit steigenden Anforderungen zu entsprechen, wurden Antriebs-, Steuerungs- und Wegmesssystem weiterentwickelt und ihre Abstimmung optimiert. Das Fundament bildete die Entwicklung einer Auswerteelektronik für die interferometrischen Messsysteme am NMK, deren Auswerteverfahren an die Betriebsbedingungen am Nanometerkomparator angepasst wurde und ein Auflösungsvermögen im Sub-Pikometerbereich gewährleistete. Das bestehende Antriebssystem wurde durch einen Feintrieb ergänzt, um Störungen des Antriebssystems über eine feldkraftschlüssige Verbindung mit hoher Steifigkeit zu unterdrücken. Zur Bahnsteuerung der Achsbewegungen wurde ein dezentrales Steuerungssystem geschaffen, welches Rückkopplungsdaten von der Auswerteelektronik des im NMK integrierten Vakuum-Interferometers erhielt und mit einer Unterteilung von einem Pikometer verarbeitete. Die Lageregelung für die neu geschaffene Feintriebachse wurde mit einer iterativen Reglersynthese entworfen und führte zu einem zweistufigen Regelungskonzept. Untersuchungen des geschlossenen Regelkreises zeigen auf, dass niederfrequente Störungen in erheblichem Maße unterdrückt werden und die 127 kg schwere Vorschubmechanik mit Frequenzen von bis zu 145 Hz ausgeregelt wird. Anhand experimenteller Untersuchungen wurde ein signifikant verbessertes Positioniervermögen nachgewiesen, wobei Standardabweichungen im stationären und dynamischen Zustand von weniger als 0,3 nm erreichbar sind. Darüber hinaus wurde bei Vergleichsmessungen mit einem Encoder-System nachgewiesen, dass eine Wiederholbarkeit von 0,05 nm und eine Reproduzierbarkeit von 0,28 nm bei Anwendung eines ungetriggerten Aufnahmeverfahrens technisch umsetzbar sind. Es wird zudem gezeigt, dass sowohl die Anpassungen hinsichtlich der Positionserfassung als auch das neue Positionierungssystem zur Erzielung dieser Leistungsfähigkeit beitragen.

In dieser Arbeit wird eine Optimierungsmethodik vorgestellt, welche die Anpassung von Volumen-Transmissionshologrammen an die spektralen Eigenschaften und die Abstrahlcharakteristik von LEDs ermöglicht. Diese Methodik beinhaltet neben einem Designprozess zur Berechnung optimierter Hologramminformationen auch einen Simulationsansatz zur realitätsnahen Visualisierung des rekonstruierten Bildes. Sowohl bei der Berechnung als auch bei der Simulation werden LED-Parameter wie Wellenlänge, Divergenzwinkel und Wellenfrontform berücksichtigt. Die Beschreibung und experimentelle Ermittlung einer LED-spezifischen Wellenfront ist dabei eine besondere Herausforderung und wird in dieser Arbeit entsprechend diskutiert. Zur Überprüfung des Designprozesses und der Simulation werden die berechneten Hologramme in ein Photopolymer belichtet. Der dafür notwendige Belichtungsprozess wird im Rahmen der Arbeit im Labor umgesetzt und die Belichtungsparameter im Design und in der Simulation berücksichtigt. Durch die spezifisch aufeinander abgestimmten Schritte von Design über Belichtung bis zur Simulation entsteht eine ganzheitliche Methodik für die Optimierung und Überprüfung der Hologramme. In sechs experimentellen Testreihen werden nicht optimierte und optimierte Hologramme mit verschiedenen Lichtquellen beleuchtet und die Rekonstruktionen analysiert. Die Ergebnisse belegen die erfolgreiche Kompensation und Visualisierung der oben genannten Effekte durch LED-Beleuchtung bei der Rekonstruktion. Zudem werden Einflüsse auf die Rekonstruktion durch den Belichtungsprozess und das holographische Material aufgezeigt und mögliche Lösungen für eine Weißlicht-Rekonstruktion mit Transmissionshologrammen aufgezeigt.

Gegenstand der Dissertation ist die Neuentwicklung und Validierung von Verfahren zur Aufbereitung von anatomischen Daten, die mittels Magnetresonanztomographie gewonnen wurden. Ziel ist dabei die Erfassung von morphometrischen Kennwerten zur Beschreibung der Struktur und Form des Gehirns, wie beispielsweise Volumen, Fläche, Dicke oder Faltung der Großhirnrinde. Die Kennwerte erlauben sowohl die Erforschung individueller gesunder und pathologischer Entwicklung als auch der evolutionären Anpassung des Gehirns. Die zur Datenanalyse notwendige Vorverarbeitung beinhaltet dabei die Angleichung von Bildeigenschaften und individueller Anatomie. Die fortlaufende Weiterentwicklung der Scanner- und Rechentechnik ermöglicht eine zunehmend genauere Bildgebung, erfordert aber die kontinuierliche Anpassung existierender Verfahren. Die Schwerpunkte dieser Dissertation lagen in der Entwicklung neuer Verfahren zur (i) Klassifikation der Hirngewebe (Segmentierung), (ii) räumlichen Abbildung des individuellen Gehirns auf ein Durchschnittsgehirn (Registrierung), (iii) Bestimmung der Dicke der Großhirnrinde und Rekonstruktion einer repräsentativen Oberfläche und (iv) Qualitätssicherung der Eingangsdaten. Die Segmentierung gleicht die Bildeigenschaften unterschiedlicher Protokolle an, während die Registrierung anatomische Merkmale normalisiert und so den Vergleich verschiedener Gehirne ermöglicht. Die Rekonstruktion von Oberflächen erlaubt wiederum die Gewinnung einer Vielzahl weiterer morphometrischer Maße zur spezifischen Charakterisierung des Gehirns und seiner Entwicklung. Anhand von simulierten und realen Daten wird die Validität der neuen Methoden belegt und mit anderen Ansätzen verglichen. Die Verfahren sind Bestandteil der Computational Anatomy Toolbox (CAT; http://dbm.neuro.uni-jena.de/cat), deren Schwerpunkt die Vorverarbeitung von strukturellen Daten ist und die Teil des Statistical Parametric Mapping (SPM) Softwarepaketes in MATLAB ist.

Die vorliegende Arbeit thematisiert die Neuentwicklung eines Systems und Methode zur objektiven Streulichtmessung im menschlichen Auge. Die Grundlage bildet die Double-Pass Abbildung der Punktantwort (PSF) des optischen Systems, welche mit einem Shack-Hartmann-Sensor aufgenommen wird. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber Streulicht aus dem vorderen Augenabschnitt wurde zunächst ein kommerzielles Wellenfrontaberrometer durch Erweiterung einer funduskonjugierten Blende modifiziert. Zur Charakterisierung der Subaperturabbildungen der PSF wurde ein Algorithmus entwickelt, mit dem Form- und Intensitätsparameter der PSFs berechnet werden können. Neben neu entwickelten Parametern wurden auch Parameter der Literatur adaptiert. Der Funktionsnachweis der subaperturbasierten Streulichtmessmethode mit dem modifizierten Shack-Hartmann-Wellenfrontaberrometer wurde in zwei klinischen Studien erbracht. Zur Erweiterung des durch die Optik des Shack-Hartmann-Sensors limitierten Messbereichs wurde ein neues System entwickelt. Hierzu wurde eine variable Blende in Form eines reflektiven Displays in der Zwischenbildebene des Teleskopsystems eines neu entworfenen Wellenfrontaberrometers implementiert. Mit der Variation des Blendendurchmessers kann die PSF des Auges abgetastet werden. Die PSF wird über den Intensitätsverlauf der entsprechenden Shack-Hartmann Bildsequenz rekonstruiert und durch eine verallgemeinerte Form der Stiles-Holladay-Approximation parametrisiert. Dies erlaubt im Gegensatz zu den subaperturbasierten Streulichtparametern den direkten Vergleich mit Parametern etablierter Streulichtmesssysteme. Ein Funktionsnachweis dieser erweiterten Streulichtmessmethode konnte anhand einer Probandenstudie, bei der eine Streulichtsteigerung emuliert wurde, erbracht werden. Anhand einer weiteren Probandenstudie konnte gezeigt werden, dass die Streu- bzw. Reflexionseigenschaften des Fundus hoch individuell sind, wodurch eine gezielte Messung der Streuung des vorderen Augenabschnitts erschwert wird. Gründe für die unterschiedlichen Fundusreflexionen wurden anhand eines neu entwickelten numerischen Augenmodells in veränderten Absorptions- und Streuparametern des Retinalen Pigment Epithels gefunden. Mit der Entwicklung der erweiterten Streulichtmessung mit variabler Blende wurde eine Möglichkeit zur objektiven Bestimmung der beeinträchtigenden Faktoren auf das Sehen geschaffen. Mit der Nutzung des Shack-Hartmann-Wellenfrontaberrometers ist eine Systemintegration gelungen, mit der es möglich ist, sowohl Brechkraftfehler als auch Trübungen objektiv simultan zu quantifizieren.

In der vorliegenden Arbeit wird ein kombiniertes Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop optimiert, um Ströme und Kräfte in aus einzelnen Atomen und Molekülen bestehenden Kontakten zu untersuchen. Eine wesentliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Mikroskops wird durch Reduzieren der Temperatur und mechanischer als auch elektromagnetischer Störungen erreicht. Zunächst werden Kontakte zu einzelnen C60-Molekülen auf einer supraleitenden Nb(110)-Oberfläche hergestellt, um den stabilen Betrieb des Mikroskops mit einer Energieauflösung zu verifizieren, welche der temperaturbedingten Grenze entspricht. Spektroskopische Messungen während der Bildung dieser Kontakte zeigen eine graduelle Zunahme des differentiellen Leitwerts innerhalb der supraleitenden Energielücke. Die experimentellen Beobachtungen verdeutlichen die Zunahme der Andreev-Reflexionswahrscheinlichkeit mit abnehmendem Abstand zwischen Probe und Spitze. Eine sorgfältige Auswertung der differentiellen und gesamten Leitwerte zeigt feine Unterschiede auf, welche auf die atomare Kontaktgeometrie zurückgeführt werden. Ein Vergleich der Resultate mit einer Erweiterung des Blonder-Tinkham-Klapwijk-Modells legt den Einfluss der Orientierungsabhängigkeit der Transmissionskoeffizienten einzelner C60-Moleküle nahe. Es wird eine neuartige Methode vorgestellt, um die Mindestanzahl von Transportkanälen zu bestimmen. Zusätzlich wird der fehlerfreie Betrieb des Rasterkraftmikroskops durch das Reproduzieren des Kraftverlaufs während der Bildung von C60-C60-Kontakten bestätigt. Der Einfluss der extern angelegten Spannung auf die während der Kontaktbildung herrschende vertikale Kraft wird zum ersten Mal berichtet. Die Berücksichtigung konventioneller Kräfte und starrer Elektroden weist auf das Auftreten bisher unerforschter Phänomene hin. Schließlich wird die Temperaturabhängigkeit der zur Manipulation einzelner Atome benötigten lateralen Kraft quantifiziert. Die Erfassung von Kräften mit einer Auflösung im Piconewton-Bereich hebt die Leistungsfähigkeit des optimierten Mikroskops hervor. Die Unempfindlichkeit der zur Manipulation einzelner Atome benötigten lateralen Kraft von der Zustandsdichte am Fermi-Niveau wird gezeigt, indem das Substrat mittels Variation von Temperatur und magnetischer Feldstärke vom supraleitenden in den nichtsupraleitenden Zustand gebracht wird.

Diese Dissertation untersucht eine neuartige semi-aktive Schwingungsteuerung mit einem seriellen-Steifigkeit-Schalter-System (4S) basierend auf der Speicherung von Schwingungsenergie. Auf Basis der Schwingungsreduktionsanalyse für ein passives und ein semi-aktives Schaltsystem werden Probleme vorhandener Schwingungsteuerungssystemen aufgezeigt und durch das 4S Konzept gelöst. Um seine Leistungsfähigkeit zu untersuchen, wird zunächst 4S im offenen Regelkreis analysiert und die äquivalente Steifigkeit und Eigenfrequenz des Schaltsystems abgeleitet. Es folgt die Analyse für 4S im geschlossenen Regelkreis. Zur Schwingungsreduzierung wird ein Geschwindigkeits-Nulldurchgangs Schaltgesetz verwendet, das auf der Speicherung von Schwingungsenergie basiert. Dies wird unter einer harmonischen Störung numerisch validiert. Anschließend werden Grenzen der Energiespeicherung analysiert. Es folgt eine experimentelle Validierung dieser neuartigen Strategie zur Schwingungssteuerung vorgestellt und ein drehender Prüfstand entwickelt. Der Prüfstand verwendet zwei ringförmig angeordnete Elektromagnetplatten zusammen mit einer Ankerwelle als zwei mechanische Schalter, um die Verbindung oder Trennung von zwei Spiralfedern mit einem Lastträgheitsmoment zu erreichen. Die Speicherung von Schwingungsenergie und die Schwingungsreduktion werden auf diesem Versuchssystem getestet. Neben einer harmonischen Störung wird auch eine Anfangsgeschwindigkeit ungleich Null berücksichtigt. Um in diesem Fall die Schwingungsreduktion zu verbessern, wird ein neues Schaltgesetz vorgeschlagen. Mit Hilfe der Phasenebene wird das transiente und stationäre Ratterverhalten von 4S analysiert. Das Schaltgesetz ermöglicht eine schnelle Umwandlung der anfänglichen kinetischen Energie, die in beiden Federn zu gleichen Teilen gespeichert wird. Dies ist numerisch und experimentell validiert. Zusätzlich wird einer harmonischen Störung an dem neuen Schaltgesetz getestet, das ein besseres Positionierverhalten als das Geschwindigkeits-Nulldurchgangs Schaltgesetz aufweist. Schließlich wird 4S zur Schockisolierung eingesetzt. Die maximale Reduzierung des Überschwingens des Wegs beim Schock und die Reduktion der Restschwingungen nach dem Schock werden numerisch validiert. Darüber hinaus wird auch der Einfluss verschiedener Designparameter von 4S auf das Isolationsverhalten untersucht.

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Eigenschaftsspektrum der Al-Recyclinglegierung 226D (AlSi9Cu3Fe) unter Optimierung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung erweitert. Neben thermodynamischen Simulationen mit JMatPro® und der Vorgehensweise nach DfSS Design-for-Six-Sigma werden Legierungsversuche im Labor- und Industriemaßstab, Makrohärte- und Dichtemessungen, Kerbschlagbiege- und Zugversuche, Bestimmung der Dauerschwellfestigkeit, DSC- und Dilatometermessungen sowie Licht- und Rasterelektronenmikroskopie mit EDX und zudem Röntgendiffraktometrie durchgeführt. Die Kombination aus DfSS und JMatPro® liefert im ersten Schritt eine Einschränkung der Legierung 226D hinsichtlich intermetallischer Phasen und Dehngrenze. Laborversuche zeigen durch 0,1 wt% Mo die Unterdrückung von nadeligen ß-Al5FeSi Phasen und stattdessen die Bildung verrundeter neuartiger AlFeMoMnSi-Phasen. Dies führt zu einer um bis zu 35 % gesteigerten Bruchdehnung. Der Übertrag auf ein Druckguss-Kurbelgehäuse zeigt ebenso eine Kennwertsteigerung. Dabei können Gefügebestandteile sicher mit JMatPro® vorhergesagt werden. Dies wird durch REM und XRD bestätigt. Die reduzierte Auslagerung T5mod 200 zeigt im Vergleich zur Referenz bereits eine signifikant höhere Dehngrenze und teils erhöhte Dauerschwellfestigkeit bis Pü50 = 57 MPa. Diese Steigerungen sind auf veränderte Ausscheidungsspezies und -dichte zurückzuführen. Optimiertes Lösungsglühen findet bei 738 K (465 &ring;C) mit 3 h Haltezeit statt und liefert in Kombination mit reduzierter Auslagerung bei 473 K (200 &ring;C) die höchste Dehngrenze bis 300 MPa. Dies führt auch bei der Kurzzeitwarmfestigkeit zu deutlicher Kennwertsteigerung. Bei 500 h Temperaturbelastung ist allerdings nur bis 453 K (180 &ring;C) ein Vorteil zu erzielen, wohingegen nach 473 K (200 &ring;C) / 500 h alle Varianten auf Rp0,2 [rund] 150 MPa abfallen. Der Spagat zwischen hoher Dehngrenze und geringem irreversiblem thermischem Wachstum zeigt sich insbesondere zwischen Auslagerungstemperaturen sowie ein- bzw. zweistufiger Wärmebehandlung. Durch Optimierung der Zusammensetzung und Wärmebehandlung wird eine deutliche Steigerung der korrelierenden Werte Quality-Index QIDJR und Sicherheitsprodukt Rp0,2 x A erreicht. Außerdem besteht ein tendenzieller Zusammenhang zwischen Sicherheitsprodukt und Kerbschlagarbeit.

In industriellen Produktionsbetrieben halten kollaborative Roboter verstärkt Einzug, um Menschen bei manuellen Tätigkeiten zu unterstützen. Roboter und Menschen arbeiten zeitgleich und miteinander in gemeinsamen Arbeitsräumen. Die Mensch-Roboter-Kollaboration beschreibt die engste und flexibelste Form dieser arbeitsteiligen Zusammenführung und unterliegt strengen Sicherheitsanforderungen. Sie gewährleisten, dass der kollaborative Roboter kein gesundheitliches Risiko für den Menschen darstellt. Die größten Gefahren für den Menschen gehen von einer Kollision mit dem Roboter oder einer Klemmung von Körperteilen durch den Roboter aus. Für beide Gefahren schreibt ISO/TS 15066 vor, dass der Eintritt einer Verletzung durch die Einhaltung von biomechanischen Belastungsgrenzen zu vermeiden ist. Derzeit verzeichnet ISO/TS 15066 ausschließlich Grenzwerte für Situationen, bei denen die Gefahr von einer Klemmung ausgeht. Grenzwerte für Kollisionen fehlen bisher. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke. Sie stellt Ergebnisse aus einer umfangreichen Literaturrecherche vor, die den aktuellen Kenntnisstand zu stoßartigen Belastungen und ihren Verletzungsfolgen aufzeigen. Keine der gesichteten Quellen beinhaltet Belastungswerte, die sich zur Festlegung von Grenzwerten eignen, um Menschen vor Verletzungen durch Kollisionen mit einem Roboter zu schützen. Ausgehend von einer sorgfältigen Analyse zu Hergang und Wirkung eines Stoßes wird im weiteren Verlauf der Arbeit eine Probandenstudie entwickelt, deren Design die spezifischen Anforderungen an die gesuchten Grenzwerte erfüllt. Der Methoden- und Versuchsplan sah vor, die Probanden an bis zu 21 Körperstellen mit einem Stoßpendel zu belasten. Im Zuge der Versuche wurde die Belastungsintensität schrittweise erhöht, bis ein Schmerz oder eine leichte Verletzung auftraten (in Form eines Hämatoms oder einer Schwellung). Die Auswertung der Versuche zum Schmerzeintritt ergab eine Tabelle mit den gesuchten Grenzwerten, die sich dazu eignen, ISO/TS 15066 zu ergänzen. Aus dem Studienteil zum Verletzungseintritt gingen aufgrund eines kleineren Probandenkollektivs allenfalls Orientierungswerte hervor. Trotz ihrer Vorläufigkeit vermitteln sie einen interessanten Einblick auf jene Form einer Kollisionsfolge. Der abschließende Vergleich der hier ermittelten Grenz- und Orientierungswerte mit vergleichbaren Sekundärdaten zeigt, dass die Arbeit den aktuellen Kenntnisstand in der Wissenschaft fortschreibt. Darüber hinaus gehen mit den Ergebnissen zahlreiche und interessante Anknüpfungspunkte für weiterführende Arbeiten einher.

Bei der Herstellung geschweißter Konstruktionen ergeben sich heute aufgrund wirtschaftlicher Gesichtspunkte hohe Anforderungen an die Quantität, ohne dass dabei die Qualität vernachlässigt werden kann. Das Schweißverfahren bestimmt nicht nur die Mikrostruktur des erstarrten Gefüges und somit die mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften, sondern auch die Wirtschaftlichkeit. Bisher werden beim MSG-Schweißen Drahtelektroden mit Durchmessern bis zu 2,4 mm eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich die Vergrößerung des Drahtelektrodendurchmessers auf den MSG-Prozess in seiner Gesamtheit auswirkt. Dafür wurde der Stand der Technik der Hochleistungslichtbogenschweißverfahren beleuchtet und ein Modell aufgestellt. Die experimentellen Versuche erfolgten mit einer vollelektronischen, sekundär getakteten Hochleistungs-Stromquelle und teilten sich in zwei Schwerpunkte. Zum einen zur Schaffung von Grundlagen zur Lichtbogenausbildung sowie zum Prozessverständnis und zum anderen zur Qualifizierung des MSG-Dickdraht-Verfahrens. Dabei stand die Wechselwirkung zwischen Lichtbogen und Schweißnaht im Mittelpunkt. Überprüft wurden mögliche technologische Vorteile. Für die Untersuchung kamen Massivdrahtelektroden (G3Si1) mit unterschiedlichen Durchmessern (dd = 3,2 und 4,0 mm) zum Einsatz. Zur Prozess- und Lichtbogenanalyse wurde auf einem rohrförmigen Probekörper aus niedrig legiertem Stahl sowohl mit CV- als auch CC-Charakteristik geschweißt. Messtechnisch erfasst wurden Stromstärke und Spannung. Synchronisierte Hochgeschwindigkeitsaufnahmen dienten der Betrachtung und Beurteilung von Tropfenentstehung, -ablösung und Lichtbogenausbildung sowie Schmelzbaddynamik. Für die Ermittlung der Schweißverbindungseigenschaften wurden Bleche mit den Dicken von 12, 15 und 20 mm geschweißt. Durch Versuche konnte die optimale Schutzgaszumischung von 30 % Ar Rest CO2 in Bezug auf die Spritzerbildung und das innere sowie äußere Nahtaussehen ermittelt werden. Höhere Anteile an Ar waren nicht zielführend. Die umfassende Prozess- und Lichtbogenanalyse zeigte, dass beim MSG-Schweißen mit "dicken" Drahtelektroden die klassische schweißleistungsabhängige Einteilung der Lichtbogenarten, wie vom MSG-Schweißen mit Drahtdurchmessern bis 1,6 mm bekannt, in Kurz-, Übergangs- und Sprühlichtbogen nicht möglich ist. Ein sehr kurzer Lichtbogen, der unterhalb der Blechoberfläche brennt, erwies sich in allen untersuchten Leistungsbereichen als vorteilhaft, da die Spritzerhäufigkeit mit Steigerung der Lichtbogenlänge zunimmt. Aufgrund der hohen Regelgeschwindigkeit der Schweißmaschine ist ein Schweißen mit solch kurzen Lichtbögen möglich. Bei langen Lichtbögen, die aus der Blechoberfläche heraustreten, wird das Schweißgut aus dem Bereich der Fügezone verdrängt und es kommt zum "Schneid-Effekt". Das Lichtbogenplasma ist dominiert von Metalldampf. Dadurch hat die Schutzgaszusammensetzung keinen wesentlichen Einfluss auf die innere Schweißnahtgeometrie. Vergleichende Schweißversuche zeigten, dass bei Verwendung der CC-Kennlinie sowohl der Prozess stabiler abläuft als auch die Spritzerbildung geringer ist als bei Nutzung der CV-Kennlinie. Bei jeder Tropfenablösung ändert sich die Lichtbogenlänge, die durch die Regelung der Schweißmaschine ausgeglichen wird. Eine Delta U-Regelung verursacht eine Spannungsänderung, die sich auf eine spritzerarme Tropfenablösung positiv auswirkt. Hingegen verursacht die Delta I-Regelung bei einer Lichtbogenlängenänderung Stromschwankungen von bis zu 400 A, was dazu führt, dass die Tropfen unter Entstehung vieler Spritzer regelrecht weggesprengt werden. Für die Schweißverbindungen wurde deshalb mit der CC-Kennlinie gearbeitet. Beim UP-Schweißen wird die Schweißmaschinen-Kennlinie nach dem Drahtdurchmesser gewählt. Eine solche Auswahl kann beim MSG-Dickdraht-Schweißen nicht erfolgen. Die vom UP-Schweißen bekannte Faustformel der Strombelastbarkeit der Drahtelektrode von 200 multipliziert mit dem Drahtdurchmesser (Ergebnis in Ampere) kann für das MSG-Dickdraht-Schweißen angewendet werden. Es ist ein stabiler Prozess mit akzeptabler Schweißnahtqualität beim MSG-Schweißen mit einem Drahtelektrodendurchmesser von 3,2 mm und einer Stromstärke von 640 A möglich. Abschmelzleistungen von über 8 kg/h sind ohne Weiteres erreichbar. Durch Änderung der Streckenenergie infolge der Erhöhung der Stromstärke ist die Einschweißtiefe beeinflussbar. Ein weiterer Einflussfaktor auf die innere Schweißnahtgeometrie ist die Schweißgeschwindigkeit. Eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit führt aufgrund der Senkung der Streckenenergie zur Reduzierung der Einschweißtiefe. Mit dem verwendeten Versuchsaufbau konnte eine maximale Schweißgeschwindigkeit von 120 cm/min realisiert werden. Die obere und untere Grenze für die Schweißgeschwindigkeit ist abhängig von der Schweißleistung. Im Vergleich mit dem UP-Schweißen ist in Bezug auf die Nahtausbildung festzuhalten, dass die Oberflächenschuppung und Formung des Nahtäußeren beim UP-Schweißen wesentlich besser ausfällt. Eine Einstellung der Nahtbreite über die Lichtbogenspannung, wie es beim UP-Schweißen möglich ist, kann bei MSG-Dickdraht-Schweißen aufgrund der sehr kurz einzustellenden Lichtbögen nicht realisiert werden. Die Nahtbreite ist nur geringfügig über die Schweißgeschwindigkeit einstellbar. Es muss erwähnt werden, dass das MSG-Dickdraht-Schweißen im Gegensatz zum UP-Schweißen ein sehr sensibler Prozess ist, bei dem kleinste Prozessinstabilitäten zu Poren und -nestern im Schweißgut führen können. Um die Qualität der Schweißverbindung zu bestimmen, wurden verschiedene zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren eingesetzt. Die Sichtprüfungen sowie die Farbeindringprüfungen ergaben, dass die Schweißnähte hinsichtlich der Oberfläche in Bezug auf Einbrandkerben, Oberflächenporen und Risse bis auf wenige Ausnahmen eine hohe Qualität aufwiesen. Bei der Durchstrahlungsprüfung wurde festgestellt, dass aufgrund einer diskontinuierlichen Drahtförderung und Schweißbewegungen Poren im Nahtinneren entstanden. Porenfreie Schweißnähte können aber bei exakter Drahtförderung und kontinuierlicher Schweißgeschwindigkeit prozesssicher erzeugt werden. Härtespitzen im Bereich der Wärmeeinflusszone an der Schmelzlinie erreichen Maximalwerte von 326 HV10. Darüber hinaus erwies sich die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes als weitaus besser als die des Grundwerkstoffes. Die Zugproben versagten bis auf eine Ausnahme im Grundwerkstoff. Ursache hierfür war ein Porennest am Nahtende, welches durch die oben genannte Prozessinstabilität entstand. Bei Einhaltung aller prozessbedingten Besonderheiten und unter Beachtung der verfahrensspezifischen Randbedingungen können mit dem MSG-Dickdraht-Verfahren anforderungsgerechte Schweißnähte hergestellt werden. Die Untersuchungen ergaben, dass die Lage/Gegenlage-Technik empfehlenswert ist. Schweißungen an 20 mm Blechen konnten mit einer Lage pro Seite und Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 90 cm/min prozesssicher ausgeführt werden.

Eine Steigerung der Effizienz von Wärmeübertragern birgt das Potenzial Energiebedarf, Material, Bauraum und Kosten zu reduzieren. Luftgekühlte Motorkühlungswärmeübertrager wie sie bei Bau- und Landmaschinen eingesetzt werden zeichnen sich durch ein Betriebsumfeld aus, das von Verschmutzungspartikeln wie Staub und Pflanzenmaterial geprägt ist. Sie müssen gegenüber Verunreinigungen resistent und mittels Druckluft zu reinigen sein. Deshalb werden auf ihrer Luftseite tiefengewellte Wellrippen eingesetzt. Die bestehenden Korrelationen zur Beschreibung des Wärmeübergangs und des Druckverlustes in Abhängigkeit der tiefengewellten Rippengeometrie genügen allerdings bisher nicht den Ansprüchen bei einer präzisen Auslegung von Wärmeübertragern. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer neuen Methodik vorgestellt, die die Designfreiheitsgrade des Selektiven Laserschmelzens (SLM) nutzt, um eine experimentelle Analyse des thermohydraulischen Verhaltens von praxisrelevanten Geometrieparametern wie Amplitude, Wellenlänge und Grundform bei tiefengewellten Wellrippen durchzuführen. Der Einfluss dieser Geometrieparameter auf Leistung und Druckverlust wird anhand experimenteller, thermodynamischer Leistungsmessungen analysiert. Im Zuge der Arbeit wird hierfür ein Prüfstand zur Untersuchung SLM-gefertigter Versuchselemente mit Wellrippenstrukturen entwickelt. Mit hoch genauen, reproduzierbaren Messungen werden anhand von und Darcy friction factor Wärmeübertragung und Druckverlust der Wellrippen analysiert. Dabei werden kleinskalierte Versuchselemente gefertigt und hinsichtlich Maßhaltigkeit, Porosität und Oberflächenrauigkeit untersucht. Es wird der Effekt der erhöhten Oberflächenrauigkeiten des SLM experimentell und mit numerischen Simulationen behandelt. Die maßhaltige Realisierung der Geometrieparametervariationen in feinen Schritten bildet eine engmaschige Versuchsmatrix für den relevanten Parameterbereich der Wellenausprägungen verschiedener tiefengewellter Grundformen. Die bei konventioneller Rippenfertigung auftretenden Effekte, wie der des Anstellwinkels sowie der Wellenmodulation werden untersucht. Auf Basis der Messdaten können neue, präzisere empirische Korrelationen entwickelt werden, welche zuverlässig und präzise das Verhalten von tiefengewellten Wellrippen modellieren. Somit kann eine optimale Auslegung von Wärmeübertragern erfolgen.

Mehrstufige Drahtumformprozesse stellen die fertigungstechnische Grundlage für technisch anspruchsvolle Bauteile dar. Bei diesen mehrstufigen Prozessen ist die Ermittlung der resultierenden Eigenspannungen sowohl analytisch als auch numerisch bisher nur bedingt möglich. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Bereitstellung einer Methodik zur Bestimmung der optimalen Parameter beim Drahtumformen. Als erstes wird die zur Beschreibung des Umformvorgangs nötige Werkstoffcharakterisierung durchgeführt. Diese Charakterisierung basiert auf Experimenten, die sowohl den BAUSCHINGER-Effekt als auch Ver- und Entfestigungsmechanismen untersuchen und quantifizieren. Darauf aufbauend folgt der zweite Teilbereich, die analytische Beschreibung des mehrstufigen Umformprozesses. Durch Anwendung dieses deskriptiven Algorithmus werden sowohl die (Eigen-)Spannungen als auch die elastischen und plastischen Verformungen zu jedem Zeitpunkt des Umformvorgangs bestimmt. Als dritter Teilbereich werden verschiedene Optimierungsalgorithmen mit unterschiedlichen Zielsetzungen für den deskriptiven Algorithmus vorgestellt.

Die Kopplung zwischen Fortbewegung und Atmung (Locomotion-Respiration-Coupling LRC) basiert bei Säugetieren nach den gängigen Modellvorstellungen sowohl auf mechanischen als auch neuromuskulären Bindungen zwischen beiden Prozessen. Zur artübergreifenden Analyse dieser Interaktionen fehlt es bisher an einfach anpassbaren, modularen Systemen. Damit fehlt es an belastbaren Messdaten zur Beantwortung der Fragen, wie Fortbewegungszyklen zum Atemfluss beitragen oder wie die Atemmuskelkontraktionen die Fortbewegung beeinflussen. Die meisten der bisherigen artspezifischen Studien konzentrierten sich auf LRC während des Laufens, aber einige analysierten auch andere Aktivitäten wie Radfahren, Fliegen (Vögel) oder Tauchen. In dieser Arbeit wurde basierend auf einem modularen Multisensor-Funksystem eine neuartige Methode entwickelt, die es ermöglicht, die Interaktion zwischen Fortbewegung und Atmung bei Säugetieren zu analysieren. Das entwickelte System besteht aus vier Komponenten für die LRC-Analyse: (1) einer Thoraxbinnendruckmessung basierend auf einem implantierbaren Gerät, (2) ein Volumenstrommodul zur Messung des lokomotorisch getriebenen Luftvolumens (LDV - Locomotor driven air volume) während des Atemzyklus, (3) ein Schrittidentifikationsmodul zur Berechnung des LRC-Verhältnisses (Schritt/Atem) und (4) ein Muskelaktivitätsmodul zur Analyse des Verhaltens des Atemmuskels während der Kopplung. Diese Module sind freizügig kombinierbar. Die drahtlose Kommunikation erlaubt es, Untersuchungen im Freifeld durchzuführen, wobei sich das Tier (oder der Mensch) im Gegensatz zu früheren Studien, in denen sich das Subjekt mit einer konstanten Geschwindigkeit auf einem Laufband bewegt, frei mit einer selbstgewählten Laufgeschwindigkeit bewegen kann. Diese Möglichkeit könnte das Stressniveau von Tieren während der Experimente signifikant reduzieren, die Analyseergebnisse liegen absehbar näher am "natürlichen" Laufverhalten (unrestrained) als jene von Laufbandstudien (restrained). Als experimenteller Test des Systems wurde die Methode am Menschen angewendet. Das Respiratory Flow Module (RFM) wurde basierend auf einer „ergonomischen Maske“ und einem Strömungssensor entwickelt. Das Respiratory Muscles Module (RMM) nutzte vier Oberflächen-Elektromyographie-Sensoren (sEMG) an der Bauch- und Brustmuskulatur. Am Knöchel jedes Beines befanden sich zwei Beschleunigungssensoren, um den Fuß-Boden-Kontakt zu erkennen. Fünfzehn Teilnehmer wurden bei einem Sprint-Lauftest in einem Sportzentrum (50 m x 30 m) der Technischen Universität Ilmenau beobachtet. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigten ein variables LRC-Verhältnis von 2:1, 3:1, 4:1 wie in früheren Studien gezeigt wurde, zeigte jedoch zusätzlich im Falle des LDV die Nutzung der annähernd maximal möglichen Amplitude (Vitalkapazität) auf. Das Experiment belegt, dass die neue Methode zur Untersuchung von Säugetieren verwendet werden kann.

Verdichterräder in Abgasturboladern werden nach Stand der Technik aus der hochwarmfesten Aluminiumknetlegierung EN AW 2618A hergestellt. Bei Motoren mit Niederdruck-Abgasrückführung müssen diese aus Gründen des Verschleiß- und Korrosionsschutzes zusätzlich beschichtet werden. Die verwendeten Nickel-Phosphor-Schichten haben jedoch einen erheblichen Einfluss auf die dynamische Belastbarkeit. Ziel dieser Dissertation ist es daher, zum einen die Belastungen des Verdichterrades in geeigneten Versuchen nachzustellen und zum anderen eine vergleichbare Datenbasis für verschiedene Verdichterradgrundwerkstoffe und -beschichtungen zu erstellen. Die Belastungen des Verdichterrades werden hierbei in Zugschwellversuchen, verschiedenen Korrosionsversuchen, mittels Kavitation und einer thermischen Alterung nachgestellt. Als untersuchte Grundwerkstoffe werden der aktuell verwendete Werkstoff EN AW 2618A und eine alternative Knetlegierung AA 2055 betrachtet. Als mögliche Beschichtungen werden Nickel-Phosphor-Schichten und plasmachemische Aluminiumoxidschichten untersucht. Im Vergleich der beiden Grundwerkstoffe zeigt sich dabei, dass der alternative Werkstoff in Bezug auf die dynamische Belastbarkeit und die Verschleißbeständigkeit dem aktuell verwendeten Werkstoff deutlich überlegen ist. Die Korrosions- und Alterungsbeständigkeit ist jedoch geringer. Bei den beiden Beschichtungsvarianten zeigen sich die Nickel-Phosphor-Schichten in Bezug auf die Verschleiß- und die Korrosionsbeständigkeit als beste Variante. Die Lebensdauer der Schichten ist jedoch verglichen mit den plasmachemischen Aluminiumoxid-schichten geringer. Durch eine geeignete Anpassung der Nickel-Phosphor-Schichten kann die Lebensdauer jedoch auf ein den plasmachemischen Aluminiumoxidschichten deutlich überlegenes Niveau angehoben werden.

Seit dem Aufkommen der ersten digitalen Verarbeitungseinheiten hat die Bedeutung der digitalen Signalverarbeitung stetig zugenommen. Heutzutage findet die meiste Signalverarbeitung im digitalen Bereich statt, was erfordert, dass analoge Signale zuerst abgetastet und digitalisiert werden, bevor relevante Daten daraus extrahiert werden können. Jahrzehntelang hat die herkömmliche äquidistante Abtastung, die durch das Nyquist-Abtasttheorem bestimmt wird, zu diesem Zweck ein nahezu universelles Mittel bereitgestellt. Der kürzlich explosive Anstieg der Anforderungen an die Datenerfassung, -speicherung und -verarbeitung hat jedoch die Fähigkeiten herkömmlicher Erfassungssysteme in vielen Anwendungsbereichen an ihre Grenzen gebracht. Durch eine alternative Sichtweise auf den Signalerfassungsprozess können Ideen aus der sparse Signalverarbeitung und einer ihrer Hauptanwendungsgebiete, Compressed Sensing (CS), dazu beitragen, einige dieser Probleme zu mindern. Basierend auf der Annahme, dass der Informationsgehalt eines Signals oft viel geringer ist als was von der nativen Repräsentation vorgegeben, stellt CS ein alternatives Konzept für die Erfassung und Verarbeitung bereit, das versucht, die Abtastrate unter Beibehaltung des Signalinformationsgehalts zu reduzieren. In dieser Arbeit untersuchen wir einige der Grundlagen des endlichdimensionalen CSFrameworks und seine Verbindung mit Sub-Nyquist Abtastung und Verarbeitung von sparsen analogen Signalen. Obwohl es seit mehr als einem Jahrzehnt ein Schwerpunkt aktiver Forschung ist, gibt es noch erhebliche Lücken beim Verständnis der Auswirkungen von komprimierenden Ansätzen auf die Signalwiedergewinnung und die Verarbeitungsleistung, insbesondere bei rauschbehafteten Umgebungen und in Bezug auf praktische Messaufgaben. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie sich die Anwendung eines komprimierenden Messkerns auf die Signal- und Rauschcharakteristiken auf die Signalrückgewinnungsleistung auswirkt. Wir erforschen auch Methoden, um die aktuelle Signal-Sparsity-Order aus den komprimierten Messungen abzuleiten, ohne auf die Nyquist-Raten-Verarbeitung zurückzugreifen, und zeigen den Vorteil, den sie für den Wiederherstellungsprozess bietet. Nachdem gehen wir zu einer speziellen Anwendung, nämlich der Sub-Nyquist-Abtastung und Verarbeitung von sparsen analogen Multibandsignalen. Innerhalb des Sub-Nyquist-Abtastung untersuchen wir drei verschiedene Multiband-Szenarien, die Multiband-Sensing in der spektralen, Winkel und räumlichen-Domäne einbeziehen.

Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik wenden sich der Realisierung mechanischer dehnbarer Elektroniken zu. Diese sind in der Lage sich umzuwandeln um neue Formfaktoren anzunehmen. Um eine nahtlose Integration der Elektronik in unsere Alltagsgegenstände und viele weitere Anwendungsfelder zu ermöglichen, bei denen herkömmliche starre elektronische Systeme nicht ausreichen, ist mechanische Dehnbarkeit notwendig. Diese Arbeit zielt darauf ab, eine dehnbare Leiterplattentechnologie (sPCB) zu demonstrieren, die mit industriellen Herstellungsprozessen kompatibel ist. Idealerweise soll das starre Trägersubstrat der konventionellen Elektronik durch ein dehnbares Gummisubstrat mit dehnbaren Leiterbahnen ersetzt werden. Zunächst wurde eine Methode entwickelt, um eine industrietaugliche, einlagige, dehnbare Leiterplatte zu realisieren. Der dargestellte Ansatz unterscheidet sich von anderen Methoden in diesem Bereich, welche die Metallisierung auf dem Gummisubstrat aufbringen und die Komponenten anschließend darauf montieren. Dadurch leiden diese unter einer geringeren Ausrichtung und Fixierung. Stattdessen wird im dargestellten Ansatz ein harter Träger verwendet, der den Einsatz des dehnbaren Gummimaterials bis ans Ende der Prozesskette verschiebt. Diese Single-Layer-Methode wurde weiterentwickelt, um mehrschichtige, integrierte sPCB zu realisieren, bei der verschiedene Metallisierungsebenen durch vertikalen Durchkontaktierungen (VIA) miteinander verbunden werden. Auch dieses Verfahren verwendet konventionelle starre Träger für den Herstellungsprozess. Wie in der konventionellen Leiterplattentechnologie ist auch die Herstellung auf starren Trägern wichtig, da sie Folgendes ermöglicht: Ausrichtung und Registrierung, Hochtemperaturprozesse, konventionelle Chip-Bestückung durch Roboter und "On-Hard-Carrier"-Bauteiltests. Darüber hinaus ermöglicht die dargestellte Methode den direkten Einsatz handelsüblicher SMDs, was für die einfache Realisierung komplexer elektronischer Schaltungen wichtig ist. Als Endsubstrat kommt ein hochelastisches Silikonmaterial (EcoFlex) zum Einsatz, welches die Bauelementebenen einkapselt. Um die Bauelementebenen vom harten Träger auf das weiche Substrat zu übertragen, wird ein einstufiges, waferbasiertes und lösungsmittelfreies Ablöseverfahren eingesetzt, bei dem die differentielle Grenzflächenadhäsion einer Multi-Opferschichten genutzt wird. Für die hochelastischen Leiterbahnen wurde ein neues Mäander-Metallbahndesign entwickelt, welches als "spannungsadaptiv" bezeichnet wird. Die neue Mäander-Metallbahn variiert in ihrer Breite, um das einwirkende Drehmoment in den Metallbahnen, aufgrund der ungleichmäßigen Spannungsverteilung über die Mäander-Schleifen, aufzunehmen. Das spannungsadaptive Design zeigt eine signifikante Verbesserung der Spannungsverteilungen auf den Metallbahnen und führt experimentell zu einem höheren Niveau der maximalen Dehnung und der Anzahl der Dehnungszyklen. Es wurde eine breite Palette von dehnbaren Systemen demonstriert, darunter Elektronik, Optoelektronik, Akustoelektronik und Sensor-Arrays. Die Demonstratoren, auf Basis einer einzigen Metallisierungsschicht in einer Gummimatrix, enthalten Arrays mit gehäusten SMDs, LED-Nacktchips, laborgefertigte Si [my]-Transistoren und MEMS-Mikrofone. Weiterhin wird eine integrierte Multilayer-sPCB mit Chip-großen LEDs und Transistoren demonstriert, um eine adressierbare aktive Matrix zu realisieren. Dieser Prototyp demonstriert die Machbarkeit von integrierten Multilayer-sPCB und wird im Prinzip dazu führen, dass jedes heute bekannte elektronische System in ein äquivalentes dehnbares System überführt werden kann. Schließlich stellt diese Arbeit das bahnbrechende Konzept der metamorphen Elektronik vor, welche sich umwandeln kann um neue Topologien und Formfaktoren anzunehmen. Es werden verschiedene Arten von Deformationsmechanismen demonstriert, darunter das Aufblasen von gleichförmigen oder strukturierten Gummimembranen, 3D-geführte Deformationen und Vakuumformung in Kombination mit 3D-Schablonen. Die Palette der Topologien reicht dabei von halbkugelförmig, kugelförmig, konkav/konvex, pyramidenförmig, turmartig, bis hin zu komplexeren 3D-Formen, darunter Bienenaugen-Strukturen.

Das wachsende Interesse an bidirektionaler Satellitenkommunikation im Ka-Band erfordert Antennenentwürfe, welche die in diesem Kommunikationsband weit auseinander liegenden Downlink- und Uplink-Frequenzbereiche berücksichtigen und somit ein dualbandiges Verhalten aufweisen. Während Naturkatastrophen oder anderer desaströser Szenarien erfordert die mobile Krisenkommunikation über einen geostationären Satelliten eine hohe Zuverlässigkeit bei kompaktem Antennendesign. Im Fall einer beschädigten oder überlasteten terrestrischen Kommunikationsinfrastruktur stellen mobile Nutzerterminals mit einer geringen Aufbauhöhe eine wichtige Alternative für die Kommunikation von Rettungseinsatzkräften, Hilfsorganisationen und anderen Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige zweidimensional-periodische Leckwellenantennenstruktur entwickelt, die auf einer zweilagigen frequenzselektiven Oberfläche (FSS) basiert und sowohl für den Empfangs- als auch den Sendefall ausgelegt ist. Die erfolgreich entworfene FSS-Einheitszelle erlaubt zirkulare Polarisation und überlagerte Aperturen für eine dualbandige Funktionalität. Die zweilagige frequenzselektive Oberfläche wird mit einer innovativen Primärquelle angeregt - realisiert durch eine Schlitzstrahlergruppe, die mittels integriertem und verlustarmen Hohlleiternetzwerk bei 20 und 30 GHz gespeist wird. Der Entwurf, Simulationsmodelle und die messtechnische Charakterisierung verschiedener Leckwellenantennenpaneele werden in der vorliegenden Dissertation im Detail diskutiert. Im Verlauf des Promotionsvorhabens wurden auf Basis der entwickelten Antennenpaneele zwei Demonstratoren nachführbarer Satellitenkommunikationsantennen aufgebaut und erfolgreich erprobt. Das verwendete Antennenkonzept erlaubt die Realisierung mit gewissen Freiheitsgraden bezüglich Anzahl und Neigungswinkel der Paneele für den Einsatz bei unterschiedlichen geografischen Breitengraden. Für die Nachführung der Richtcharakteristik wird eine hybride Strategie angewendet. Die Strahlnachführung im Azimut erfolgt mechanisch durch eigens für die Anwendung entwickelte Antennenpositionierer. In der Elevationsebene wird die elektronische Nachführung unter Ausnutzung einer rekonfigurierbaren Richtcharakteristik realisiert.

Die im Rahmen des Projektes "ANIMON" entstandene Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von glasbasierten, hierarchisch porösen Monolithen mit anisotropem Porensystem im Mikro- bzw. Nanometerbereich. Die Formgebung durch Verziehen von Rohrbündeln unter Anwendung des Draw-Down-Prozesses wurde mit dem Herstellungsprozess für nanoporöse Gläser ausgehend von Alkaliborosilicatgläsern kombiniert. Mit diesem zweistufigen Verfahren wurden hierarchisch poröse Multikapillaren erzeugt. Die Größe der anisotrop orientierten Luft- bzw. Kanalporen liegt zwischen 5*10^-6 und 2 mm, die der Nanometerporen zwischen 2 und 300 nm. Die Grundlagenuntersuchungen zum Entmischungsverhalten und zur Viskosität ausgewählter Natriumborosilicatgläser und die Kontrolle der Prozesstechnik waren Voraussetzungen für die Steuerung der Porengrößen. Durch eine gezielte Auswahl der Prozessparameter, angepasst an die Glaszusammensetzung, ließ sich die Größeneinstellung der Nanometerporen vom Formgebungsprozess trennen. In Hinblick auf zukünftige Anwendungen wurden die mechanischen sowie optischen Eigenschaften bestimmt, erste Versuche zur Biokompatibilität durchgeführt und die Oberfläche modifiziert. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde der Ansatz verfolgt, auch die Nanometerporen in der Glaswand zu orientieren. Hierfür war die Ausrichtung der Primärphasen unter Zugbelastung zielführend. Die Quantifizierung der Porenorientierung erfolgte mittels eines eigens entwickelten Bildanalyseverfahrens. Über die im Projekt vorgesehene Umformmethode hinaus wurden generative Fertigungsverfahren zur Herstellung hierarchisch poröser Monolithe mit anisotropen Poren im Mikrometerbereich untersucht. Im Falle des selektiven Lasersinterns mit dem CO2-Laser wurden mechanisch stabile Monolithe erhalten, deren Porengröße von der Formgebung unabhängig kontrollierbar ist. Des Weiteren wurde eine anisotrope Orientierung der Luft- und Kanalporen über die Schwamm-Replika-Technik realisiert. Verziehen und generative Fertigung wurden erfolgreich für entmischbare Gläser optimiert, so dass Glasformkörper mit Nanometerporen in den Wänden, Kanälen mit Durchmessern bis zu Millimetern und einer großen Bandbreite an geometrischen Formen erzeugt werden können. Nach passender Oberflächenfunktionalisierung erlauben sie Anwendungen in der Sensortechnologie, als Mikroreaktoren und für die Katalyse.

In dieser Arbeit wird die Dynamik verschränkter Polymerschmelzen mittels eines neuartigen vielseitigen NMR-Formalismus umfassend untersucht. Der theoretische Hintergrund für seine Anwendung wird vorgestellt und ausführlich diskutiert. Es wird gezeigt, dass das Regime der langsamen anomalen segmentalen Diffusion, die den verschränkten Polymerschmelzen in einem breiten Zeitraum innewohnt, durch Analyse der Beiträge der intermolekularen dipolaren Wechselwirkungen zu speziellen Varianten von Aufbaufunktionen untersucht werden kann. Einer von ihnen kombiniert die Signale von drei Doppelpuls-Spin-Echo-NMR-Impulsfolgen und wird als Solid-echo Build-up Funktion bezeichnet. Der andere korreliert die Hahn-Echosignale, die zu verschiedenen Zeitpunkten erhalten werden, und wird als Dipolar-correlation Build-up Funktion eingeführt. Beide spiegeln im Wesentlichen die Eigenschaften dipolarer Wechselwirkungen zwischen Spins in einem System wider. Diese Wechselwirkung ist wiederum empfindlich gegenüber der lokalen segmentalen Translation und Reorientierung, was eine Möglichkeit bietet, diese Bewegungen zu untersuchen. Die beiden vorgestellten Methoden werden sowohl auf den konventionellen Niederfeld-NMR-Spektrometern als auch auf der im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Hochtemperatureinheit eingesetzt. Unter Verwendung dieser Ausrüstung wird der vorgeschlagene Ansatz auf die Untersuchung von Polybutadien, Poly(ethylen-alt-propylen) und Polyethylenoxidschmelzen angewendet. Die gefundene Zeitabhängigkeit der Segmentverschiebungen stimmt mit den Resultaten konventioneller Techniken bei kurzen Zeiten gut überein. Darüberhinaus sind die neuen Methoden geeignet, den untersuchten Dynamikbereich sowohl in der Zeit- als auch in der Verschiebungsdomäne signifikant zu erweitern und damit Informationen zu liefern, die für andere experimentelle Methoden kaum zugänglich sind. Daher wird der vorgestellte Ansatz als ein neues leistungsfähiges Werkzeug auf dem Gebiet der Polymerphysik angesehen. Die breite Palette von Informationen, die durch den Dipolar-correlation und den Solid-echo Formalismus geliefert werden, erlaubt einen umfassenden experimentellen Test der Gültigkeit des Tube-Reptation-Modells, das die am häufigsten verwendete und wohletablierte theoretische Beschreibung der verschränkten Polymerschmelzen ist. Die Zeitabhängigkeit der Segmentverschiebung, die in Poly(ethylen-alt-propylen) erhalten wurde, stimmt gut mit den entsprechenden Vorhersagen des Modells überein. Es werden drei verschiedene Potenzgesetze beobachtet, die im Rahmen des Tube-Reptationsmodells dem Rouse-, den inkohärenten und den kohärenten Reptationsregimen zugeschrieben werden. Wichtig ist, dass der Übergang von der inkohärenten zur kohärenten Reptation bei dieser Polymerspezies mit einem so hohen Molekulargewicht zum ersten Mal experimentell beschrieben wird. Auf der anderen Seite zeigen Segmentverschiebungen, die in den Polyethylenoxidschmelzen mit unterschiedlichen Molekulargewichten erhalten werden, keine Merkmale der extrem langsamen t^0.25 Dynamik, die für die inkohärente Reptation vorhergesagt wurde. Dieses Ergebnis ist konsistent und wird durch andere NMR-Techniken bei kürzeren und längeren Zeiten bestätigt. Dieser Befund stellt die universelle Anwendbarkeit des Konzepts der Röhre für alle weiteren Polymerspezies in Frage. Darüber hinaus zeigt die Abschätzung der relativen Beiträge der intra- und intermolekularen dipolaren Wechselwirkungen zur transversalen Relaxation ein ähnliches Verhalten für alle untersuchten Polymerschmelzen. Interessanterweise steht dieses Verhalten im Widerspruch zur Vorhersage des Tube-Repation-Modells und zeigt keine Merkmale, die für die hoch anisotrope Bewegung innerhalb der fiktiven Röhre erwartet werden. Die Übereinstimmung dieses Ergebnisses in allen Proben lässt eine noch allgemeinere Frage nach der Gültigkeit des gesamten Konzeptes des Tube-Reptationsmodells aufkommen.

Der gesetzlich zulässige Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren erfordert die Entwicklung neuer Ansteuerstrategien von Kraftstoffeinspritzventilen. Die vorliegende Arbeit untersucht das einspritzrelevante System aus Elektronik, Software, Einspritzventil sowie Hydraulik und entwickelt neue elektromagnetische Methoden zur Optimierung des hydraulischen Einspritzvorgangs. Insbesondere die dynamischen Vorgänge des hydraulischen Öffnens und des hydraulischen Schließens bilden den Schwerpunkt der Untersuchungen. Auf Basis der Maxwellschen Gleichungen wird dargestellt, dass das dynamische Verhalten des Einspritzventils vor allem durch die Reluktanzkraft erfolgt. Es wird gezeigt, dass die elektromagnetischen Ansteuerparameter Spulenspannung und Spulenstrom bei einem Einspritzventil einen signifikanten Einfluss auf den hydraulischen Einspritzvorgang haben. Die Eigenschaft, dass die mechanisch-hydraulische Reaktion magneto-elektrisch auf die Ansteuerung zurückwirkt, wird genutzt, um den Einspritzablauf zu analysieren. Durch die Parametervariation der Ansteuerung und der Analyse der sensorischen Rückmeldung wird ein robustes hydraulisches Öffnen, ein sicheres hydraulisches Offenhalten und ein schnelles hydraulisches Schließen mit der dafür benötigten elektrischen Energie abgestimmt und optimiert. Mit speziellen Verfahren wird der magnetische Fluss des Einspritzventils berechnet. Diese zeigen eine im Kraftfahrzeugbereich neue Möglichkeit der effizienten Abstimmung des elektrischen Energieeintrags sowie der hydraulischen Reaktion und bieten einen Ausblick in zukünftige Regelkonzepte. Diese Arbeit lehnt sich streng an die Umgebungsbedingungen in einem heutigen elektrischen Bordnetz an. Damit ist die Möglichkeit gegeben, die Ergebnisse technisch in Serienapplikationen umzusetzen.