Untersuchungen zur Ladungsträgerlebensdauer in kristallinem Silizium für Solarzellen. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: VII, 122 S., 4,69 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Parallel als Druckausg. erschienen
Die Lebensdauer von Lichtgenerierten Ladungsträgern in Silizium ist ein wichtiges Qualitätskriterium des Siliziums. Sie hat einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad einer kristallinen Silizium-Solarzelle. In der vorliegenden Arbeit werden die Einflussfaktoren auf die Ladungsträgerlebensdauer in kristallinem Silizium, das zur Herstellung von Solarzellen verwendet wird, und die Messmethodik zur Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer eingehend untersucht. Insbesondere das Mikrowellendetektierte Photoleitfähigkeitsabklingen (MWPCD) wird detailliert analysiert und mit quasi-stationären Photoleitfähigkeits (QSSPC)-Lebensdauermessungen verglichen. Es wird ein neues, zeitaufgelöstes Auswerteverfahren des MWPCD Signals entwickelt und zur Charakterisierung von Silizium angewendet. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird der interstitielle Eisengehalt ortsaufgelöst bestimmt und der Einfluss von Minoritätsladungsträgerhaftstellen untersucht.Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung und Charakterisierung des Siliziums, das zur Herstellung von Solarzellen verwendet wird. Es wird die Wirkung einer Eisenverunreinigung in Silizium auf die Solarzellparameter mittels Simulationsrechnungen veranschaulicht. Die Blockhöhenabhängigkeit der Siliziumqualität in multikristallinem Silizium wird empirisch analysiert und mit dem Wirkungsgrad der Solarzellen korreliert. In stark verunreinigtem nach dem Czochralski-Verfahren gezogenem Silizium wird der Einfluss des industriellen Solarzellprozesses auf die Siliziumqualität untersucht.
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In situ Raman spectroscopy study of oxidation of nanostructured carbons. - Philadelphia, Pa : Drexel University, 2009. - 1 Online-Ressource (xxii, 283 Blätter)
Drexel University, Ph. D. 2009
Includes abstract and vita
The ability to synthesize carbon nanostructures, such as fullerenes, carbon nanotubes, nanodiamond, and mesoporous carbon; functionalize their surface; or assemble them into three-dimensional networks has opened new avenues for material design. Carbon nanostructures possess tunable optical, electrical or mechanical properties, making them ideal candidates for numerous applications ranging from composite structures and chemical sensors to electronic devices and medical implants.Unfortunately, current synthesis techniques typically lead to a mixture of different types of carbon rather than a particular nanostructure with defined size and properties. In order to fully exploit the great potential of carbon nanostructures, one needs to provide purification procedures that allow a selective separation of carbon nanostructures, and methods which enable a control of size and surface functionalization. Oxidation is a frequently used method for purification of carbon materials, but it can also damage or destroy the sample.In situ Raman spectroscopy during heating in a controlled environment allows a time-resolved investigation of the oxidation kinetics and can identify the changes in material structure and composition, thus helping to accurately determine optimal purification conditions. However, while carbon allotropes such as graphite and diamond show unique Raman signals and allow a fast and straightforward identification, the interpretation of Raman spectra recorded from nanostructures containing mixtures of sp, sp2 and sp3 bonded carbon is more complex and the origin of some peaks in Raman spectra of nanocarbons is not yet fully understood.In this study we applied in situ Raman spectroscopy to determine conditions for selective oxidation of carbon nanostructures, such as nanodiamond, nanotubes, carbidederived carbon and carbon onions; accurately measure and control the crystal size; and improve the fundamental understanding of effects of temperature, quantum confinement and surface chemistry on Raman spectra of nanocrystalline materials. Thermogravimetric analysis, X-ray diffraction and high-resolution transmission electron microscopy were used to complement Raman spectroscopy in order to facilitate the analysis and the interpretation of the results.This work has improved our understanding of oxidation of carbon materials, especially selectivity of the oxidation process to different carbon structures in a broad temperature range. The results of this study have been used to develop simple and environmentally friendly procedures for purification and surface functionalization of carbon nanoparticles and nanoporous materials.
http://hdl.handle.net/1860/2972
Time series analysis and modeling of the statistical properties of heart beat dynamics during atrial fibrillation, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 148 S., 2162 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Parallel als Druckausg. erschienen
Die vorliegende Arbeit diskutiert die Frage, ob und inwieweit es möglich ist, die Rate des Vorhofflimmerns allein auf Basis der statistischen Eigenschaften ventrikulärer Interbeatintervalle zu bestimmen. Sie konzentriert sich zunächst auf die statistische Analyse von EKG-Signalen im Allgemeinen und ventrikulären Tachogrammen im Besondern. Dabei wird ein neues Verfahren - die statistische Analyse so genannter Morphogramme - vorgestellt, mit dessen Hilfe sich die gesamte in einem EKG enthaltene Information, ohne aufwendige Mustererkennungsverfahren auswerten lässt. Es wird gezeigt, dass dieses Verfahren geeignet ist verschiedene Gesundheitszustände zu identifizieren. Anschließend konzentriert sich die Arbeit auf die statistische Analyse von ventrikulären Interbeatintervallen die in Gegenwart von Vorhofflimmern beobachtet werden. Dabei wird eine neue, bisher nicht beschriebene charakteristische, statistische Eigenschaft dieser Intervalle - ein exponentieller Abfall der Verteilungsfunktion im Bereich langer Intervalle - präsentiert. Im Weiteren wird gezeigt, dass verschiedene charakteristische Eigenschaften dieser Intervalle nicht unabhängig voneinander beobachtet werden, sondern zueinander in Beziehung stehen. Im Folgenden konzentriert sich die Arbeit auf die mathematische Beschreibung der physikalischen Prozesse bei der Überleitung atrialer Impulse über den AV-Knoten. Im Besonderen konzentriert sie sich dabei auf das Überleitungsmodell von Jorgensen et al.. Es wird gezeigt, dass sich dieses Modell vollständig analytisch beschreiben lässt. Auf Basis der allgemeinen Diskussion dieses Modells und den, unter gegebenen Randbedingungen abgeleiteten speziellen Lösungen des Überleitungsmodells, werden zwei Verfahren zur Bestimmung der Vorhofflimmerrate präsentiert. Auf Basis klinischen Daten werden beide Verfahren validiert und hinsichtlich ihrer Performance diskutiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine Bestimmung der Vorhofflimmerrate allein auf Basis der statistischen Eigenschaften der ventrikulären Interbeatintervalle möglich ist.
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Edge colourings of multigraphs, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 112 S., 2666 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Das Kantenfärbungsproblem besteht darin, den chromatischen Index eines (Multi-)Graphen G zu ermitteln, d.h. die minimale Anzahl an Farben, mit denen man die Kanten von G so färben kann, dass keine zwei benachbarten Kanten die gleiche Farbe erhalten. Kantenfärbungsprobleme treten in verschiedenen Scheduling-Anwendungen auf, typischerweise in Verbindung mit Task-Processing oder Netzwerk-Kommunikation. Da das Kantenfärbungsproblem NP-schwer ist, sind gute Approximationsalgorithmen gefordert. In dieser Dissertation werden verschiedene Färbungstechniken erweitert und neue Färbungsalgorithmen entworfen. Ausgehend von einem klassischen Resultat von Vizing, wird ein neuer Graphenparameter - die Fächerzahl - vorgestellt. Dies führt zu einem Färbungsalgorithmus, der durch eine spezielle Kantensortierung Vizings Fächer in bestmöglicher Weise nutzen kann. Eines der größten bisher ungelösten Probleme auf dem Gebiet der Kantenfärbungen ist Goldbergs Vermutung. Goldberg (und unabhängig davon auch Andersen und Seymour) vermutete eine obere Schranke für den chromatischen Index chi', die vom Maximalgrad Delta und einer maximalen Dichte w abhängt, und zwar chi'<=max{Delta+1,w}. Da Delta und w beides untere Schranken für chi' sind, hat Goldbergs Schranke somit eine absolute Abweichung von höchstens 1 vom Optimum. In dieser Dissertation werden einige neue obere Schranken für chi' entwickelt, die die Lücke zwischen den bereits bekannten Schranken und Goldbergs vermuteter Schranke verkleinert. Die beiden wichtigsten neuen Schranken sind max{Delta+1+(Delta-2)/14,w} und max{Delta+sqrt((Delta-1)/2),w}. Die Laufzeiten der zugehörigen Färbungsalgorithmen sind polynomiell beschränkt bzgl. der Eckenzahl und der Kantenzahl des zu färbenden Graphen. Da aber ein Graph einfach durch Angabe der Ecken und Kantenvielfachheiten beschrieben werden kann, sind die genannten Algorithmen somit keine echten Polynomialzeitalgorithmen. Im letzten Kapitel der Dissertation wird allerdings gezeigt, wie sich durch alternative Datenstrukturen und ein ivide-and-Conquer-Verfahren diese Algorithmen auch als Polynomialzeitalgorithmen implementieren lassen.
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Output feedback control and robustness in the gap metric. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 254 S., 1,82 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Parallel als Druckausg. erschienen
Die vorgelegte Arbeit behandelt den Entwurf und die Robustheit von drei verschiedenen Regelstrategien für lineare Differentialgleichungssysteme mit mehrdimensionalen Ein- und Ausgangssignalen (MIMO): Stabilisierung durch Ausgangs-Ableitungs-Rückführung, Lambda-tracking und Funnel-Regelung. Damit diese Regler bei der Anwendung auf ein lineares System die gewünschten Stabilisierung/Regelung erbringen, ist eine explizite Kenntnis der Systemmatrizen nicht notwendig. Es müssen nur strukturelle Eigenschaften des Systems bekannt sein: der Relativgrad, dass das System minimalphasig ist, und dass die sogenannte "high-frequency gain" Matrix positiv definit ist. Diese stukturellen Eigenschaften werden für MIMO-Systeme in den ersten Kapiteln der Arbeit ausführlich behandelt. Für MIMO-Systeme mit nicht striktem Relativgrad wird eine Normalform hergeleitet, die die gleichen Eigenschaften wie die bekannte Normalform für SISO-Systeme oder MIMO-Systeme mit striktem Relativgrad aufweist. Die Normalform sowie Minimalphasigkeit und Positivität der "high-frequency gain" Matrix bilden die Grundlage dafür, dass die oben genannten Regelstrategien Systeme mit diesen Eigenschaften im jeweiligen Sinn stabilisieren. Robustheit bzw. robuste Stabilisierung beschreibt folgendes Prinzip: falls ein geschlossener Kreis aus einem linearen System und einem Regler in gewissem Sinne stabil ist und die Gap-Metrik (der Abstand) zwischen dem im geschlossenen Kreis betrachteten System und einem anderen "neuen" System hinreichend klein ist, so ist der geschlossene Kreis aus dem "neuen" System und dem gleichen Regler wieder stabil. Die gleiche Aussage stimmt auch für den Fall, dass man den Regler und nicht das System austauscht. Für Ausgangs-Ableitungs-Rückführung wird gezeigt, dass, falls diese ein System stabilisiert, die auftretenden Ableitungen des Ausgangs durch Euler-Approximationen der Ableitungen ersetzt werden können, falls diese hinreichend genau sind. Für Lambda-tracking und Funnel-Regelung wird gezeigt, dass beide Regler auch für die Stabilisierung linearer Systeme verwendet werden können, die einen geringen Abstand zu einem System haben, dass die o.g. Voraussetzungen erfüllt, selbst diese Voraussetzungen aber nicht erfüllen.
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Distributional differential algebraic equations. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 189 S., 1,15 MB) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Lineare implizite Differentialgleichungen der Form Ex'=Ax+f werden untersucht. Da die Matrix E nicht als invertierbar angenommen wird, enthält das Gleichungssystem neben den Differentialgleichungen auch algebraische Gleichungen. Deshalb werden diese Gleichungen differential-algebraische Gleichungen (differential algebraic equations, DAEs) genannt. Ein wesentliches Ziel der Dissertation ist es, Distributionen (oder verallgemeinerte Funktionen) als Lösungen zuzulassen und gleichzeitig soll es möglich sein, zeitvariante DAEs zu untersuchen, deren Koeffizientenmatrizen Sprünge haben können. Dazu wird zunächst ein geeigneter Lösungsraum hergeleitet. Insbesondere ist es mit diesem Lösungsraum möglich, die wichtige Klasse der geschalteten DAEs (switched DAEs) zu untersuchen. Als Lösungsraum wird der Raum der stückweise glatten Distributionen (piecewise-smooth distributions) eingeführt. Für diesen Raum ist es möglich, eine Multiplikation zu definieren, so dass auch DAEs betrachtet werden können, deren Koeffizienten ebenfalls distributionelle Einträge haben. Eine distributionelle DAE ist eine Gleichung der Form Ex'=Ax+f, bei der die Matrizen E und A stückweise glatte Distributionen als Einträge enthalten und die Lösungen x sowie die Inhomogenitäten f ebenfalls stückweise glatte Distributionen sind. Für distributionelle DAEs wird die Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen untersucht, dazu wird das Konzept der Regularität für distributionelle DAEs eingeführt. Es werden notwendige und hinreichende Bedingungen für die Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen hergeleitet. Als Spezialfälle werden die beiden Gleichungen x'=Ax+f (so genannte distributionelle ODEs) und Nx'=x+f (so genannte reine distributionelle DAEs) untersucht, für die explizite Lösungsformeln angegeben werden können. Geschaltete DAEs sind distributionelle DAEs mit stückweise konstanten Koeffizientenmatrizen. Es werden hinreichende Bedingung hergeleitet, die sicherstellen, dass die Lösungen von geschalteten DAEs keine Impulse enthalten. Weiterhin wird untersucht, unter welchen Bedingungen das beliebige Schalten zwischen stabilen Teilsystemen zu einem stabilen Gesamtsystem führt. Schließlich werden Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit für distributionelle DAEs untersucht. Hierbei wird berücksichtigt, dass das Eingangssignal Impulse enthalten kann und damit theoretisch eine "instantane" Steuerung möglich ist. Für eine DAE der Form N'=x+bu, y=cx, mit Konstanten, nilpotenten N sowie konstanten Vektoren b und c wird eine Normalform angegeben, die eine einfache Charakterisierung der Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit ermöglicht.
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Chemochips : development and application of analytical micro spot arrays, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 113 Bl., 194, 58 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Parallel als Druckausg. erschienen
Die im Vergleich zu DNA-Chips weniger entwickelte Proteinchiptechnologie zeigt das Problem einer nicht vorhandenen universellen Erkennungsfunktion oder Strategie für universell einsetzbare Chips für die Vielzahl von Proteinproben. Der Grund dafür ist die chemische Komplexität, die Proteine als Translationsprodukt eines Basisgens (DNA) tragen. Es existiert hierbei der grundsätzliche Widerspruch zwischen einer chemischen Spezifität der Erkennung und einer universellen Einsatzmöglichkeit solch einer Mikroarray-basierten Erkennung, die mit der höheren chemischen Komplexität umgehen muß. Die Kernfrage ist dabei, können unterschiedliche Analyse- und Auslesemethoden in einer Plattform kombiniert werden, indem eine Integration spezifischer und weniger spezifischer analytischer Erkennungsmethoden erfolgt. Die Adressierung des Problems zur universellen Anwendung von Chips für die spezifische Analyterkennung erfolgte bei dieser Integration. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Integration verschiedenster Charakterisierungs- und Auslesemethoden zu einer Chiptechnologie für die chemische Erkennung von Flüssigkeiten. Um multifunktionale Chemochips zu entwickeln, wurden moderne Analysen- und Auslesetechniken wie berührungsfreies Mikrospotting, digitale Fluoreszenzaufnahmen und AFM-Techniken verwendet. Die Mikrospot-Technik wurde zur Erzeugung vom Mikroarrays, die reine Indikatoren und Indikatormischungen als Funktionselement enthielten, sowie zur örtlich begrenzten chemischen Matrixmodifikation genutzt. Ein Fluoreszenz-Imagingverfahren mittels schneller CCD-Kamera ermöglichte die Echtzeitaufnahme einer Bildserie der Analyt-Indikator-Wechselwirkung bei mehreren Anregungs- und Emissionswellenlängen. Für eine bessere Analytklassifikation wurde eine multivariate Datenanalyse auf den erhaltenen Datenpool, der sich aus Fluoreszenzintensitätsänderungen der Spots mittels Bildanalyse ergab, angewandt. Neben diesen etablierten Auswertemethoden kam eine speziell entwickelte hochauflösende Nanopositionier- und Nanomeßmaschine mit eingebautem AFM-Modus (SPM-NPMM) zum Einsatz, um die Mikrospotarrays auf einer Strecke von einigen Millimetern mit der Auflösung und der Präzision eines AFMs zu untersuchen.Die SPM-NPMM besitzt einen großen dynamischen Meßbereich von 25 × 25 × 5 mm3 mit einer lateralen Auflösung von 0.1 nm. Messungen mit der SPM-NPMM zeigten, daß die Verdampfung des Lösemittels nach dem Spotting zu der Ausbildung eines konzentrischen Doppelkranzes innerhalb der Mikrospots führt. Dieses charakteristische Doppelkranz-Merkmal der Mikrospots konnte nur bei Verwendung binärer Lösemittelmischungen mit unterschiedlichen Polaritäten der Komponenten, wie bei Wasser und DMF, gefunden werden. Die Ursache dafür ist der unterschiedliche Transport des gelösten Materials in zwei verschiedenen Lösemitteln während der Ausbildung der Spots.Hochaufgelöste SPM-NPMM-Messungen zeigten, daß die inhomogene Verteilung von Farbstoff-Nanokristallen, deren Höhe 2 5 nm betrug, auf den inneren Kranz eines Doppelkranz-Spots begrenzt war. Ursächlich ist die verminderte Löslichkeit des Farbstoffes in DMF.Die qualitative und quantitative Differenzierung von binären Lösemittelmischungen wurde durch die Verwendungen eines einlagigen Chemochips mit pH- und polaritätsempfindlichen Farbstoffen möglich. Mittels Mikroarray-Muster konnten die Analyten mit einem vergleichbaren Alkoholgehalt von 5 Vol.-%, wie in einer Wasser-Ethanol-Mischung, verschiedenen Bieren oder anderen alkoholischen Getränken, qualitativ von einander unterschieden werden. Die Variation im Muster der Fluoreszenzspots agierte als Fingerprint komplex zusammengesetzter Flüssigkeiten wie Mischungen und Getränke. Die multivariate Datenanalyse des erhaltenen Datenpools aus den Chemochip-Experimenten ermöglichte die Unterscheidung bestimmter Klassen binärer Gemische. Ebenso lassen sich einige andere Mikroarray-Komponenten,wie Spots binärer Farbstoffgemische, auf ihr Antwortverhalten bezüglich einer Vielzahl von flüssigen Analyten durch Verwendung der PCA-Analyse klassifizieren. Analytische Doppellagen-Chemochips wurden durch die Aufteilung der Funktionen Differenzierung in der oberen Schicht und Indikation in der unteren Schicht desselben Chips hergestellt. Die Realisierung erfolgte durch Stapelung von Hydrogel-Polymerlagen mit Matrixmodifizierern durch Einsatz der Lösemittel-Guß-Methode. Die mobilitätsabhängige Differenzierung der oberen Schicht wurde durch physikalische Umwandlung der Polymermatrix durch quervernetzende Stoffe erreicht. Die Indikatorfunktion der unteren Schicht konnte durch eingelagerte fluoreszierende Farbstoffe realisiert werden. Es war damit möglich, verschiedene Analyten durch die Diffusionszeit während des Durchtritts durch die Differenzierungsschicht mittels Echtzeitaufnahme von Bildserien und deren Auswertung zu unterscheiden. Die Moleküle der Analyten zeigten Variationen in den Übertrittszeiten ihres Transports durch die obere Schicht in Abhängigkeit des Vernetzungsgrades der Polymermatrix. Dieser Transport von Einzel- und Mischungsanalyten durch die Differenzierungsschicht konnte auch detektiert werden, wenn das Fluoreszenzschema der Singlelayer-Chips verwendet wurde. Der Doppellagen-Chemochip zeigte auch das Analyt-Separationssignal für eine Mischung zweier verschiedener Analytmoleküle währender derer Diffusion durch die Differenzierungsschicht. Dieses Verhalten kann den bevorzugten Wechselwirkungen zwischen Analyt und der modifizierten Polymerumgebung als Transportmedium zugeordnet werden.Die offene Problemstellung von Spezifität gegenüber Universalität, belegt durch weniger entwickelte Biochips wie den Proteinchips, wurde in der vorgelegten Arbeit durch Verwendung verschiedenen Typen von Chemochips adressiert. Es konnte gezeigt werden, daß mittels Einzel- und Doppellagenchips mit fluoreszierenden Mikroarrays verschiedene bevorzugte und allgemeine Charakterisierungen möglich sind.
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Polymere Solarzellen : Morphologie-Eigenschafts-Korrelation, 2008. - Online-Ressource (PDF-Datei: 165 S., 7891 KB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2008
Zielstellung dieser Dissertation ist es, Fragen der Morphologieausbildung und der gezielten Morphologiesteuerung der aktiven Schichten von polymeren "Bulk-Heterojunction"-Solarzellen zu klären. Die hieraus neu gewonnenen Erkenntnisse werden unter Einbeziehung von aus der Literatur bekannten morphologischen Sachverhalten verwendet, um die bisherigen Vorstellungen vom strukturellen Aufbau der aktiven Solarzellenschicht weiter zu entwickeln und in einem Morphologie-Modell darzustellen. Die eigenen experimentellen Untersuchungen zur Schichtmorphologie wurden mit den Methoden Röntgendiffraktometrie, spektroskopische Ellipsometrie, Photolumineszenzspektroskopie sowie teilweise der Lichtmikroskopie und der differentiellen Kalorimetrie anhand von drei ausgewählten Materialsystemen P3HT/PCBM-C60, P3HT/MDHE-C60 und P3HT/(MDHE)2-C60 durchgeführt und zusammen mit in der Literatur untersuchten anderen Materialsystemen diskutiert. Das Morphologie-Modell wird in Beziehung zu den elektrischen Eigenschaften Füllfaktor, Kurzschlussstrom und Wirkungsgrad von polymeren Solarzellen diskutiert. Die hieraus resultierende Morphologie-Eigenschafts-Korrelation erläutert die bestehenden Zusammenhänge zwischen den physikalischen Eigenschaften der aktiven Solarzellenschicht, wie Lichtabsorption, Ladungsträgergeneration und -transport, mit dem morphologischen Aufbau der Solarzellenschicht und leistet somit einen Beitrag zur Erklärung und Analyse der elektrischen Eigenschaften der polymeren Solarzelle als Bauelement. Die elektrischen Eigenschaften werden anhand von Messungen der Strom-Spannungs-Charakteristik sowie der externen Quanteneffizienz bestimmt.Abschließend werden zunächst die drei untersuchten Materialsysteme verglichen und Aussagen bezüglich ihrer Eignung für polymere Solarzellen getroffen. Des Weiteren wird die Morphologie-Eigenschafts-Korrelation auch genutzt, um eine Strategie zu entwickeln, mit der eine Einschätzung der Eignung von neuartigen 2-Komponenten-Systemen auf der Basis von polymeren Donator- und Fulleren-Akzeptormaterialien für polymere Solarzellen erfolgen kann. Eine Bewertung des möglichen Optimierungspotentials der neuen Materialien wird hierdurch möglich, um letztendlich polymere Solarzellen mit einem gesteigerten Wirkungsgrad herstellen zu können.
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Optische und elektronische Eigenschaften von AlGaN/GaN-Heterostrukturen, 2008. - Online-Ressource (PDF-Datei: 151 S., 4,36 KB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2008
Die vorliegende Arbeit behandelt die elektronischen Materialeigenschaften von AlGaN/GaN-Heterostrukturen. Die Auswertung optischer Spektren mit komplexen Modellen ermöglichte erstmals die Bestätigung des theoretisch vorausgesagten Verlaufes der Polarisationsdiskontinuität (auch Polarisationsladung genannt) in Abhängigkeit vom Al-Gehalt durch zuverlässige Experimente. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Polarisationsdiskontinuität im Bereich von 5 K bis Raumtemperatur konstant ist.Das hier verwendete Verfahren basiert auf der Auswertung von Elektroreflexions- (ER-)spektren und nutzt die spezifische Abhängigkeit der Schichtfeldstärke von der angelegten elektrischen Spannung. In dieser Arbeit wurde das Verfahren konsequent weiterentwickelt und übertrifft so alle alternativen Methoden in der Genauigkeit. ER-Spektren von Gruppe-III-Nitriden weißen generelle Besonderheiten auf. In unmittelbarer Nähe zur Bandkante können ER-Spektren im Gegensatz zu schmallückigen Halbleitern (z.B. GaAs) nicht durch konstante Seraphinkoeffizienten beschrieben werden. Jedoch ergibt die Analyse der Franz-Keldysh-Oszillationen nach der Aspnes’schen Methode wie bei schmallückigen Halbleitern die korrekten Feldstärkebeträge. Optische und insbesondere ER-Spektren von Gruppe-III-Nitridschichten lassen sich nur vollständig durch Berücksichtigung der Exzitonen im elektrischen Feld beschreiben. Dazu wurde in dieser Arbeit ein von Blossey vorgeschlagenes Modell auf die Nitride angewandt und in einer Software umgesetzt. Der dargestellte Ansatz zur Spektrensimulation ist dadurch einzigartig, dass man mit ihm Exzitonen in inhomogenen elektrischen Feldern quantitativ beschreiben kann. Die gute Übereinstimmung von berechneten und experimentellen Spektren bekräftigt die Zuverlässigkeit der in dieser Arbeit bestimmten Materialgrößen. Weiterhin wurde festgestellt, dass die energetische Position der Exzitonenhauptresonanz und deren spektrale Breite näherungsweise einer linearen Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke folgen. Die Wirkungsweise von AlGaN/GaN-Heterostrukturen als chemische Sensoren wurde ebenfalls untersucht. Werden Pt-kontaktierten Proben Wasserstoff ausgesetzt, erhöht sich die Dichte des zweidimensionalen Elektronengases um einige 10 12 e/cm 2 und die Schottkybarriere verringert sich um bis zu 0,85 V. Bei Proben mit unkontaktierter Oberfläche führt die Benetzung mit einer polaren Flüssigkeit (Azeton) zu einer Potenzialerhöhung um 30 mV und zu einer Verringerung der Oberflächennettoladung um 10 11 e/cm 2.
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Surface characterization of indium compounds as functional layers for (opto)electronic and sensoric applications, 2008. - Online-Ressource (PDF-Datei: VII, 107 S., 10,4 MB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2008
Neue Entwicklungen im Bereich der Dünnschichtsynthese eröffnen eine Vielzahl neuer Anwendungen von Indiumverbindungen im Bereich der Sensorik und (Opto)-Elektronik. Vor diesem Hintergrund wurden spezielle Aspekte der Eigenschaften von Indiumnitrid (InN), Indiumoxid (In2O3) und Indiumzinnoxinitrid (ITON) untersucht. Zukünftige Hochfrequenztransistoren auf der Basis von InN können die technologischen Möglichkeiten erweitern, während für dünne In2O3 Filme ein hohes Potenzial zur Verwendung in günstigen, integrierbaren Ozonsensoren vorausgesagt wird. Zusätzlich kann für optoelektronische Applikationen durch Stickstoffeinbau in Sn-dotierte Indiumoxidschichten die optische Transparenz im UV-Bereich erweitert werden. Ein Grundsatz für die Implementierung der Materialien ist die detaillierte Kenntnis der Einflüsse der Zusammensetzung, sowie der strukturellen und elektronischen Eigenschaften auf wichtige Mechanismen der Funktionsweise und Stabilität von Bauelementen. In diesem Zusammenhang wurden zum Verständnis wichtiger Materialparameter die Einflüsse von Prozessparametern auf die Oberflächeneigenschaften dünner Filme untersucht, sowie Wechselwirkungen mit reaktiven Molekülen analysiert. Dünne InN Schichten wurde mittels plasmainduzierter Molekularstrahlepitaxie abgeschieden, während weitere Untersuchungen an durch metallorganische Gasphasenabscheidung aufgebrachten In2O3 Filmen sowie durch Magnetronsputtern hergestellten ITON Schichten durchgeführt wurden. Zur Analyse wurden Methoden der Elektronenspektroskopie (XPS, UPS, AES,(HR)EELS), der Elektronenbeugung (RHEED) sowie Rastersondenverfahren (AFM) verwendet. Durch in-situ Analyse von InN(0001) Schichten konnten erstmals Korrelationen zwischen Oberflächenrekonstruktionen und der Existenz von Elektronenzuständen innerhalb der Bandlücke nachgewiesen, sowie Einflüsse der Oxidation durch O2 untersucht werden. Zusätzlich wurde der Wechselwirkungsmechanismus zwischen Ozon und defektreichen In2O3-x Schichten analysiert und Rückschlüsse auf das Prinzip der reversiblen O3-induzierten Oxidation und UV-induzierten Reduktion gezogen, welche auf der dsorption/Desorption von O-Ionen und gleichzeitig stattfindendem Ladungstransfer basiert. Der durch Aufsputtern in N2 eingebrachte Stickstoff, liegt in ITON in verschiedenen chemischen Bindungen vor und verändert die optischen und elektrischen Eigenschaften, ist aber thermisch nicht stabil und desorbiert oberhalb von 550˚C, einhergehend mit der gleichzeitigen Oberflächensegregation von Sn. Diese Arbeit demonstriert den Nutzen der Kombination von Schichtwachstum und Oberflächenanalytik, um fundamentale Erkenntnisse für den Einsatz in Halbleiterbauelementen zu gewinnen.
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