Ab-initio-Rechnung von Reflektionsanisotropiespektren von III-V/Si(001)-Heterostrukturen. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Defektarme auf Si(100) gewachsene III-V-Halbleiterschichten eröffnen neue Möglichkeiten für kostengünstige, leistungsstarke photovoltaische und optoelektronische Anwendungen. In der vor kurzem veröffentlichten Arbeit von Nandy et al. (https://doi.org/10.1021/acs.cgd.1c00410) wurde ein wesentlicher Schritt zur experimentellen Herstellung der gewünschten III-V/Si(001)-Strukturen über eine mit chemischer Gasphasenabscheidung gewachsenen GaP/AlP-Bufferschicht erbracht. Das Wachstum dieser Schicht wird experimentell über Reflexionsanisotropiespektroskopie (RAS) kontrolliert. Die theoretische Charakterisierung von RAS-Spektren ist daher von entscheidender Bedeutung für die Überwachung von Halbleiterwachstumsprozessen, sowie für das Verständnis und die Verbesserung derselben. Aus diesen Gründen wird in dieser Arbeit die dielektrische Anisotropie von III-V-Halbleitern auf Si(001) durch ab-initio Berechnungen unter Verwendung der Transfer-Matrix-Methode und des Vienna Ab initio Simulation Package analysiert. Die verwendete Methodik wird zunächst an RAS-Spektren der Si(001)- und GaP(001)-Oberfläche getestet. Anschließend werden die Spektren der GaP/Si(001)-, AlP/Si(001)- und GaP/AlP/Si(001)-Heterostrukturen berechnet und mit experimentellen Ergebnissen verglichen.
Anwendung künstlicher neuronaler Netzwerke für die Vorhersage der Feldverteilung bei Anderson-Lokalisierung von Licht. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Bei Wellenausbreitung in ungeordneten Systemen sind Lokalisierungsphänomene zu beobachten, die sich nicht einfach intuitiv vorhersagen lassen, und deren numerische Simulation Rechenzeitintensiv ist. In dieser Arbeit werden die möglichen Vorteile von künstlichen neuronalen Netzwerken für die Vorhersage von Eigenschaften der elektromagnetischen Felder bei transversal Anderson-lokalisiertem Licht im stationären Zustand nach Ausbreitung durch eine ungeordnete dielektrische Struktur untersucht, die auf den Ergebnissen einer Simulation mit der finite Differenzen Methode im Zeitbereich trainiert werden.
Physik-geführte neuronale Netze zur datengestützten Vorhersage physikalischer Prozesse. - Ilmenau. - 187 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die Belastung der Energieübertragungsnetze steigt aufgrund der Zunahme des Energiebedarfs durch den Anstieg der Weltbevölkerung, die Weiterentwicklung der Verkehrstechnologie und der wirtschaftlichen Expansion an. Die Energiewende und der daraus resultierende Übergang von traditionellen zu erneuerbaren Energiequellen erhöht zusätzlich die Beanspruchung. Um den Herausforderungen gerecht zu werden, müssen neue Kapazitäten in den Übertragungsnetzen geschaffen werden. Das NOVA-Prinzip besagt die vorhandenen Netze zu optimieren, erst danach folgt die Verstärkung und im letzten Schritt der Ausbau der Netze. Der bisherige Betrieb und die Auslegung der Netze basiert auf Worst Case Szenarien der Umgebungsbedingungen (35 ˚C Umgebungstemperatur, 0.6 m/s Windgeschwindigkeit, Windrichtung orthogonal zum Leiter und 900 W/m² Globalstrahlung nach DIN EN 50341-2). In 90 % der Fälle resultieren zusätzliche Kapazitäten im Übertragungsnetz aus günstigen Umgebungsbedingungen, die durch einen intelligenten, temperaturabhängigen Betrieb genutzt werden könnten. Ein solcher ist jedoch nur mit exakten Berechnungsmodellen möglich. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die kommerziell verwendeten Standard-Modelle fehleranfällig sind. Auf Grundlage der Analyse der verwendeten Daten in der Masterarbeit wurden neue Modelle, basierend auf künstlichen und Physik-geführten neuronalen Netzen, entwickelt. Die besten neu entwickelten Modelle konnten eine Reduktion des mittleren absoluten Schätz-Fehlers von 2.44 K auf 1.85 K erzielen. Der Anteil der Werte, welche mehr als 5 K abweichen, wurde von 10.28 % auf 4.72 % verringert. Auch die mittlere Unterschätzung der Leiterseiltemperatur von 1.17 K wurde in eine anwendungstechnisch unproblematische Überschätzung von im Mittel 0.42 K durch den Übergang vom besten kommerziellen zum besten datenwissenschaftlichen Modell gewandelt. Die Optimierung der Modelle konnte durch den Wegfall der fehlerhaften Bestimmung der Parameter in den etablierten Modellen, einen Ausgleich der konservativen Abschätzung der physikalischen Effekte sowie der Berücksichtigung der vernachlässigten thermischen Komponenten der Wärmebilanz erreicht werden.
Quantum repeater communication protocols enhanced by nondestructive photonic qubit detectors. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Für Quantenkommunikation müssen einzelne Lichtquanten über lange Distanzen gesendet werden. Quantenrepeaterarchitekturen können hierbei gut das Problem von Photonenverlust in den Glasfasern verringern. Eingefügte zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektoren haben einen Einfluss auf die Verschränkungsrate sowie die Fidelität der Verbindung. Als Anwendungsmöglichkeiten werden in dieser Arbeit Photonentracking (ein detektierter Photonenverlust verkürzt die Neustartzeit bei einer fehlgeschlagenen Verbindung), Verbesserung von Parallelisierung zu Multiplexing (wenn mehrere parallele Links benutzt werden) und die Verhinderung von Dark Counts von Lichtdetektoren (erhöht die Fidelität) untersucht. Dies erfolgt mittels in Python geschriebener Simulationsprogramme und durch das Entwickeln analytischer Formeln. Für den Ansatz des Photonentrackings erreicht der Verbesserungsfaktor der Verschränkungsrate weniger als vier für Kommunikationsdistanzen bis 1600 km. Die Fidelität wird nur leicht verbessert. Bei der Verbesserung der Parallelisierung kann dieser Faktor beliebig groß werden, da er linear mit der Anzahl der parallelen Links ansteigt. Da bereits sehr gute Lichtdetektoren existieren, hat selbst ein perfekter zerstörungsfreier Lichtquantenbitdetektor nur einen sehr geringen positiven Einfluss auf die Fidelität. Es wurde somit gezeigt, dass zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektoren im allgemeinen Quantenrepeaterarchitekturen verbessern können, allerdings reicht der am Max Planck Institut für Quantenoptik entwickelte zerstörungsfreie Lichtquantenbitdetektor nur dazu aus, das Verbessern von Parallelisierung zu Multiplexing zu ermöglichen.
Wiederkehrzeiten von Hitzeextremen im Klimamodell AWI-ESM2.1. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Wiederkehrzeiten von Hitzeextremen in verschiedenen Klimaszenarien. Mit Hilfe des gekoppelten Klimamodells AWI-ESM2.1 werden zunächst das historische Klima seit 1850 sowie die beiden Zukunftsszenarien SSP1-2.6 und SSP5-8.5 simuliert. Es wird jeweils ein kleines Ensemble von Simulationen berechnet. Die Tagesmaximaltemperaturen werden mit Hilfe zweier Methoden aus der Extremwerttheorie analysiert: Der Block-Maxima-Methode und der Peaks-over-Threshold-Methode. Aus den zugehörigen Verteilungsfunktionen werden die mittleren Wiederkehrzeiten verschiedener Temperaturen berechnet. Der Kolmogorov-Smirnov-Test zeigt, dass die Daten sowohl durch die generalisierte Extremwertverteilung (Weinbull-Verteilung) als auch durch die Paretoverteilung gut beschrieben werden können. Allerdings erweist sich aufgrund der Autokorrelation der Temperaturen die Block-Maxima-Methode als geeigneter zur Abschätzung der Wiederkehrzeiten. Die zu einer bestimmten Wiederkehrzeit gehörigen Temperaturen sind seit dem vorindustriellen Zeitalter bereits angestiegen und es zeigt sich eine starke Abhängigkeit vom betrachteten Zukunftsszenario. Um den Einfluss der Autokorrelation besser zu verstehen, wird außerdem die Verteilung der Wiederkehrzeiten für einen konstanten Schwellwert untersucht. Bei schwacher Korrelation, wie dies z.B. in Deutschland der Fall ist, kann die Verteilung durch eine Exponentialfunktion beschrieben werden. An anderen Orten wie Südamerika und Indonesien sind die Temperaturen stärker korreliert, die Autokorrelation der Temperaturdifferenzen zum durchschnittlichen Jahresverlauf fällt anfangs nach Potenzgesetz ab. Dadurch werden sowohl sehr kurze als auch sehr lange Wiederkehrzeiten häufiger. Eine der Literatur entnommene Gleichung für die Verteilung der Wiederkehrzeiten in langzeitkorrelierten Systemen wird anhand der simulierten Tagesmaximaltemperaturen verifiziert.
Density functional theory calculations for interpretation of ultra-fast charge carrier dynamics in gallium phosphide. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Mit der neu entwickelten Methode der zeitaufgelösten spektroskopischen Ellipsometrie im Femtosekundenbereich mit einem pump-probe Verfahren ist es möglich Modelle der spektral- und zeitaufgelösten dielektrischen Funktion einer Probe zu erstellen. Das Experiment wird beschrieben und ein Ansatz zur Identifizierung von Phänomenen, die durch Ladungsträgerdynamik auf ultrakurzen Zeitskalen verursacht werden, wie z.B. Pauli blocking, Relaxation und Intraband-Tunneling, wird entwickelt. Mithilfe von Dipolmatrixelementen und der Joint Density of States, die aus DFT Rechnungen mit einer modifizierten Version des QUANTUM ESPRESSO Codes gewonnen werden, werden die Freiheitsgrade in der Beschreibung der transienten Signale in der zeitabhängigen dielektrischen Funktion effektiv auf die Besetzungszahlen eingeschränkt. Somit ist es möglich, mithilfe der ermittelten transienten dielektrischen Funktion, Bewegungen von Populationen angeregter Elektronen durch die Bandstruktur via Inter- und Intrabandübergängen zu identifizieren. Die vorgestellte Methode wird verwendet um qualitativ die transiente dielektrische Funktion von Galliumphosphid zu analysieren, und es werden Anzeichen für einen schnellen Γ &flech; 𝑋 Tunnelprozess gefunden.
Berechnung und Simulation eines kapazitiven Mikrosystems. - Ilmenau. - 127 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines allgemeingültigen Analyseprozesses für die mechanische Untersuchung eines kapazitiven MEMS-Kraftsensors der 5microns GmbH, der auf die Verwendung kostenintensiver FEM-Lizenzen verzichtet. Dabei beschränken sich die Betrachtungen auf den durch Federn aufgehängten Teil des MEMS-Kraftsensors. Der vorliegende Entwurf wurde schrittweise mithilfe der Software GMSH partitioniert, vernetzt und diskretisiert. Anschließend erfolgte die Untersuchung der resultierenden Struktur auf mechanische Deformationen und auftretende mechanische Spannungen mithilfe einer innerhalb des FEM-Programms FreeFEM++ individuell entwickelten und angepassten Simulationsroutine. Parallel dazu wurde die numerische Lösung mit unterschiedlichen analytischen Abschätzungen verglichen, die sich aufgrund abnehmender Vereinfachung hinsichtlich ihrer Komplexität und Übereinstimmung voneinander abgrenzen. Die bisher verwendete analytische Dimensionierung trifft nicht zu und unterschätzt auftretende Deformationen und mechanische Spannungen. Deshalb wurde mithilfe des entwickelten Analyseprozesses der Einfluss der einzelnen geometrischen Abmessungen untersucht und in Kombination mit einer verringerten Zielauslenkung ein verbessertes Design erarbeitet. Nach diesem erreicht der Sensor eine Auslenkung von 50 [my]m bei einer maximalen mechanischen Spannung von 266 MPa. Dies entspricht bei der gleichen wirkenden Kraft von 100mN einer Absenkung der Auslenkung um 60 μm bei gleichzeitiger Minimierung der mechanischen Belastung um rund 260 MPa im Vergleich zum ursprünglichen Entwurf.
Eine Datenanalyse am ATLAS Detektor für die Suche nach Instantonen in der Quantenchromodynamik. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Das Standardmodell der Teilchenphysik vereinheitlicht drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen und ist die präziseste Theorie, die wir in der Physik haben. Trotz ihrer großen Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen enthält sie bisher noch ungeklärte Fragen. Beispielsweise kann die Materie-Antimaterie Asymmetrie nicht erklärt werden. Eine mögliche Lösung könnten Instantonen sein. Dabei handelt es sich um nicht-störungstheoretisch beschreibbare Pseudoteilchen, die von einem Vakuumzustand in der Yang-Mills Theorie in einen anderen tunneln können. In der starken Wechselwirkung, welche durch die Quantenchromodynamik beschrieben wird, könnten solche Instantonen entstehen und anschließend in Gluonen, rechtshändige Quarks und linkshändige Antiquarks zerfallen. Bisher gibt es jedoch keinen experimentellen Nachweis für die Instantonenlösung. Deshalb wird in dieser Arbeit eine Suche nach Instantonen in der Quantenchromodynamik mit einer invarianten Masse von etwa 50 GeV mithilfe von Daten des ATLAS Detektors durchgeführt. Dazu werden mittels einer Monte-Carlo Simulation über das mögliche Verhalten von Instantonen innerhalb des ATLAS-Detektors Observablen gesucht, bei denen sich die Instantonensimulation wesentlich von dem ebenfalls simulierten soft-QCD Hintergrund unterscheiden. Durch Abgleich mit den Daten des ATLAS, welche eine Luminosität von L = 10^34 cm-2 s-1 haben, kann eine Ausschlussgrenze für die Existenz von Instantonen angegeben werden, oberhalb der Instantonenevents in den gemessenen Daten auszuschließen sind. Außerdem wird mithilfe der Methode der kleinsten Quadrate der wahrscheinlichste Bereich ermittelt, in denen Instantonenevents innerhalb der Daten zu erwarten sind. Damit kann innerhalb dieser Arbeit ein weiterer Hinweis auf die Existenz von Instantonen in der Quantenchromodynamik gefunden und ein Bereich, der sich für weitere Analysen eignet, identifiziert werden.
Vorbereitung eines 4m-Radioteleskops zur Vermessung der Verteilung des neutralen atomaren Wasserstoffes in der Milchstraßenscheibe. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Das Radioobservatorium Effelsberg des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie ist seit einigen Jahren im Besitz einer ehemaligen Kopfstation für das analoge Fernsehen. Diese wurde zu einem voll funktionsfähigen Radioteleskop aufgebaut, welches besonders als Schulungs- und Ausbildungsteleskop dienen soll. Im Zuge dieser Arbeit wurde die existierende Software des Teleskops so erweitert, dass Spektroskopie-Messungen der so genannten HI-Linie ("H-eins-Linie") möglich und auswertbar wurden. Zum Testen der Software wurde ein ausgewählter Bereich der Milchstraßenscheibe vermessen.
Simulation der optischen Eigenschaften von Gold-Nanoschwämmen. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von Gold-Nanoschwämmen, insbesondere das Auftreten elektromagnetischer Hotspots, mittels der Finite-Elemente-Methode, implementiert in der Software COMSOL Multiphysics, simuliert. Das Auftreten der Hotspots lässt sich mittels der Theorie der Oberflächenplasmonen erklären. Ein vielseitiges Framework zur Simulation und Optimierung von porösen Nanoschwämmen wird entwickelt. Der größte Vorteil des Frameworks im Gegensatz zu bereits existierenden Simulationen ist die Möglichkeit, die komplexe Geometrie der Schwämme korrekt abzubilden. Die Optimierung der Porengeometrie, dargestellt über mehrere Parametrisierungen, liefert erste Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Porenform, -position und Stärke der Hotspots.