Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von polaren Galliumnitrid-Schichten, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 169 S., 179,42 MB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2010
Die Gruppe III-Nitride erlauben auf Grund ihrer Materialeigenschaften vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere für die GaN-basierte Gas- und Biosensorik ist ein Verständnis der Oberflächen sowie deren Wechselwirkung mit Molekülen entscheidend. Zur Analyse solcher Systeme wurden polare GaN Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Die Oberflächenrekonstruktion sowie die Terminierung konnten gezielt durch Variation der Wachstumsparameter bzw. weiteren Präparationsschritten eingestellt werden. Es wurden nichtrekonstruierte GaN(0001) und GaN(000-1) Oberflächen sowie Gallium- und Stickstoff-induzierte 2x2 rekonstruierte GaN(0001) Oberflächen hergestellt. Die unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen unterscheiden sich in der Ausbildung von Oberflächenzuständen. Bei den Ga-induzierte und N-induzierte 2x2 rekonstruierte Oberflächen lassen sich 2 Oberflächenzustände (SS) bei einer Bindungsenergie von 1,4 eV und 3eV bzw. 2eV und 3 eV finden. Bei der nichtrekonstruierten GaN(0001) wurden dagegen drei SS (1,5eV, 2,5eV und 3,4 eV) und bei der GaN(000-1) nur ein SS (2,5 eV) detektiert. Diese Ergebnisse weisen eine gute Übereinstimmung mit der mittels Dichtefunktionaltheorie berechneten Oberflächenzuständen auf. Nach der erfolgreichen Charakterisierung wurde die Wechselwirkung mit Sauerstoff und Wasser untersucht. Dabei wurde eine Abhängigkeit der Reaktion der Oberflächen von der Orientierung, Rekonstruktion sowie Terminierung gefunden. GaN(000-1) Oberflächen sind gegenüber Sauerstoff und Wasser deutlich reaktiver als GaN(0001) orientierte Oberflächen, wobei beide GaN Oberflächenmodifikationen gegenüber Wasser deutlich reaktiver als gegenüber Sauerstoff sind. Weiterhin führt die Wechselwirkung zu einer Veränderung der Austrittsarbeit und der Oberflächenbandverbiegung. Die chemische Anbindung der Moleküle weist eine Abhängig von der Terminierung auf. Es ließen sich abhängig von der Oberflächenmodifikation sowohl Stickstoffoxid- als auch Galliumoxidbindungen nachweisen. Neben der grundlagenforschungsorientierten in-situ Untersuchung von GaN Oberflächen wurden ebenfalls GaN-basierte Bauelemente untersucht. Es wurden die Oberflächeneigenschaften von GaN-basierten "lateral polarity" (LPH GaN), InAlN/GaN und biofunktionalisierte AlGaN/GaN Heterostrukturen ermittelt.
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Optische Eigenschaften von InN und InN-basierten Halbleitern, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 190 S., 13,4 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
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In dieser Arbeit wurden neue Wege zur experimentellen Bestimmung der optischen Eigenschaften von InN und seinen In-reichen Mischkristallen mit GaN und AlN sowie zur Interpretation der Daten vorgestellt. Spektroskopische Ellipsometrie im Spektralbereich vom mittleren Infrarot (MIR) über nahes Infrarot (NIR) bis hin zu Vakuumultraviolett (VUV) hat sich als ein sehr leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung der absorptionsbezogenen Eigenschaften dieser Materialien herausgestellt.Auf der Basis eines Vielschicht-Modells und unter Einbezug von Oberflächenrauhigkeit und Grenzflächenschichten in die Datenanalyse erhält man im ersten Schritt eine verlässliche dielektrische Funktion (DF), welche die grundlegenden optischen Eigenschaften des Materials widerspiegelt. Die Interpretation des spektralen Verlaufes repräsentiert den zweiten Schritt der Studien, von denen man probenabhängige Parameter wie zum Beispiel die Frequenzen der gekoppelten Phononen-Plasmonen-Moden, die Aufspaltung zwischen Valenz- und Leitungsband am Fermi-Wellenvektor oder die Übergangsenergien an Van-Hove-Singularitäten der Bandstruktur bestimmen kann. Durch Korrektur dieser Daten in Hinblick auf durch Ladungsträger induzierte Bandlückenrenormierung und Burstein-Moss-Verschiebung sowie Verzerrung erlangt man abschließend erstmalig die intrinsischen Eigenschaften der Verbindungen. Aufgrund einer Akkumulationsschicht von Elektronen an der Oberfläche ist es erforderlich, die Elektronenkonzentration im Volumen mittels Infrarot-Ellipsometrie zu bestimmen. Die aus den MIR-Daten extrahierte Plasmafrequenz wird für eine sorgfältige Bestimmung dieser Elektronendichte genutzt. Weiterhin ist bei InN der Bereich der Absorptionskante stark geprägt von der Gegenwart hoher Elektronenkonzentrationen und der Nichtparabolizität des Leitungsbandes. Die NIR-Daten müssen deshalb selbstkonsistent analysiert werden (gekoppelt mit den MIR-Resultaten), indem der Imaginärteil der DF über Fermi's Goldene Regel berechnet wird. Die Methode erzielt 0,675 eV für die fundamentale Bandlücke von hexagonalem InN bei Raumtemperatur. Der Wert für kubisches InN liegt 80 meV niedriger und beträgt 0,595 eV. Durch die Analyse der DFs von hexagonalen InGaN- und InAlN-Mischkristallen auf die gleiche Art und Weise erhält man die Bowing-Parameter der fundamentalen Bandlücken E_A. Sie betragen b_A = 1,71 eV (InGaN) und b_A = 4,0 eV (InAlN). Ein weiteres wichtiges Resultat ist die Bestimmung der DF im UV-VUV--Spektralbereich und ihr Vergleich mit theoretischen Berechnungen. Die theoretischen Resultate in Bezug auf den Imaginärteil der DF von InN sind nur dann in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten, wenn Elektron-Loch-Wechselwirkung (exzitonische Effekte) berücksichtigt werden. Die Coulomb-Korrelation führt zu einer Rotverschiebung der Absorptionspeaks und einer Umverteilung der dazugehörigen Oszillatorstärken in Kontrast zur Einteilchen-DF.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000415
Stabilität und Zerfallsdynamik hochgeladener Flüssigkeitströpfchen, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 179 S., 5551 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
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Geladene Mikrotropfen sind wichtige Bestandteile von Gewitterwolken und spielen in einer Vielzahl von technischen Prozessen und in der Forschung eine bedeutende Rolle. Lord Rayleigh untersuchte das Verhalten geladener Flüssigkeitsvolumen schon 1882. In einer theoretischen Arbeit stellte er dar, dass die Form eines geladenen Tropfens einer elektrisch leitfähigen, inkompressiblen Flüssigkeit von der Oberflächenspannung und der Coulombkraft bestimmt wird. Mit der Definition eines Stabilitätsparameters, der Fissilität X, welche das Verhältnis von Coulombenergie und zweifacher Oberflächenenergie darstellt, konnte er zeigen, dass ein Tropfen mit X < 1 von der Oberflächenspannung dominiert wird. Dieser befindet sich im stabilen Zustand und seine Form ist die einer Kugel. Erreicht die Fissilität eines Tropfens den Wert Eins, so verschwindet die Dominanz der Oberflächenspannung und die Tropfenform wird instabil. Dabei verformt er sich und nimmt eine spindelförmige Gestalt an. Aus den kegelförmigen Enden erfolgt der Auswurf von Ladung und Masse, woraufhin der Tropfen in die Gleichgewichtsform zurückkehrt. Diese Arbeit legt die Untersuchungen von Tropfen aus reinem Wasser sowie Tropfen aus Natriumchlorid- und Schwefelsäurelösungen hinsichtlich ihrer Stabilität und ihres ladungsbedingten Zerfalls dar. Der Einfluss der Ladungsträgerart, der Temperatur und der Tropfengröße wird aufgezeigt. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Ladungs- und Masseverlust sowie der Fissilität der Tropfen während der instabilen Phase und auf dem zeitlichen Verlauf der Tropfendeformation. Die genannten Größen lassen Aussagen über die Wirkung der Leitfähigkeit unterschiedlicher Ladungsträger und der intrinsischen Substanzeigenschaften auf die Stabilität sowie den ladungsbedingten Zerfall der Tropfen zu.
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Dielektrische Funktion und elektrooptische Eigenschaften von (Al,Ga)N/GaN-Heterostrukturen, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 159 S., 4339 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
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In der vorliegenden Arbeit werden umfangreiche Untersuchungen an Nitridhalbleitern mittels optischer Spektroskopie vorgestellt. Es werden erstmalig sowohl die ordentliche als auch die außerordentliche Komponente der dielektrischen Funktion von GaN über einen ausgedehnten Spektralbereich von 1,2 bis 9,8˜eV gezeigt. Es wird demonstriert, daß auch der transparente Spektralbereich deutlich durch hochenergetische kritische Punkte der Bandstruktur beeinflußt wird. Unter Berücksichtigung der Verspannung werden die optischen Auswahlregeln für GaN und AlN verifziert. Die Umkehr der Valenzbandreihenfolge bei AlN im Gegensatz zu GaN wird nachgewiesen sowie die Kristallfeldenergie für AlN abgeschätzt. Für AlGaN gelingt es, die ordentliche dielektrische Funktion für verschiedene Al-Gehalte zu bestimmen und daraus ein analytisches Modell für deren Berechnung bei beliebiger Mischkristallzusammensetzung abzuleiten. Hierbei werden exzitonische Effekte sowie Nichtlinearitäten in den Abhängigkeiten berücksichtigt. (GaN/)AlGaN/GaN-Heterostrukturen werden mit Spektralellipsometrie und anschließend mittels Photo- bzw. Elektroreflexion untersucht. Aus den optischen Daten werden die elektrischen Feldstärken der einzelnen Schichten ermittelt, um daraus die Dichten der an den Heterogrenzflächen auftretenden zweidimensionalen Ladungsträgergase mit großer Genauigkeit zu bestimmen. Durch die Kombination der Experimente mit selbstkonsistenten Schrödinger-Poisson-Rechnungen können die Oberflächenpotentiale berechnet werden. Die Abhängigkeit vom Al-Gehalt wird quantifiziert. Für den Spezialfall dicker Deckschichten wird erstmals der experimentelle Nachweis für die Koexistenz von zweidimensionalen Elektronen- und Löchergasen innerhalb einer Probe erbracht. Bei AlN/GaN-Supergittern werden verschiedene Interbandübergänge zwischen quantisierten Zuständen mittels Elektroreflexion beobachtet. Durch den Vergleich mit quantenmechanischen Rechnungen wird der Einfluß der Verspannung und der ihrerseits verspannungsabhängigen elektrischen Feldstärken (Quantenstarkeffekt) deutlich. Für beide Parameter hat das Schichtdickenverhältnis von Quantengräben und Barrieren eine wichtige Bedeutung. Aus der Bestimmung der dielektrischen Funktion der Supergitter wird ersichtlich, daß in derartigen Strukturen auch höherenergetische kritische Punkte der Bandstruktur von Quanteneffekten geprägt sind.
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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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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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Tribology of nanopositioning and nanomeasuring system : a thesis submitted in fulfilment of the requierements for the award of the degree. - IV, 257 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2009
The dielectric function of group-III-nitride semiconductors : electron-hole interaction and electric fields. - Getr. Zählung Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2009
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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