Simulation magnetoelektrischer Sensoren. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Magnetoelektrische Sensoren sind eine vielversprechende Anwendung zur Messung kleinster Magnetfelder. In dieser Masterarbeit wurden Modelle zur FEM-Simulation magnetoelektrischer und ΔE-Effekt Sensoren entwickelt. Als Materialsystem wurden Titanitrid, Aluminiumnitrid und Nickel untersucht. Mithilfe der Modelle konnten vorhandene Messdaten sehr gut nachgebildet werden und anhand von Parameterstudien wurden Designregeln für die Optimierung der geometrischen Abmessungen einer Sensorstruktur ermittelt. Daraus folgte für einen Cantilever ein magnetoelektrischer Koeffizient von 223,4 V/(cm*Oe). Für eine beidseitig eingespannte Balkenstruktur lag der Wert bei 89,2 V/(cm*Oe). Für die Verwendung des Materialsystem als ΔE-Effekt Sensor konnte eine Sensitivität von 3 T^(-1) ermittelt werden.
Untersuchung der Polymerdynamik in Polyelektrolytlösungen mittels rheologischer NMR . - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
In dieser Arbeit wird der Einfluss von Scherung auf die Spin-Spin-Relaxation in verschiedenen Lösungen des hochmolekularen Polystyrolsulfonats untersucht. Der Prozess der Scherverdünnung kann auf mikroskopischer Ebene mit einer Entschlaufung und Ausrichtung der Polymerketten in Verbindung gebracht werden. Dabei wurde neben der Polymerkonzentration auch der Salzgehalt der Lösungen variiert. Dass die Konformation der Polyelektrolytmoleküle von der Ionenstärke abhängt, konnte über Diffusionsmessungen gezeigt werden. Der Abfall der Signalintensitäten im Zuge der T2 - Relaxation folgt einem biexponentiellen Verlauf. Die Relaxationszeiten aus den statischen Messungen zeigen dabei einen abnehmenden Trend mit zunehmender Polymer- und Salzkonzentration. Aus dem Verhalten der Proben unter kontinuierlicher Scherung lassen sich Konzentrationsbereiche ableiten, welche mit den Werten aus der klassischen Rheologie verglichen wurden. Zudem tendieren die Lösungen zum Weissenberg-Effekt. Die damit verbundenen Nebenerscheinungen, welche die NMR-Messungen beeinträchtigen, konnten durch eine Anpassung der Geometrie der Searle-Zelle reduziert werden. Das Strömungsprofil wurde mittels Flussbildgebung überprüft.
Ab-initio-Rechnung von Reflektionsanisotropiespektren von III-V/Si(001)-Heterostrukturen. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
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.
Photonic reservoir computing using Spin-VCSELs. - Ilmenau. - 21 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Im Vergleich mit anderen maschinellen Lernmethoden, zeichnet sich Reservoir Computing durch eine relative Einfachheit aus, die eine effiziente Hardwareimplementierung ermöglicht. Die benötigte hochdimensionale Reservoir-Dynamik kann bereitgestellt werden, indem zu einem einzelnem nichtlinearen Knoten, Rückkopplungen hingefügt wird, während das System mit zeitmultiplexierten Eingangsdaten gesteuert wird. Eine vielversprechende Realisierung nutzt die schnelle Polarisationsdynamik von energieeffizienten Spin-VCSELn aus. Diese schnellen Feldwechselwirkungen hängen mit Doppelbrechung, Dichroismus und Elektronenübergangsraten im Kavitätmaterial zusammen und treten auf kürzeren Zeitskalen auf, als die Relaxationsfrequenzen. Im Vergleich zu typischen Halbleiterlasern, lassen sich daher bei Spin-VCSELn wesentliche höhere Grenzfrequenzen in der Systemantwort beobachten. In dieser Arbeit wird zunächst die dynamische Analyse eines laserinjizierten Spin-VCSELs unter optischer Rückkopplung durchgeführt, so dass geeignete Parameter für die spätere Funktion als Reservoir bestimmt werden können. Danach wird der Einfluss dieser schnellen Polarisationsoszillationsdynamik auf die Reservoir-Güte bei steigenden Datenverarbeitungsraten untersucht.
Analyse von Schwingungsanregungen eines einzelnen Melamin-Moleküls auf Cu(100) vermöge inelastischer Tunnelspektroskopie. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Melamin mit seiner aufrecht stehenden Struktur und der Tautomerisierbarkeit ist interessant für Messungen mit dem Rastertunnelmikroskop. Die strukturelle Veränderung durch die Tautomerisierung führt zu Unterschieden in den STMBildern, den Strom-Spannungskurven und den inelastischen Tunnelspektren. Die Experimente wurden im Ultrahochvakuum und bei circa 5 K durchgeführt. Tautomere verhalten sich wie Gleichrichter, wohingegen normales Melamin diese Eigenschaft nicht teilt. Die beiden Tautomerkonfigurationen können mittels STMBilder und der Transporteigenschaften der Elektronen, dargestellt über die Strom-Spannungskurven, unterschieden werden. Normales Melamin wird bei circa 5 mV und 23 mV angeregt. Nach der Tautomerisierung ist keine Anregung bei 23 mV vorhanden, dafür aber bei circa 17 mV. Durch die Linienspektren und den Vergleich zu deuteriertem Melamin wurde deutlich, dass die Anregungen zu Schwingungen des gesamten Moleküls gehören und nicht zu Schwingungen einzelner Bindungen. Die inelastischen Tunnelspektren des deuterierten Melamin verändern sich von Molekül zu Molekül, was auf verschiedene Deuterisierungsgrade hindeuten könnte.
Preparing an all-sky pulsar search with recent raw antenna data of the Low-Frequency Array (LOFAR). - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
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.
Understanding the stellar populations of dwarf galaxies hosting active galactic nuclei through optical spectra analysis.. - Ilmenau. - 45 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
In dieser Bachelorarbeit werden die optischen Spektren von Zwerggalaxien mit aktivem Galaxienkern untersucht. Es wird der Kontrast zwischen 61 Galaxien, die kürzlich in einer Veröffentlichung durch die Analyse von Röntgenspektren als solche aktive Galaxien identifiziert wurden und einer Referenzmenge an Galaxien mit ähnlichen Massen und Rotverschiebungen untersucht um zu bestimmen, ob es mithilfe optischer Spektren möglich ist zwischen den beiden Proben zu differenzieren. Weiterhin wird eine zusätzliche Probe mit Galaxien ähnlicher Massen und Rotverschiebungen, die durch die Analyse der optischen Spektren als Galaxien mit aktivem Galaxienkern klassifiziert werden, erstellt. Durch den Vergleich dieser Probe mit der ersten werden mögliche Unterschiede zwischen aktiven Galaxien, die im optischen bzw. im Röntgen-Bereich identifiziert wurden, bestimmt. Für diese Vergleiche werden zunächst die einzelnen Spektren betrachtet und anschließend für jede Probe ein zusammengesetztes Spektrum, für das die Spektren normiert und summiert werden. Mit dieser Methode wird das Signal-Rausch-Verhältnis der Spektren erhöht, womit eine detailliertere Untersuchung möglich wird. Die Eigenschaften dieser Spektren, bspw. deren Morphologie, Absorptions- und Emissionsmerkmale, werden dann miteinander verglichen und signifikante Unterschiede werden herausgestellt.
Capillary Collapse of Ni-Nanowire Arrays. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Nanodraht-Arrays, Arrays von freistehenden und langreichweitig geordneten Zylindern mit einem Durchmesser im Nanometer-Bereich und einem großen Seitenverhältnis, sind als vielversprechendes System für eine Reihe von Anwendungen in Erscheinung getreten. Allerdings wird ihr Seitenverhältnis häufig dadurch limitiert, dass die sonst freistehenden Nanodrähte ab einer gewissen kritischen Lenge kollabieren, d.h. aufeinander umfallen. In dieser Arbeit wird der Kollaps von Nickel-Nanodraht-Arrays als Modellsystem für Nanodraht-Arrays generell aufgrund der Kapillarkraft während des Trocknungsschritts eines typischen nasschemischen Fabrikationsprozess untersucht. Zu diesem Zweck werden dreidimensionale zeitabhängige Multiphysik-Simulationen entwickelt, welche Fluiddynamik und Festkörpermechanik simultan simulieren. Der Multiphasen-Fluss von Luft und Wasser wird über einen Phasenfeld-Ansatz implementiert. Besondere Aufmerksamkeit wird der Rolle der Symmetrie im Kollaps-Prozess gegeben. Es wird gezeigt, dass während perfekt symmetrische Nanodraht-Arrays nicht kollabieren, bereits leichte Längenunterschiede von rund 3% zum Kollaps des Arrays führen können. Es wird ebenfalls gezeigt wie umgebende Wände die Nanodrähte vom Einfluss der benachbarten Nanodrähte abschirmen und so den Kollaps verhindern können.
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.