Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Um die Effizienz von Solarzellen zu steigern werden Materialien anhand von Materialparametern optimiert. Einer dieser Parameter ist die Lebensdauer von angeregten Ladungsträgern, welche unter anderem mit der zeitaufgelösten Photolumineszenz erfasst wird. Das Ziel der Bachelorarbeit ist es, ein Streak-Kamera-System in Betrieb zu nehmen und erste Messungen von zeitaufgelöster Photoluminesz durchzuführen. Durch Vergleich von Referenzmessungen mit einem anderen Messsystem (Zeitkorreliertes Einzelphotonenzählen) wird ermittelt, ob diese benutzt werden können um den Einfluss von lateraler Diffusion auf den Messprozess abschätzen zu können. Dafür wurden zwei GaAs-Proben, je p- und n-dotiert, mit beiden Systemen vermessen und aus den Ergebnissen die effektive Lebensdauer der Proben ermittelt. Die Ergebnisse zeigen zunächst einen Unterschied der effektiven Lebensdauer zwischen den beiden Messsystemen. Diese Differenz konnte in erster Näherung durch eine Abschätzung des Diffusionseinflusses bei beiden Messsystemen erklärt werden. Zunächst zeigen die Ergebnisse, dass die Messungen von zeitaufgelöster Photolumineszenz mit dem Streak-Kamera-System qualitativ gute Ergebnisse liefern. Außerdem lässt sich der Einfluss von lateraler Diffusion näherungsweise durch Referenzmessungen mit einem weiteren Messsystem abschätzen.
Molecular dynamics in porous media. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Im Rahmen meiner Masterarbeit habe ich das Verhalten von Fluorbenzol, 1,4-Difluorbenzzol, α,α,α-Trifluorbenzol, 2,2,2-Trifluorethanol und Cyclooctan in den porösen Gläsern VYCOR (Porengröße: 4 nm) und CPG (Porengröße: 11,5 nm) mit Hilfe von Kernspinresonanz bei 1 T für 1H und 19F untersucht. Die Moleküle wurden meist im Vergleich zum Reinstoff hinsichtlich ihrer chemischen Verschiebung, Relaxationszeiten in unmittelbarer Nähe zur Porenwand, effektiven Diffusionskoeffizienten und möglicherweise neu auftretenden parallelen Relaxationsmechanismen untersucht. Es konnte so der "Surface Enhancement Factor" und ein effektiver Diffusionskoeffizient für die ganze Pore berechnet und eine Verschiebung der Elektronendichte bestimmt werden. Die benötigen molekularen Radien und Oberflächenschichtdicken wurden mit bereits existierenden Daten der Infrarotspektroskopie und der Fluiditätsanalysismethode berechnet. Ein sich anschließendes Fast Field Cycling Experiment mit 2,2,2-Trifluorethanol offenbarte, unter Zuhilfenahme der RMTD (Reorientation Mediated by Translational Displacements)-Theorie, dass zusätzlich zur Interaktion aller Moleküle mit der Oberfläche über Wasserstoffbrückenbindungen ein Austausch der Wasserstoffkerne am Sondenmolekül mit denen der an der Oberfläche befindlichen Hydroxylgruppen wahrscheinlich ist.
Dynamik- und Strukturanalyse von Polymergelen mit ionischen Flüssigkeiten. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
In dieser Bachelorarbeit werden Systeme aus Polyvinylalkohol (PVA) und ionischen Flüssigkeiten (IL) bezüglich struktureller und thermischer Aspekte untersucht und miteinander verglichen. Das strukturgebende Polymer kann durch die Zugabe von nichtflüchtigen ILs, deren charakteristische Eigenschaften neben der hohen elektrischen Leitfähigkeit und elektrochemischen sowie thermischen Stabilität auch ihre geringe Entflammbartkeit einschließen, so funktionalisiert werden, dass ein Einsatz als Elektrolyt in Batterien oder Superkondensatoren, aber auch als Redoxmediator in Farbstoffsolarzellen möglich ist. Je nach Mischungsverhältnis bilden die Proben feste Filme oder Gele und geben so Aufschluss über den Einfluss der als Weichmacher agierenden ILs auf die stark vernetzten Polymermatrix. Mit 1-Butyl- und 1-Hexyl-3-methylimidazolium Bromid (BmimBr bzw. HmimBr) wurden zwei ILs gewählt, deren Struktur sich lediglich in der Länge des jeweiligen Alkylrestes unterscheidet. Die Einflüsse von Kettenlänge und Mischungsverhältnis IL:PVA auf die Dynamik der Moleküle können durch die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit aufgezeigt werden. Mit der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) werden Informationen zu Eigenschaften wie Schmelztemperatur und thermischer Zersetzung gewonnen, welche mit steigendem IL Anteil weiter voneinander entfernt sind und so mehr Spielraum für Verarbeitung und Einsatz im flüssigen Zustand gewährleisten. Außerdem erlaubt die Bestimmung der Schmelzenthalpie eine Abschätzung der relativen Kristallinität der Proben, welche mit Ergebnissen aus der Röntgendiffraktometrie (XRD) verglichen wird. Die Kernspinresonanzspektroskopie trägt schließlich über die bestimmten Relaxationszeiten T1 und T2, welche die Spin-Gitter- und Spin-Spin-Relaxation charakterisieren, sowie der bei einer magnetischen Feldstärke von 7 Tesla aufgenommenen Spektren entscheidend zum entstehenden Gesamtbild des Systems bei.
Ansatzdetektion mittels vibronischer Sensoren. - Ilmenau. - 146 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
In der industriellen Prozessmesstechnik werden zur Messung des Grenzstandes (definierte Standhöhe) sowie Dichte und Viskosität von Fluiden typischerweise vibronische Sensoren verwendet. Dabei wird ausgenutzt, dass sich durch die Fluid-Struktur-Interaktion eine Verschiebung der Resonanzfrequenz und der Dämpfung des Schwingelementes ergibt. Als problematisch stellt sich bei diesen Messungen die Bildung von festen Materialansätzen auf dem Schwingelement dar. Durch die zusätzliche Masse wird die Resonanzfrequenz sowie die Dämpfung des Schwingsystems erheblich beeinflusst. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, eine Sensorik zur Detektion eines festen Materialansatzes, welcher sich im Laufe der Zeit an den Schwingelementen ablagert, zu entwickeln. Neben der Detektion des Ansatzes sollte weiterhin die Messung des Grenzstandes bzw. der Dichte und Viskosität Teil der Funktion des Sensors sein. Dazu wurden zur Auslegung und Optimierung eines Paddelsystems numerische sowie analytische Methoden eingesetzt. Mit Simulationen nach der Finite-Elemente-Methode wurden zunächst zwei Einzelsysteme untersucht, welche getrennt voneinander die Detektion des Ansatzes und die Messung des Grenzstandes bzw. Dichte und Viskosität realisieren. In einem zweiten Schritt wurden die Einzelmodelle zu einem Gesamtmodell vereint. In dem Gesamtmodell ergeben sich neue Effekte aufgrund der Kopplungen der Einzelsysteme. Mit Hilfe von FEM-Simulationen konnte das Gesamtsystem dimensioniert und optimiert werden. Nach verschiedenen Optimierungszielen wurden drei verschiedene Modelle generiert. Diese wurden mittels 3D-Druck-Technologie hergestellt und anschließend messtechnisch validiert. Sowohl durch die Simulationen als auch durch die experimentellen Studien konnten die Abhängigkeit der Eigenfrequenz und der Dämpfung der vibronischen Sensoren von Fluiden und Materialansätzen überprüft werden. Zur Charakterisierung von Materialansätzen wurden ferner Methoden entwickelt, mit denen die Detektion aber auch Kompensation von Materialansätzen in Luft sowie Fluiden möglich ist.
Entwicklung eines Verfahrens zur Quellenrekonstruktion phantombasierter Messungen an einem Magnetokardiographiesystem. - Ilmenau. - 143 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Prüfvorschrift zu entwickeln, um mit Hilfe derer die Genauigkeit in der Lokalisation eines Stromdipols in einem Messphantom durch Magnetokardiographiemessungen zu bestimmen. Bei der Magnetokardiographie (MKG) werden mittels supraleitenden Quanteninterferenzeinheiten (engl.: superconducting quantum interference devices) (SQUIDs) die magnetischen Felder vom menschlichen Herzen gemessen. Der Vorteil der SQUID-Technologie liegt darin, dass dadurch extrem schwache Magnetfelder gemessen werden können. Aus diesem Grund werden sie vorallem in der Medizin verwendet, um biomagnetischen Felder, welche im menschlichen Körper erzeugt werden, messen zu können. Der Nachteil liegt darin, dass die SQUIDs unter der Verwendung von flüssigem Helium auf einige Grad Kelvin heruntergekühlt werden müssen, damit sie funktionieren. Die Heliumkühlung führt zudem zu einem erhöhten Aufwand in der Anschaffung und im Unterhalt der Messsysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prüfvorschrift soll für einen späteren Vergleich der Genauigkeit, welche durch die SQUIDs erreicht werden, mit der Genauigkeit von neu entwickelten Sensoren dienen. Damit soll zukünftig abgeschätzt werden können, ob neu entwickelte Sensoren gut genug sind, um die SQUID-Technologie für biomagnetische Messungen ersetzen zu können. Neben der Vorstellung der entwickelten Prüfvorschrift wird auf die Ergebnisse zweier Phantommessungen und der damit erzielten Genauigkeiten in der Dipollokalisation eingegangen. Somit gibt diese Arbeit einen Überblick darüber, welche Genauigkeiten durch die Verwendung von SQUID-Magnetometern erzielt werden können. Mit Hilfe eines Kugelphantoms, welches als Modell eines menschlichen Kopfes dienen soll, werden verschiedene Dipolorientierungen untersucht. Mit Hilfe eines Torsophantoms wird außerdem getestet, wie gut sich mit dem Messsystem zwei Dipole gleichzeitig lokalisieren lassen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen wurde am Biomagnetischen Zentrum in Jena durchgeführt. Alle Angaben über die Genauigkeit der Sensoren beziehen sich ausschließlich auf die verwendete Technik.
Theory of auger deexcitation in metastable impact electron spectroscopy (MIES). - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Im Bereich der Materialwissenschaften gibt es eine Vielzahl Elektronenspektroskopiemethoden wie zum Beispiel UPS, XPS, STM usw. Die meisten Methoden besitzen eine hohe Oberflächenempfindlichkeit mit Austrittstiefen von bis zu 8 Angström, welche von der kinetischen Energie der Projektile und den quantenmechanischen Eigenschaften der Probe abhängen. Eine dieser Methoden ist die Metastable Impact Electron Spectroscopy. Dabei verwendet man Edelgasatome in metastabilen Zuständen, beispielsweise Helium, als Projektile. Diese Methode weist einige Vorteile auf. Zum einen ist die quantenmechanischen Beschreibung des metastabilen Heliums sehr gut bekannt, beispielsweise vom Helium-Neon-Laser oder der Atomoptik. Zum anderen weist Helium eine kleine Masse und somit einen kleinen Impuls auf. Aus diesem Grund dringt metastabiles Helium nicht in die Probenoberfläche ein oder zerstört diese. Die Abregung der Gasatome erfolgt ausschließlich über der Oberfläche. Weiterhin treten keine chemischen Reaktionen aufgrund des inerten Charakters von Helium auf. Alle bekannten Prozesse, die zur Elektronenemission bei MIES führen, sind mit dem Tunneleffekt verbunden. Die Wechselwirkungen treten somit in einem Bereich von ca. 0,5 nm auf und liegen damit in der gleichen Größenordnung wie bei STM-Experimenten. Allerdings ermöglicht MIES die Analyse der gesamten Probenoberfläche und nicht nur einzelner Stellen. Diese Masterarbeit zielt auf die Entwicklung einer Simulationsmethode ab, welche Ab-initio-Rekonstruktionen von MIES-Spektren für Moleküle, die an einer Oberfläche adsorbiert sind, ermöglicht. Hierbei sind zwei Themen wichtig: Die Übergangsraten für den dominanten Auger-Abregungsprozess müssen ohne die vereinfachenden Annahmen von KANTOROVICH ET AL. [1] bestimmt werden. Zudem müssen die Überlebenswahrscheinlichkeiten von metastabilen Helium entlang möglicher Trajektorien modelliert werden. Beide Problemstellungen können mithilfe von physikalischen und numerischen Methoden gelöst werden. Die Simulationsmethode wurde mit MATLAB und GAUSSIAN umgesetzt. Es erlaubt die Verifizierung der Methode durch das Vergleichen von Messung mit Simulationsdaten. Im Rahmen dieser Arbeit wird anhand des experimentellen MIES-Spektrums für Benzen auf einer Molybdänoberfläche die gute Übereinstimmung mit den dargestellten theoretischen Betrachtungen gezeigt. [1] Kantorovich et al., Surf. Sci. 444 (2000) 31-51
Design and fabrication of plasmonic nanoarrays for broadband solar absorption. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Diese Dissertation konzentriert sich auf das Design und die Herstellung von Nanostruktur Arrays mit breitbandigen solaren Absorptionseigenschaften für potenzielle Anwendungen zur Gewinnung und Umwandlung von Sonnenenergie. Dazu werden als erstes Nickel-Nanoporen-Arrays mit unterschiedlichen Strukturparametern durch einen Replikationsprozess aus perfekt geordneten anodischen Aluminiumoxid-Nanoporenvorlagen hergestellt. Als nächstes werden dann die Morphologien von Nickel-Nanoporen-Arrays durch ein Rasterelektronenmikroskop (REM) charakterisiert. Die Lichtabsorptionseigenschaften von Nickel-Nanoporen-Arrays wurden mittels einer Ultraviolett-sichtbarer-Spektroskopie und der Finite Differential Time Domain (FDTD) Simulation untersucht. Durch die experimentellen Ergebnisse und Simulationsanalysen weisen die hergestellten Nickel Nanoporen Arrays mit einer Periode von 1000 nm eine breitbandige Sonnenabsorption im Bereich von 300-1500 nm auf. Darüber hinaus tragen die in der Struktur vorhandenen Ausbreitungsarten der Oberflächenplasmonarpolitonen (SPPs) und der lokalisierten Oberflächenplasmonen (LSP) zur Breitbandabsorption bei, die durch die simulierte Verteilung des elektromagnetischen Feldes bestätigt werden. Die Nickel Nanoporen Arrays mit breitbandigen solaren Absorptionseigenschaften zeigen signifikante Potenziale bei der Umwandlung von Solarenergie. Daher ist es sinnvoll in diesem oder verwandten Bereichen weitere Forschungen durchzuführen.
Fabrication and characterisation of electrode materials for potassium-ion batteries. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Kalium-Ionen-Akkumulatoren stellen eine der vielversprechensten Technologien für die stationäre Speicherung elektrischer Energie dar, welche im Zuge der dringend notwendigen Umstellung auf eine regenerative Energieversorgung unabdinglich in großem Maßstab benötigt wird. Die gut entwickelte Lithium-Ionen-Technologie kann in vielen Aspekten als Vorbild genommen werden, allerdings ist insbesondere die Erforschung von geeigneten Elektrodenmaterialien zum Erzielen hoher Kapazitäten und langer Lebensdauern vonnöten. In dieser Arbeit werden zwei Anodenmaterialen für den Einsatz in Kalium-Ionen-Akkus auf ihre Eignung untersucht. Die beiden Materialien, stickstoffdotierte Kohlenstoffnanofasern und Pyrrhotin-Kohlenstoff-Nanowürfel, werden in einfachen Verfahren hergestellt und anschließend strukturell sowie elektrochemisch analysiert. Die Leistungsfähigkeit beider Materialien wird anhand einer Reihe von Parametern bewertet und in den aktuellen Forschungsstand eingeordnet. Beide Anodenmaterialien weisen eine geeignete Entladespannung, eine große reversible Kapazität, eine lange Lebensdauer sowie eine gute Leistungsfähigkeit bei hohen Entladungsraten auf.
Einflüsse des Siliziumkarbidsubstrates auf die IR-Reflexionsmessung von epitaktischen Graphen auf SiC. - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In dieser Masterarbeit werden IR-Reflexionsspektren im Bereich $200-4000$ $cm^{-1}$ für die Ermittlung der optischen Eigenschaften von Graphen auf Siliziumkarbidsubstraten untersucht. Dies geschieht unter der Verwendung des 4H- und 6H-Polytyps von SiC. Für die Erzeugung der Graphenschicht wird epitaktisches Wachstum auf SiC-Oberflächen genutzt. Innerhalb dieses Frequenzbereichs des Infrarots können Phononoszillationen des Siziliumkarbid-Substrates angeregt werden und die Ausbildung der Reststrahlenbande beobachtet werden. Durch die Graphenisierung der Oberfläche kann eine Absorption im Reflexionspektrum des longitudinalen Phonon von SiC festgestellt werden. Mit Verwendung eines Drude-Oszillatormodels für die dielektrischen Eigenschaften von SiC und die Nutzung von Inter- und Intrabandleitfähigkeiten für Graphen ist eine Simulation der Reflektivität des Doppelschichtsystems möglich. Es wird gezeigt, dass die IR-Spektroskopie wichtige Grapheneigenschaften wie die Schichtdicke, Relaxationszeit von Intrabandübergängen der Elektronen oder Ladungsträgerkonzentrationen ermitteln kann und in direkter Vergleichbarkeit mit anderen Spektroskopiemethoden (Raman, UPS, etc.) steht.
Extreme value analysis of precipitation time series. - Ilmenau. - 62, 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Die grundlegende Zielstellung dieser Arbeit ist die Anwendung der Extremwertanalyse für den Niederschlag im globalen Kontext und das Ermitteln der Trends. Hierfür wurde der globale Reanalysedatensatz ERA-Interim vorgenommen. Dabei wird die Analyse mittels einer geeigneten Fit-Software für das Schätzen der generalisierten Extremwertverteilung sowie durch die Nutzung der Modellklasse der Vektor-generalisierten linearen Modellen realisiert, die die Veränderungen der extremen Niederschläge untersuchen soll. Um die Resultate der Exremwertanalyse zudem abzuschätzen, wird zusätzlich vom Anpassungs- bzw. Fitgütetest des sogenannten Kolmogorov-Smirnov-Tests Gebrauch gemacht, welcher sowohl am Datensatz sowie an Monte-Carlo-Samples ausgeführt wird und deren Ergebnisse verglichen.