Publikationen

In this work, an electrochemically formed porous Cu current collector (p-Cu) is utilized for the development of a high-performance binder-free silicon anode. Two electrolyte compositions based on sulfolane (SL) and [BMP][TFSI] ionic liquid (IL) are implemented for silicon deposition. The electrochemical experiments confirm the advantages of applying the p-Cu structure in terms of specific capacity, rate capability, and long-term cycling, where the best electrochemical properties have been observed for the Si deposited from SL electrolyte. The Si-based p-Cu anodes formed in SL display stable 2500 mAh g^-1 reversible capacity during the first 250 cycles and promising capacity retention. Compared to this result, the cycling performance of the same type of material deposited on flat Cu foil (f-Cu) showed significantly reduced capacity (1400 mAh g^-1) and inferior cycling performance. The positive effect can be attributed to the improved mechanical stability of the active material and accelerated ionic transport in the porous structure of the anode. The improved functional properties of the electrochemically deposited Si from SL electrolyte in p-Cu samples compared to those obtained in IL can be ascribed to differences in the chemical composition. While the layers deposited in SL electrolyte involve Si domains incorporated in a matrix containing C and O that offer high mechanical stability, the Si material obtained in IL is additionally influenced by N and F chemical species, resulting from active IL decomposition. These differences in the chemical surrounding of the Si domains are the primary reason for the inferior electrochemical performance of the material deposited from [BMP][TFSI] electrolyte. XPS analysis shows that the initial composition of the as deposited layers, containing a considerable amount of elemental Si, is changed after lithiation and that the electrochemical activity of the anode is governed by switching between the intermediate redox states of Si, where the carbon-oxygen matrix is also involved.

Controlling the surface formation of the group-V face of (111)-oriented III-V semiconductors is crucial for subsequent successful growth of III-V nanowires for electronic and optoelectronic applications. With a view to preparing GaP/Si(111) virtual substrates, we investigate the atomic structure of the MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy)-prepared GaP(111)B surface (phosphorus face). We find that upon high-temperature annealing in the H2-based MOVPE process ambience, the surface is phosphorus-depleted, as evidenced by X-ray photoemission spectroscopy (XPS). However, a combination of density functional theory calculations and scanning tunneling microscopy (STM) suggests the formation of a partially H-terminated phosphorus surface, where the STM contrast is due to electrons tunneling from non-terminated dangling bonds of the phosphorus face. Atomic force microscopy (AFM) reveals that a high proportion of the surface is covered by islands, which are confirmed as Ga-rich by Auger electron spectroscopy (AES). We conclude that the STM images of the samples after high-temperature annealing only reflect the flat regions of the partially H-terminated phosphorus face, whereas an increasing coverage with Ga-rich islands, as detected by AFM and AES, forms upon annealing and underlies the higher proportion of Ga in the XPS measurements.

Potentiostatic deposition of silicon is performed in sulfolane (SL) and ionic liquid (IL) electrolytes. Electrochemical quartz crystal microbalance with damping monitoring (EQCM-D) is used as main analytical tool for the characterization of the reduction process. The apparent molar mass (Mapp) is applied for in situ estimation of the layer contamination. By means of this approach, appropriate electrolyte composition and substrate type are selected to optimize the structural properties of the layers. The application of SL electrolyte results in silicon deposition with higher efficiency compared to the IL 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, [BMP][TFSI]. This has been associated with the instability of the IL in the presence of silicon tetrachloride and the enhanced incorporation of IL decomposition products into the growing silicon deposit. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis supports the results about the layer composition, as suggested from the microgravimetric experiments. Attention has been given to the impact of practically relevant substrates (i.e., Cu, Ni, and vitreous carbon) on the reduction process. An effective deposition can be carried out on the metal electrodes in both electrolytes due to accelerated reaction kinetics for these types of substrates. However, on vitreous carbon (VC), a successful reduction of SiCl4 can only be accomplished in the IL, while the electroreduction process in SL is dominated by the decomposition of the electrolyte. For short deposition times, the scanning electron microscopy (SEM) images display rough morphologies in the nanometer range, which evolve further to structures with increased length scale of the surface roughness. The development of a rough interface during deposition, resulting in QCM damping at advanced stages of the process, is interpreted by a model accounting for the resistive force caused by the interaction of the liquid with a nonuniform layer interface. By using this approach, the individual contributions of the surface roughness and viscoelastic effects to the measured damping values are estimated.

In this work a comprehensive study is presented for the analysis of epitaxial graphene layers using Raman spectroscopy. A wide range of graphene types is covered, from defective/polycrystalline single layer graphene to multilayer graphene with low defect density. On this basis the influence of strain type, Fermi level and number of layers on the Raman spectrum of graphene is investigated. A detailed view on the 2D/G dispersion and the respective slopes of uniaxially and biaxially strained graphene is given and its implications on the asymmetry of the G peak analyzed. A linear dependency of the phonon mode asymmetry on uniaxial strain is presented in addition to the known Fermi level dependence. Additional impacts on the asymmetry are found to be arising from the defect density and transfer doping of adsorbates. The discovered transfer doping mechanism is contrary to pure phonon excitation through excitons and exhibits increasing asymmetry with increasing Fermi level. A new characteristic correlation between the 2D mode line width and the inverse I(D)/I(G) ratio is introduced that allows the determination of the strain type and layer number and explains the difference between Raman line widths of monolayer graphene on different substrates.

Es wurden die Schwingungseigenschaften von einseitig und beidseitig eingespannten Balkenstrukturen im [my]m Bereich untersucht. Diese Resonatoren bestehen aus einem Doppelschichtsystem, welches aus einer piezoelektrischen Schicht, in diesem Fall AlN und einer magnetostriktiven Schicht, in diesem Fall Ni, zusammengesetzt ist. Die theoretischen Grundlagen basieren auf der Euler-Bernoulli-Biegebalkentheorie. Mit Hilfe eines Vibrometers wurden Eigenfrequenzspektren dieser Resonatoren gemessen. Das Schichtsystem wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop validiert. Mit Hilfe eines optischen Mikroskops wurden geometrische Vermessungen an den Resonatoren durchgeführt. Der Elastizitätsmodul dieses Schichtsystems wurde bestimmt. Es wurden die Abhängigkeiten für die Güte und die Verspannung von den einzelnen Resonatoren dargestellt. Es wurde eine Simulation mit Finiter-Elemente-Methode für jeden Resonator durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Messergebnissen verglichen. Es stellte sich heraus, dass die Euler-Bernoulli-Biegebalkentheorie hier eine gute Anwendung findet. Weiterhin stellte sich heraus, dass die breiten und kurzen einseitig eingespannten Balkenstrukturen sehr große Abweichung verursachen und deshalb ungeeignet sind. Für die beidseitig eingespannte Balkenstrukturen wurde ein Ausblick über einen künftigen Mittelweg zwischen Haltbarkeit und gutem Schwingverhalten gegeben.

Der Elektronenleckstrom ist eins der Hauptverlustmechanismen in AlGaN basierten Licht emittierenden Bauelementen (UV-LEDs). Dieser kann durch das Hinzufügen einer Schicht mit einer breiten Bandlücke, einer Elektronenblockschicht (EBL), in die Heterostruktur und die daraus resultierende Leitungsbanddiskontinuität, die typischerweise 0,3 bis 0,8 eV beträgt, reduziert werden. Durch das aufeinanderstapeln mehrerer Nanometer großen EBLs aufeinander, kann eine zusätzliche virtuelle Barriere (VB) für die Elektronen in den sogenannten Multiquantumbarrieren (MQB) entstehen. Es wurden numerische Untersuchungen durchgeführt um die Breite der VB in AlGaN-MQBs zu quantifizieren und die Strukturen gegenüber von Fluktuationen zu optimieren. Die Beachtung der Polarisationsfelder und die Berechnung des Bandprofils erfolgte durch die selbstkonsistente Lösung der Schrödinger- und der Poisson-Gleichungen. Die Transfermatrixmethode und die Esaki-Tsu-Stromformel wurden benutzt um die Elektronenreflexionswahrscheinlichkeiten und die Strom-Spannungs-Charakteristiken zu berechnen. Die Simulationen zeigen einen Anstieg der effektiven Elektronenbarriere von bis zu 66\% durch die Anwendung einer optimierten Al$_{0,2}$Ga$_{0,8}$N/GaN-MQB gegenüber einer Al$_{0,2}$Ga$_{0,8}$N EBL der gleichen Breite. Ansätze zur experimentellen Verifikation der VB wurden ebenfalls diskutiert.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Passive Infrarot Nachtkühlung-System (PINC-System), welches am Energy Efficiency Center (EEC) installiert ist, in der Simulationsumgebung TRNSYS abgebildet. Hierbei wurde das PINC-System kombiniert mit einer thermischen Gebäudesimulation. Die Kälteübergabe in den Räumen wurde in der Simulation über Kühldecken realisiert. Das Simulationsmodell konnte anhand realer Monitoringdaten des EEC validiert werden. Die Hauptaufgabe bestand darin, das PINC-System des ECC in TRNSYS als Modell aufzubauen. Das PINC-Modell wurde mit den Monitoring-Daten des Jahres 2015 validiert bzw. überprüft. Aus dem validierten Modell wurde im nächsten Schritt das PINC-System mit einem Gebäude-Modell verbunden. Danach wurde ein Vergleich zwischen dem PINC-System und einer Kältemaschine vollzogen, um das PINC-System exakt bewerten zu können. Anschliessend wurden verschiedene Szenarien definiert und anhand von Simulationen evaluiert. Hierbei wurde entweder eine konventionelle Kühldecke oder eine PCM-Kühldecke im Gebäude verwendet. Die Ergebnisse bestätigten, dass das SEER des PINC-Systems ist effektiver als das SEER der konventionellen Kältemaschine. Andererseits verbraucht die PCM-Kühldecke mehr Energie, als die konventionelle Kühldecke.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und der Aufbau von strahlungsfesten relativen Feuchtesensoren, die später im ATLAS-Detektor des LHC eingesetzt werden sollen. Die Sensoren sollen unter Einfluss hoher Dosen ionisierender Strahlung einsatzfähig sein. Es ist notwendig die Sensoren aufgrund der thermischen Ankopplung an Baugruppen, die stark gekühlt werden, vor Fehlfunktion oder gar Zerstörung durch Betauung zu schützen. Mit dieser Neuentwicklung sollen relative Feuchtigkeitsmessungen zur Bestimmung des Taupunkts während dem Betrieb von Beschleunigeranlagen in der Hochenergiephysik durchgeführt werden. Anwendungsbereiche stellen hierbei die physikalische Grundlagenforschung und Bereiche der Medizintechnik dar. Dazu werden zunächst zwei verschiedene Beschichtungsmethoden mit Sol-Gelen angewendet. Anschließend werden die Sensoren durch die Messmethode der Impedanzspektroskopie analysiert und mittels eines Fit-Programms charakterisiert. Des Weiteren werden die Eigenschaften des elektrischen Feldes durch eine FEM-Simulation verifiziert.

Das Ziel dieser Bachelorarbeit war die Untersuchung verschiedener pn- Übergänge in einem Temperaturbereich von 4K bis 300K. Diese sollen zur Temperaturmessung, ohne aufwendige Einzelkalibration der Bauelemente, eingesetzt werden. In den durchgeführten Experimenten wurden das Substrat, die Implantationsparameter, die Größe und die Geometrie der Dioden verändert. Gemessen und ausgewertet wurden dabei die U-I Kennlinien und die U-T Kennlinien. Die Verwendung von verschiedenen Berechnungsmethoden der kalibrationsfreien Temperaturmessung (Methode nach Verster, Methode nach Goloub) und der 1-Punkt Kalibrierung ermöglichen die Aussage, welche Dioden am besten für einen Einsatz als Temperatursensoren geeignet sind. Dazu wird insbesondere bei der 1-Punkt Kalibrierung ein diodenspezifischer Faktor verwendet, der die Abweichung der U-T Kennlinie vom idealen Verlauf angibt. Das ermöglicht einen einfachen Vergleich verschiedener pn-Übergänge ohne aufwendige Untersuchungen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Variation des Substrates und der Implantationsparameter starke Veränderungen bezüglich der Genauigkeit bei der Temperaturbestimmung auftraten. Sowohl Geometrie als auch Größe der Dioden sind nicht so sehr von Bedeutung. Es konnten quantitative Zusammenhänge beschrieben werden. Die in dieser Arbeit erläuterten theoretischen Grundlagen wurden im Rahmen der durchgeführten Messungen bestätigt. Somit ist es möglich, mit den Ergebnissen dieser Arbeit eine Diode herzustellen, welche optimale Eigenschaften für die Temperaturmessung besitzt.