Untersuchung von binären Flüssigkeiten in nanoporösen Medien mittels NMR-Diffusiometrie und NMR-Relaxationsspektroskopie. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, den Einfluss einer nanoporösen Struktur auf die Dynamik von binären Flüssigkeiten zu untersuchen. Bei allen binären Mischungen wurde jeweils eine protonierte sowie eine deuterierte Flüssigkeit im Volumenverhältnis von 50:50 verwendet. Somit konnten für beide Flüssigkeiten eindeutig die Relaxationszeiten bestimmt werden. Alle Mischungen wurden anschließend auch im porösen Glas Vycor vermessen. Dieses besitzt eine polare Porenoberfläche und einen mittleren Porendurchmesser von etwa 4 nm. Aus der Veränderung der T1- und T2-Relaxationszeiten lassen sich aussagen über die Wechselwirkung mit der Porenoberfläche treffen. Zudem wurde der Selbstdiffusionskoeffizient der protonierten Komponente im Bulk sowie im Vycor bestimmt, wodurch auf eine mögliche Verteilung der beiden Flüssigkeiten innerhalb der Poren geschlossen werden konnte. Alle Mischungen aus einer polaren und unpolaren sowie einer protischen und aprotischen Flüssigkeiten zeigen ein ähnliches Verhalten. Abschließend wurde das Austauschverhalten zwischen Decan und Wasser im Vycor untersucht, um auch binäre Mischungen dieser zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten zu präparieren. Anhand dieser Proben wurden auch die Dispersionsrelation der longitudinalen Relaxationszeit bestimmt, welche die Wechselwirkung der Moleküle mit der Porenoberfläche repräsentiert.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Ziel der Arbeit sind Simulationsrechnungen zur bewussten Homogenitätssteigerung abgeschiedener (Oxid-)Schichten beim Magnetron-Sputtern mittels Substratrotation (und Blenden). Doppelringmagnetronquellen können durch unterschiedliche Leistungen und/oder Magnetstellungen der beiden Targetbereiche bzgl. ihrer Flächenhomogenität eingestellt werden. Eine Verbesserung ist möglich, wenn die zu beschichtenden Substrate planetenartig bewegt werden und/oder geeignete Formblenden benutzt werden. Ausgehend von selbst durchgeführten Homogenitätsmessungen wird durch eine zu programmierende Simulation das Quellenverhalten abgebildet (dabei wird LabVIEW als graphische Programmierumgebung genutzt). Im Ergebnis der Simulationen lassen sich für verschiedene Homogenitätsanforderungen (0.05 bis 0.5% laterale Dickenfehler für Substrate mit Durchmessern im Bereich 50-75mm) unterschiedliche Lagen der Drehzentren und Rotationsverhältnisse finden. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung von Theorie und Experiment.
Leistungsabhängige zeitaufgelöste Photolumineszenz-Messungen von III-V-Halbleitern mit einem Streak-Kamera-System. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In der vorliegenden Arbeit wird der optische Pfad eines Streak-Kamera-Messsystems optimiert, getestet und zum Einsatz gebracht, um leistungsabhängige, zeitaufgelöste Photolumineszenz-Messungen zu realisieren. Im Gegensatz zur TRPL-Messung mit der TCSPC-Methode wurde in dieser Arbeit ein Streak-Kamera-System verwendet, um die Photolumineszenz-Eigenschaften von III-V-Halbleitern zu charakterisieren. Die verschiedenen Zeitkonstanten im Rekombinationsprozess wurden nach den Messungen unter Verwendung der von Gerber und Kleiman entwickelten Ratengleichungen getrennt. Ein Open-Source-Optimierungsverfahren von Großmann et al. wurde verwendet, um die Ratengleichungen anzupassen. In dieser Arbeit wird beschrieben, wie man ein Streak-Kamera-Messsystem aufbaut und die richtigen Messbedingungen einstellt, um TRPL-Messungen über vier Größenordnungen der Laserleistung durchzuführen. Die Ergebnisse und die ermittelten Zeitkonstanten wurden mit den Ergebnissen der TCSPC-Messung verglichen und diskutiert.
Image classification with reservoir computing using delay based photonics devices. - Ilmenau. - 44 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Reservoir Computing ist ein relativ neuer Ansatz im Bereich des maschinellen Lernens, welcher eine einfachere Trainingsphase im Vergleich zu anderen Methoden des maschinellen Lernens besitzt. Dazu ist die Methode relativ einfach experimentell umzusetzen. Mit einem Laser hat man die Möglichkeit, einen einzigen nichtlinearen Knoten als Reservoir zu verwenden und erreicht mit der time-multiplexed Reservoir Computing Methode eine hohe Output Dimension. In dieser Arbeit wird time-multiplexed Reservoir Computing zur Klassifizierung des MNIST handwritten digit data set verwendet. Dazu werden zwei verschiedene Eingabevorbereitungstechniken und zwei verschiedene Input-Injektionsmethoden getestet. Dabei nutzt die Eingabevorbereitung row wise feed forward das Gedächtnis des Lasers, im Gegensatz zum random mixed Modus, der kein Gedächtnis besitzt. Mit der Input Injektion in den Pumpstrom haben sowohl der row wise feed forward als auch der random mixed Modus eine ähnliche Performance. Der Grund dafür könnte sein, dass die Lasergleichungen zu linear sind. Die Input Injektion in die Phase eines externen Lasers hat die Performance für beide Verfahren verbessert und führte zur besten Leistung, ein SER von 8,95 % für den random mixed Modus. Die Ergebnisse könnten weiter verbessert werden, indem die Bilder beschnitten oder der Amplituden-Phasen-Kopplungsparameter und der Phasenparameter ungleich Null gesetzt werden, um mehr Nichtlinearität in die Lasergleichungen zu bringen.
Simulation magnetoelektrischer Sensoren. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
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 2023
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 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.
Photonic reservoir computing using Spin-VCSELs. - Ilmenau. - 21 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
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.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Die spektrale Bildgebung hat sich in den letzten zehn Jahren als vielseitiges Messverfahren etabliert. Sie wird häufig in Bereichen wie der Fernerkundung in der Landwirtschaft, der Geologie oder im Militär, bei der Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie oder in der medizinischen Bildgebung eingesetzt. Aufgrund ihrer dreidimensionalen Datenstruktur ist die Erfassung von Spektralbildern technologisch herausfordernd. Zwei räumliche und eine spektrale Dimension müssen auf zweidimensionale Sensorarrays abgebildet werden. Daher muss für jede Anwendung ein Kompromiss aus Aufnahmezeit, räumlicher Auflösung und spektraler Auflösung gefunden werden. Die Methode des Compressive Sensing wurde bereits auf die spektrale Bildgebung angewandt, um den dreidimensionalen Datensatz vor der Messung zu reduzieren. Mithilfe von kodierten Messungen und einem Optimierungsalgorithmus rekonstruiert Compressive Sensing den vollständigen Datensatz unter Ausnutzung von spärlicher Besetzung. Die beiden wichtigsten Ansätze für die komprimierende spektrale Bildgebung beruhen jedoch immer noch auf mehreren aufeinanderfolgenden Messungen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die komprimierende spektrale Bildgebung durch den Einsatz von diffraktiven optischen Elementen zu verbessern. Zu diesem Zweck werden mehrere spektrale Abbildungssysteme entwickelt, die ein diffraktives optisches Element mit vier Beugungsordnungen verwenden. Die Effizienzvorteile der Systemdesigns werden durch eine Computersimulation nachgewiesen. Es zeigt sich, dass das System mit einem diffraktiven Element einen höheren PSNR-Wert als alle bestehenden und entworfenen Systeme aufweist. Um die Funktion zu demonstrieren, wird ein spektrales Abbildungssystem auf Laborniveau entworfen und aufgebaut. Während des gesamten Prozesses der Auslegung, des Aufbaus, der Justage und der Kalibrierung werden die Schritte und Anforderungen gezeigt, die notwendig sind, um eine hocheffiziente komprimierende spektrale Bildaufnahme zu erreichen.
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.