Lithography-free micro- and nanostructuring based on conventional plasma etching

In now-a-days semiconductor and MEMS technologies the photolithography is the working horse for fabrication of functional devices. The conventional way (so called Top-Down approach) of microstructuring starts with photolithography, followed by patterning the structures using etching, especially dry etching. The requirements for smaller and hence faster devices lead to decrease of the feature size to the range of several nanometers. However, the production of devices in this scale range needs photolithography equipment, which must overcome the diffraction limit. Therefore, new photolithography techniques have been recently developed, but they are rather expensive and restricted to plane surfaces. Recently a new route has been presented - so-called Bottom-Up approach - where from a single atom or a molecule it is possible to obtain functional devices. This creates new field - Nanotechnology - where one speaks about structures with dimensions 1 - 100 nm, and which has the possibility to replace the conventional photolithography concerning its integral part - the self-assembly. However, this technique requires additional and special equipment and therefore is not yet widely applicable. This work presents a general scheme for the fabrication of silicon and silicon dioxide structures with lateral dimensions of less than 100 nm that avoids high-resolution photolithography processes. For the self-aligned formation of extremely small openings in silicon dioxide layers at in depth sharpened surface structures, the angle dependent etching rate distribution of silicon dioxide against plasma etching with a fluorocarbon gas (CHF3) was exploited. Subsequent anisotropic plasma etching of the silicon substrate material through the perforated silicon dioxide masking layer results in high aspect ratio trenches of approximately the same lateral dimensions. The latter can be reduced and precisely adjusted between 0 and 200 nm by thermal oxidation of the silicon structures owing to the volume expansion of silicon during the oxidation. On the basis of this a technology for the fabrication of SNOM calibration standards is presented. Additionally so-formed trenches were used as a template for CVD deposition of diamond resulting in high aspect ratio diamond knife. A lithography-free method for production of periodic and nonperiodic surface structures using the angular dependence of the etching rate is also presented. It combines the self-assembly of masking particles with the conventional plasma etching techniques known from microelectromechanical system technology. The method is generally applicable to bulk as well as layered materials. In this work, layers of glass spheres of different diameters were assembled on the sample surface forming a mask against plasma etching. Silicon surface structures with periodicity of 500 nm and feature dimensions of 20 nm were produced in this way. Thermal oxidation of the so structured silicon substrate offers the capability to vary the fill factor of the periodic structure owing to the volume expansion during oxidation but also to define silicon dioxide surface structures by selective plasma etching. Similar structures can be simply obtained by structuring silicon dioxide layers on silicon. The method offers a simple route for bridging the Nano- and Microtechnology and moreover, an uncomplicated way for photonic crystal fabrication.

Veränderungen im Öko-Lebensmittelkonsum in Familien mit Kindern und deren Hintergründe

Im Rahmen der Arbeit wird den Fragen nachgegangen, inwiefern der Konsum von Öko-Lebensmitteln in Familien mit Kindern im zeitlichen Verlauf Veränderungen unterliegt und worin Veränderungen im Öko-Lebensmittelkonsum in Familien mit Kindern begründet sind. Aus den hierzu gewonnenen Erkenntnissen werden Schlussfolgerungen für die Konsumentenforschung und das Marketing von Öko-Produkten gezogen. Theoretische Grundlage stellen der Familienzyklus sowie Forschungsergebnisse zum Konsumentenverhalten in Familien und zum Konsum von Öko-Lebensmitteln in Familien dar. Für die empirische Bearbeitung der Forschungsfragen wurde ein qualitatives Forschungsdesign gewählt. Der Forschungsprozess gliederte sich in drei Wellen der Datenerhebung und -auswertung. Im Rahmen dessen wurden Eltern mithilfe problemzentrierter Interviews zur Entwicklung des Öko-Konsums in ihren Familien befragt. Die Interviews wurden computergestützt und in Anlehnung an die Kodierprozeduren offenes und axiales Kodieren der Grounded Theory ausgewertet. Ergebnis der Datenanalyse sind drei Zusammenhangsmodelle, die zu einer Erklärung von Veränderungen im Öko-Lebensmittelkonsum von Familien beitragen. Veränderungen können demnach erstens in einer Erhöhung der Konsumintensität während einer Schwangerschaft bestehen. Als Bedingungen hierfür konnten ein verstärktes Bewusstsein für Öko-Produkte, die körperliche Konstitution der Mutter sowie die Unterstützung durch die soziale Umwelt identifiziert werden. Weitere Bedingungen stellen Lebensmittelskandale sowie eine gute Verfügbarkeit von Öko-Produkten dar. Handlungsstrategien der Eltern beziehen sich auf das Wohlergehen des noch ungeborenen Kindes (Förderung der Gesundheit, Erhalten der zukünftigen Lebenswelt, Orientierung für die spätere Ernährung des Kindes) sowie auf das Wohlergehen der werdenden Mutter (Förderung der Gesundheit, Förderung des Wohlbefindens, Umgang mit schwangerschaftsbedingten Beschwerden). Zweitens können Veränderungen des Öko-Lebensmittelkonsums in einer Erhöhung der Konsumintensität ab dem Zeitpunkt der Umstellung der Ernährung eines Kindes auf eine Beikosternährung bestehen. Bedingungen hierfür sind eine verstärkte Beachtung von Öko-Produkten, die körperliche Konstitution des Kindes, die Abstimmung von Familien- und Baby-Kost, der Austausch mit und die Unterstützung durch die soziale Umwelt sowie der Wunsch von Eltern, einen Beitrag zum Öko-Landbau zu liefern. Bedingungen können außerdem eine gute Verfügbarkeit von Öko-Produkten sowie der Einfluss von Medien darstellen. Handlungsstrategien der Eltern beziehen sich auf die Ernährung des Kindes (Förderung der Gesundheit, Förderung der Geschmackssozialisation) und auf die Ernährung der restlichen Familie (effiziente Beschaffung und Verwendung von Lebensmitteln, Förderung des Wohlbefindens der Eltern). Drittens können Veränderungen im Öko-Lebensmittelkonsum in Familien in einem Rückgang der Konsumintensität während des Übergangs von Kindern ins Jugendalter bestehen. Bedingungen hierfür bestehen in der Konsequenz, mit der Eltern konventionellen Lebensmittelwünschen ihrer Kinder nachgeben, in der Beurteilung von Lebensmitteln durch die Eltern sowie in der Intensität, mit der Kinder ihre Wünsche einfordern. Handlungsstrategien der Eltern sind darauf ausgerichtet Kindern einen Wunsch zu erfüllen, sich gegenüber diesen liberal zu verhalten, Konflikte mit Kindern zu vermeiden oder diese ihre eigenen Erfahrungen sammeln zu lassen. Die Ergebnisse tragen zu einer theoretischen Fundierung des Zusammenhangs zwischen Familienzyklus und dem Öko-Lebensmittelkonsum in Familien bei und zeigen, dass dieser ein sinnvolles theoretisches Bezugssystem für Veränderungen der Konsumintensität von Öko-Produkten darstellt. Für die Konsumentenforschung tragen die Ergebnisse zu einem differenzierten Verständnis von Ober- und Untergrenzen von Familienzyklusstadien bei. Es zeigt sich weiterhin, dass Veränderungen des Öko-Konsums unter anderem unter dem Einfluss der sozialen Umwelt stehen. Im Hinblick auf das Marketing kann insbesondere geschlussfolgert werden, dass bei bestimmten Produktkategorien die Bedürfnisse jugendlicher Zielgruppen verstärkt berücksichtigt werden sollten. Zur Bindung junger Familien ist darauf hinzuwirken, einen Mehraufwand bei der Beschaffung von Öko-Produkten auszuschließen. Für die Ansprache der Zielgruppe Schwangere erscheinen Kommunikationsbotschaften geeignet, die sich auf das Wohlbefinden von Kind und Mutter und auf Nachhaltigkeitsaspekte beziehen. Eltern mit Kindern im Übergang zu einer Beikosternährung könnten gezielt durch Kommunikationsbotschaften angesprochen werden, die in Zusammenhang mit der Förderung der Gesundheit und der Geschmacksozialisation von Kindern stehen.

Protein Folding Simulations: Confinement, External Fields and Sequence Design

The present Thesis looks at the problem of protein folding using Monte Carlo and Langevin simulations, three topics in protein folding have been studied: 1) the effect of confining potential barriers, 2) the effect of a static external field and 3) the design of amino acid sequences which fold in a short time and which have a stable native state (global minimum). Regarding the first topic, we studied the confinement of a small protein of 16 amino acids known as 1NJ0 (PDB code) which has a beta-sheet structure as a native state. The confinement of proteins occurs frequently in the cell environment. Some molecules called Chaperones, present in the cytoplasm, capture the unfolded proteins in their interior and avoid the formation of aggregates and misfolded proteins. This mechanism of confinement mediated by Chaperones is not yet well understood. In the present work we considered two kinds of potential barriers which try to mimic the confinement induced by a Chaperon molecule. The first kind of potential was a purely repulsive barrier whose only effect is to create a cavity where the protein folds up correctly. The second kind of potential was a barrier which includes both attractive and repulsive effects. We performed Wang-Landau simulations to calculate the thermodynamical properties of 1NJ0. From the free energy landscape plot we found that 1NJ0 has two intermediate states in the bulk (without confinement) which are clearly separated from the native and the unfolded states. For the case of the purely repulsive barrier we found that the intermediate states get closer to each other in the free energy landscape plot and eventually they collapse into a single intermediate state. The unfolded state is more compact, compared to that in the bulk, as the size of the barrier decreases. For an attractive barrier modifications of the states (native, unfolded and intermediates) are observed depending on the degree of attraction between the protein and the walls of the barrier. The strength of the attraction is measured by the parameter $\epsilon$. A purely repulsive barrier is obtained for $\epsilon=0$ and a purely attractive barrier for $\epsilon=1$. The states are changed slightly for magnitudes of the attraction up to $\epsilon=0.4$. The disappearance of the intermediate states of 1NJ0 is already observed for $\epsilon =0.6$. A very high attractive barrier ($\epsilon \sim 1.0$) produces a completely denatured state. In the second topic of this Thesis we dealt with the interaction of a protein with an external electric field. We demonstrated by means of computer simulations, specifically by using the Wang-Landau algorithm, that the folded, unfolded, and intermediate states can be modified by means of a field. We have found that an external field can induce several modifications in the thermodynamics of these states: for relatively low magnitudes of the field ($<2.06 \times 10^8$ V/m) no major changes in the states are observed. However, for higher magnitudes than ($6.19 \times 10^8$ V/m) one observes the appearance of a new native state which exhibits a helix-like structure. In contrast, the original native state is a $\beta$-sheet structure. In the new native state all the dipoles in the backbone structure are aligned parallel to the field. The design of amino acid sequences constitutes the third topic of the present work. We have tested the Rate of Convergence criterion proposed by D. Gridnev and M. Garcia ({\it work unpublished}). We applied it to the study of off-lattice models. The Rate of Convergence criterion is used to decide if a certain sequence will fold up correctly within a relatively short time. Before the present work, the common way to decide if a certain sequence was a good/bad folder was by performing the whole dynamics until the sequence got its native state (if it existed), or by studying the curvature of the potential energy surface. There are some difficulties in the last two approaches. In the first approach, performing the complete dynamics for hundreds of sequences is a rather challenging task because of the CPU time needed. In the second approach, calculating the curvature of the potential energy surface is possible only for very smooth surfaces. The Rate of Convergence criterion seems to avoid the previous difficulties. With this criterion one does not need to perform the complete dynamics to find the good and bad sequences. Also, the criterion does not depend on the kind of force field used and therefore it can be used even for very rugged energy surfaces.

Organische Mikro- und Nanodrähte auf Basis von Perylendiimiden

Diese Arbeit thematisiert die optimierte Darstellung von organischen Mikro- und Nanodrähten, Untersuchungen bezüglich deren molekularen Aufbaus und die anwendungsorientierte Charakterisierung der Eigenschaften. Mikro- und Nanodrähte haben in den letzten Jahren im Zuge der Miniaturisierung von Technologien an weitreichendem Interesse gewonnen. Solche eindimensionalen Strukturen, deren Durchmesser im Bereich weniger zehn Nanometer bis zu einigen wenigen Mikrometern liegt, sind Gegenstand intensiver Forschung. Neben anorganischen Ausgangssubstanzen zur Erzeugung von Mikro- und Nanodrähten haben organische Funktionsmaterialien aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Verarbeitbarkeit sowie ihrer interessanten elektrischen und optischen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Eine wichtige Materialklasse ist in diesem Zusammenhang die Verbindungsklasse der n-halbleitenden Perylentetracarbonsäurediimide (kurz Perylendiimide). Dem erfolgreichen Einsatz von eindimensionalen Strukturen als miniaturisierte Bausteine geht die optimierte und kontrollierte Herstellung voraus. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde die neue Methode der Drahterzeugung „Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre“ entwickelt, welche auf Selbstassemblierung der Substanzmoleküle aus Lösung basiert und unter dem Einfluss von Lösungsmitteldampf direkt auf einem vorgegebenen Substrat stattfindet. Im Gegensatz zu literaturbekannten Methoden ist kein Transfer der Drähte aus einem Reaktionsgefäß nötig und damit verbundene Beschädigungen der Strukturen werden vermieden. Während herkömmliche Methoden in einer unkontrolliert großen Menge von ineinander verwundenen Drähten resultieren, erlaubt die substratbasierte Technik die Bildung voneinander separierter Einzelfasern und somit beispielsweise den Einsatz in Einzelstrukturbauteilen. Die erhaltenen Fasern sind morphologisch sehr gleichmäßig und weisen bei Längen von bis zu 5 mm bemerkenswert hohe Aspektverhältnisse von über 10000 auf. Darüber hinaus kann durch das direkte Drahtwachstum auf dem Substrat über den Einsatz von vorstrukturierten Oberflächen und Wachstumsmasken gerichtetes, lokal beschränktes Drahtwachstum erzielt werden und damit aktive Kontrolle auf Richtung und Wachstumsbereich der makroskopisch nicht handhabbaren Objekte ausgeübt werden. Um das Drahtwachstum auch hinsichtlich der Materialauswahl, d. h. der eingesetzten Ausgangsmaterialien zur Drahterzeugung und somit der resultierenden Eigenschaften der gebildeten Strukturen aktiv kontrollieren zu können, wird der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Morphologie der Selbstassemblierungsprodukte am Beispiel unterschiedlicher Derivate betrachtet. So stellt sich zum einen die Art der eingesetzten Lösungsmittel in flüssiger und gasförmiger Phase beim Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre als wichtiger Faktor heraus. Beide Lösungsmittel dienen als Interaktionspartner für die Moleküle des funktionellen Drahtmaterials im Selbstassemblierungsprozess. Spezifische Wechselwirkungen zwischen Perylendiimid-Molekülen untereinander und mit Lösungsmittel-Molekülen bestimmen dabei die äußere Form der erhaltenen Strukturen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Molekülstruktur des verwendeten funktionellen Perylendiimids. Es wird der Einfluss einer Bay-Substitution bzw. einer unsymmetrischen Imid-Substitution auf die Morphologie der erhaltenen Strukturen herausgestellt. Für das detaillierte Verständnis des Zusammenhanges zwischen Molekülstruktur und nötigen Wachstumsbedingungen für die Bildung von eindimensionalen Strukturen zum einen, aber auch die resultierenden Eigenschaften der erhaltenen Aggregationsprodukte zum anderen, sind Informationen über den molekularen Aufbau von großer Bedeutung. Im Rahmen der Doktorarbeit konnte ein molekular hoch geordneter, kristalliner Aufbau der Drähte nachgewiesen werden. Durch Kombination unterschiedlicher Messmethoden ist es gelungen, die molekulare Anordnung in Strukturen aus einem Spirobifluoren-substituierten Derivat in Form einer verkippten Molekülstapelung entlang der Drahtlängsrichtung zu bestimmen. Um mögliche Anwendungsbereiche der erzeugten Drähte aufzuzeigen, wurden diese hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften analysiert. Neben dem potentiellen Einsatz im Bereich von Filteranwendungen und Sensoren, sind vor allem die halbleitenden und optisch wellenleitenden Eigenschaften hervorzuheben. Es konnten organische Transistoren auf der Basis von Einzeldrähten mit im Vergleich zu Dünnschichtbauteilen erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeiten präpariert werden. Darüber hinaus wurden die erzeugten eindimensionalen Strukturen als aktive optische Wellenleiter charakterisiert. Die im Rahmen der Dissertation erarbeiteten Kenntnisse bezüglich der Bildung von eindimensionalen Strukturen durch Selbstassemblierung, des Drahtaufbaus und erster anwendungsorientierter Charakterisierung stellen eine Basis zur Weiterentwicklung solcher miniaturisierter Bausteine für unterschiedlichste Anwendungen dar. Die neu entwickelte Methode des Trocknens unter Lösungsmittelatmosphäre ist nicht auf den Einsatz von Perylendiimiden beschränkt, sondern kann auf andere Substanzklassen ausgeweitet werden. Dies eröffnet breite Möglichkeiten der Materialauswahl und somit der Einsatzmöglichkeiten der erhaltenen Strukturen.

Simultaneous Drying and Separation of Composite Agricultural Material for Hay Processing

In composite agricultural materials such as grass, tee, medicinal plants; leaves and stems have a different drying time. By this behavior, after leaving the dryer, the stems may have greater moisture content than desired, while the leaves one minor, which can cause either the appearance of fungi or the collapse of the over-dried material. Taking into account that a lot of grass is dehydrated in forced air dryers, especially rotary drum dryers, this research was developed in order to establish conditions enabling to make a separation of the components during the drying process in order to provide a homogeneous product at the end. For this, a rotary dryer consisting of three concentric cylinders and a circular sieve aligned with the more internal cylinder was proposed; so that, once material enters into the dryer in the area of the inner cylinder, stems pass through sieve to the middle and then continue towards the external cylinder, while the leaves continue by the inner cylinder. For this project, a mixture of Ryegrass and White Clover was used. The characteristics of the components of a mixture were: Drying Rate in thin layer and in rotation, Bulk density, Projected Area, Terminal velocity, weight/Area Ratio, Flux through Rotary sieve. Three drying temperatures; 40°C, 60° C and 80° C, and three rotation speeds; 10 rpm, 20 rpm and 40 rpm were evaluated. It was found that the differences in drying time are the less at 80 °C when the dryer rotates at 40 rpm. Above this speed, the material adheres to the walls of the dryer or sieve and does not flow. According to the measurements of terminal velocity of stems and leaves of the components of the mixture, the speed of the air should be less than 1.5 m s-1 in the inner drum for the leaves and less than 4.5 m s-1 in middle and outer drums for stems, in such way that only the rotational movement of the dryer moves the material and achieves a greater residence time. In other hand, the best rotary sieve separation efficiencies were achieved when the material is dry, but the results are good in all the moisture contents. The best rotary speed of sieve is within the critical rotational speed, i.e. 20 rpm. However, the rotational speed of the dryer, including the sieve in line with the inner cylinder should be 10 rpm or less in order to achieve the greatest residence times of the material inside the dryer and the best agitation through the use of lifting flights. With a finite element analysis of a dryer prototype, using an air flow allowing speeds of air already stated, I was found that the best performance occurs when, through a cover, air enters the dryer front of the Middle cylinder and when the inner cylinder is formed in its entirety through a sieve. This way, air flows in almost equal amounts by both the middle and external cylinders, while part of the air in the Middle cylinder passes through the sieve towards the inner cylinder. With this, leaves do not adhere to the sieve and flow along drier, thanks to the rotating movement of the drums and the showering caused by the lifting flights. In these conditions, the differences in drying time are reduced to 60 minutes, but the residence time is higher for the stems than for leaves, therefore the components of the mixture of grass run out of the dryer with the same desired moisture content.

Instant Storyboarding

This thesis aims at empowering software customers with a tool to build software tests them selves, based on a gradual refinement of natural language scenarios into executable visual test models. The process is divided in five steps: 1. First, a natural language parser is used to extract a graph of grammatical relations from the textual scenario descriptions. 2. The resulting graph is transformed into an informal story pattern by interpreting structurization rules based on Fujaba Story Diagrams. 3. While the informal story pattern can already be used by humans the diagram still lacks technical details, especially type information. To add them, a recommender based framework uses web sites and other resources to generate formalization rules. 4. As a preparation for the code generation the classes derived for formal story patterns are aligned across all story steps, substituting a class diagram. 5. Finally, a headless version of Fujaba is used to generate an executable JUnit test. The graph transformations used in the browser application are specified in a textual domain specific language and visualized as story pattern. Last but not least, only the heavyweight parsing (step 1) and code generation (step 5) are executed on the server side. All graph transformation steps (2, 3 and 4) are executed in the browser by an interpreter written in JavaScript/GWT. This result paves the way for online collaboration between global teams of software customers, IT business analysts and software developers.