Physik der Elektronen in Nanostrukturen und niedrigdimensionalen Systemen - Studie zweier Beispiele

Als Beispiele für die vielfältigen Phänomene der Physik der Elektronen in niedrigdimensionalen Systemen wurden in dieser Arbeit das Cu(110)(2x1)O-Adsorbatsystem und die violette Li0.9Mo6O17-Bronze untersucht. Das Adsorbatsystem bildet selbstorganisierte quasi-eindimensionale Nanostrukturen auf einer Kupferoberfläche. Die Li-Bronze ist ein Material, das aufgrund seiner Kristallstruktur quasi-eindimensionale elektronische Eigenschaften im Volumen aufweist. Auf der Cu(110)(2x1)O-Oberfläche kann durch Variation der Sauerstoffbedeckung die Größe der streifenartigen CuO-Domänen geändert werden und damit der Übergang von zwei Dimensionen auf eine Dimension untersucht werden. Der Einfluss der Dimensionalität wurde anhand eines unbesetzten elektronischen Oberflächenzustandes studiert. Dessen Energieposition (untere Bandkante) verschiebt mit zunehmender Einschränkung (schmalere CuO-Streifen) zu größeren Energien hin. Dies ist ein bekannter quantenmechanischer Effekt und relativ gut verstanden. Zusätzlich wurde die Lebensdauer des Zustandes auf der voll bedeckten Oberfläche (zwei Dimensionen) ermittelt und deren Veränderung mit der Breite der CuO-Streifen untersucht. Es zeigt sich, dass die Lebensdauer auf schmaleren CuO-Streifen drastisch abnimmt. Dieses Ergebnis ist neu. Es kann im Rahmen eines Fabry-Perot-Modells als Streuung in Zustände außerhalb der CuO-Streifen verstanden werden. Außer den gerade beschriebenen Effekten war es möglich die Ladungsdichte des diskutierten Zustandes orts- und energieabhängig auf den CuO-Streifen zu studieren. Die Li0.9Mo6O17-Bronze wurde im Hinblick auf das Verhalten der elektronischen Zustandsdichte an der Fermikante untersucht. Diese Fragestellung ist besonders wegen der Quasieindimensionalität des Materials interessant. Die Messungen von STS-Spektren in der Nähe der Fermienergie zeigen, dass die Elektronen in der Li0.9Mo6O17-Bronze eine sogenannte Luttingerflüssigkeit ausbilden, die anstatt einer Fermiflüssigkeit in eindimensionalen elektronischen Systemen erwartet wird. Bisher wurde Luttingerflüssigkeitsverhalten erst bei wenigen Materialien und Systemen experimentell nachgewiesen, obschon die theoretischen Voraussagen mehr als 30 Jahre zurückliegen. Ein Charakteristikum einer Luttingerflüssigkeit ist die Abnahme der Zustandsdichte an der Fermienergie mit einem Potenzgesetz. Dieses Verhalten wurde in STS-Spektren dieser Arbeit beobachtet und quantitativ im Rahmen eines Luttingerflüssigkeitsmodells beschrieben. Auch die Temperaturabhängigkeit des Phänomens im Bereich von 5K bis 55K ist konsistent mit der Beschreibung durch eine Luttingerflüssigkeit. Generell zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass die Dimensionalität, insbesondere deren Einschränkung, einen deutlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Systemen und Materialien haben kann.

A Modeling Analysis of Changing Global Land Use as affected by Changing Demands for Wood Products

The 21st century has brought new challenges for forest management at a time when globalization in world trade is increasing and global climate change is becoming increasingly apparent. In addition to various goods and services like food, feed, timber or biofuels being provided to humans, forest ecosystems are a large store of terrestrial carbon and account for a major part of the carbon exchange between the atmosphere and the land surface. Depending on the stage of the ecosystems and/or management regimes, forests can be either sinks, or sources of carbon. At the global scale, rapid economic development and a growing world population have raised much concern over the use of natural resources, especially forest resources. The challenging question is how can the global demands for forest commodities be satisfied in an increasingly globalised economy, and where could they potentially be produced? For this purpose, wood demand estimates need to be integrated in a framework, which is able to adequately handle the competition for land between major land-use options such as residential land or agricultural land. This thesis is organised in accordance with the requirements to integrate the simulation of forest changes based on wood extraction in an existing framework for global land-use modelling called LandSHIFT. Accordingly, the following neuralgic points for research have been identified: (1) a review of existing global-scale economic forest sector models (2) simulation of global wood production under selected scenarios (3) simulation of global vegetation carbon yields and (4) the implementation of a land-use allocation procedure to simulate the impact of wood extraction on forest land-cover. Modelling the spatial dynamics of forests on the global scale requires two important inputs: (1) simulated long-term wood demand data to determine future roundwood harvests in each country and (2) the changes in the spatial distribution of woody biomass stocks to determine how much of the resource is available to satisfy the simulated wood demands. First, three global timber market models are reviewed and compared in order to select a suitable economic model to generate wood demand scenario data for the forest sector in LandSHIFT. The comparison indicates that the ‘Global Forest Products Model’ (GFPM) is most suitable for obtaining projections on future roundwood harvests for further study with the LandSHIFT forest sector. Accordingly, the GFPM is adapted and applied to simulate wood demands for the global forestry sector conditional on selected scenarios from the Millennium Ecosystem Assessment and the Global Environmental Outlook until 2050. Secondly, the Lund-Potsdam-Jena (LPJ) dynamic global vegetation model is utilized to simulate the change in potential vegetation carbon stocks for the forested locations in LandSHIFT. The LPJ data is used in collaboration with spatially explicit forest inventory data on aboveground biomass to allocate the demands for raw forest products and identify locations of deforestation. Using the previous results as an input, a methodology to simulate the spatial dynamics of forests based on wood extraction is developed within the LandSHIFT framework. The land-use allocation procedure specified in the module translates the country level demands for forest products into woody biomass requirements for forest areas, and allocates these on a five arc minute grid. In a first version, the model assumes only actual conditions through the entire study period and does not explicitly address forest age structure. Although the module is in a very preliminary stage of development, it already captures the effects of important drivers of land-use change like cropland and urban expansion. As a first plausibility test, the module performance is tested under three forest management scenarios. The module succeeds in responding to changing inputs in an expected and consistent manner. The entire methodology is applied in an exemplary scenario analysis for India. A couple of future research priorities need to be addressed, particularly the incorporation of plantation establishments; issue of age structure dynamics; as well as the implementation of a new technology change factor in the GFPM which can allow the specification of substituting raw wood products (especially fuelwood) by other non-wood products.

The prediction of seasonal and inter-annual climate variations and their impacts on the water resources in the eastern seaboard of Thailand

The research of this thesis dissertation covers developments and applications of short-and long-term climate predictions. The short-term prediction emphasizes monthly and seasonal climate, i.e. forecasting from up to the next month over a season to up to a year or so. The long-term predictions pertain to the analysis of inter-annual- and decadal climate variations over the whole 21st century. These two climate prediction methods are validated and applied in the study area, namely, Khlong Yai (KY) water basin located in the eastern seaboard of Thailand which is a major industrial zone of the country and which has been suffering from severe drought and water shortage in recent years. Since water resources are essential for the further industrial development in this region, a thorough analysis of the potential climate change with its subsequent impact on the water supply in the area is at the heart of this thesis research. The short-term forecast of the next-season climate, such as temperatures and rainfall, offers a potential general guideline for water management and reservoir operation. To that avail, statistical models based on autoregressive techniques, i.e., AR-, ARIMA- and ARIMAex-, which includes additional external regressors, and multiple linear regression- (MLR) models, are developed and applied in the study region. Teleconnections between ocean states and the local climate are investigated and used as extra external predictors in the ARIMAex- and the MLR-model and shown to enhance the accuracy of the short-term predictions significantly. However, as the ocean state – local climate teleconnective relationships provide only a one- to four-month ahead lead time, the ocean state indices can support only a one-season-ahead forecast. Hence, GCM- climate predictors are also suggested as an additional predictor-set for a more reliable and somewhat longer short-term forecast. For the preparation of “pre-warning” information for up-coming possible future climate change with potential adverse hydrological impacts in the study region, the long-term climate prediction methodology is applied. The latter is based on the downscaling of climate predictions from several single- and multi-domain GCMs, using the two well-known downscaling methods SDSM and LARS-WG and a newly developed MLR-downscaling technique that allows the incorporation of a multitude of monthly or daily climate predictors from one- or several (multi-domain) parent GCMs. The numerous downscaling experiments indicate that the MLR- method is more accurate than SDSM and LARS-WG in predicting the recent past 20th-century (1971-2000) long-term monthly climate in the region. The MLR-model is, consequently, then employed to downscale 21st-century GCM- climate predictions under SRES-scenarios A1B, A2 and B1. However, since the hydrological watershed model requires daily-scale climate input data, a new stochastic daily climate generator is developed to rescale monthly observed or predicted climate series to daily series, while adhering to the statistical and geospatial distributional attributes of observed (past) daily climate series in the calibration phase. Employing this daily climate generator, 30 realizations of future daily climate series from downscaled monthly GCM-climate predictor sets are produced and used as input in the SWAT- distributed watershed model, to simulate future streamflow and other hydrological water budget components in the study region in a multi-realization manner. In addition to a general examination of the future changes of the hydrological regime in the KY-basin, potential future changes of the water budgets of three main reservoirs in the basin are analysed, as these are a major source of water supply in the study region. The results of the long-term 21st-century downscaled climate predictions provide evidence that, compared with the past 20th-reference period, the future climate in the study area will be more extreme, particularly, for SRES A1B. Thus, the temperatures will be higher and exhibit larger fluctuations. Although the future intensity of the rainfall is nearly constant, its spatial distribution across the region is partially changing. There is further evidence that the sequential rainfall occurrence will be decreased, so that short periods of high intensities will be followed by longer dry spells. This change in the sequential rainfall pattern will also lead to seasonal reductions of the streamflow and seasonal changes (decreases) of the water storage in the reservoirs. In any case, these predicted future climate changes with their hydrological impacts should encourage water planner and policy makers to develop adaptation strategies to properly handle the future water supply in this area, following the guidelines suggested in this study.

Diversity, local uses and availability of medicinal plants and wild yams in the Mahafaly region of south-western Madagascar

Short summary: This study was undertaken to assess the diversity of plant resources utilized by the local population in south-western Madagascar, the social, ecological and biophysical conditions that drive their uses and availability, and possible alternative strategies for their sustainable use in the region. The study region, ‘Mahafaly region’, located in south-western Madagascar, is one of the country’s most economically, educationally and climatically disadvantaged regions. With an arid steppe climate, the agricultural production is limited by low water availability and a low level of soil nutrients and soil organic carbon. The region comprises the recently extended Tsimanampetsotsa National Park, with numerous sacred and communities forests, which are threatened by slash and burn agriculture and overexploitation of forests resources. The present study analyzed the availability of wild yams and medicinal plants, and their importance for the livelihood of the local population in this region. An ethnobotanical survey was conducted recording the diversity, local knowledge and use of wild yams and medicinal plants utilized by the local communities in five villages in the Mahafaly region. 250 households were randomly selected followed by semi-structured interviews on the socio-economic characteristics of the households. Data allowed us to characterize sociocultural and socioeconomic factors that determine the local use of wild yams and medicinal plants, and to identify their role in the livelihoods of local people. Species-environment relationships and the current spatial distribution of the wild yams were investigated and predicted using ordination methods and a niche based habitat modelling approach. Species response curves along edaphic gradients allowed us to understand the species requirements on habitat conditions. We thus investigated various alternative methods to enhance the wild yam regeneration for their local conservation and their sustainable use in the Mahafaly region. Altogether, six species of wild yams and a total of 214 medicinal plants species from 68 families and 163 genera were identified in the study region. Results of the cluster and discriminant analysis indicated a clear pattern on resource, resulted in two groups of household and characterized by differences in livestock numbers, off-farm activities, agricultural land and harvests. A generalized linear model highlighted that economic factors significantly affect the collection intensity of wild yams, while the use of medicinal plants depends to a higher degree on socio-cultural factors. The gradient analysis on the distribution of the wild yam species revealed a clear pattern for species habitats. Species models based on NPMR (Nonparametric Multiplicative Regression analysis) indicated the importance of vegetation structure, human interventions, and soil characteristics to determine wild yam species distribution. The prediction of the current availability of wild yam resources showed that abundant wild yam resources are scarce and face high harvest intensity. Experiments on yams cultivation revealed that germination of seeds was enhanced by using pre-germination treatments before planting, vegetative regeneration performed better with the upper part of the tubers (corms) rather than the sets of tubers. In-situ regeneration was possible for the upper parts of the wild tubers but the success depended significantly on the type of soil. The use of manure (10-20 t ha¹) increased the yield of the D. alata and D. alatipes by 40%. We thus suggest the promotion of other cultivated varieties of D. alata found regions neighbouring as the Mahafaly Plateau.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.