Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Die vergessene Dimension

Die in den letzten 20 Jahren zu beobachtende Gesundheitswelle und die steigende Nachfrage nach gesundheitsbezogenen Bildungsangeboten steht eine immer noch in den Anfaengen steckende theoretisch-konzeptionelle Reflexion und Absicherung gegenüber. Im pädagogischen Handlungsfeld ist eine grundsätzliche Auseinandersetzung mit der Gesundheitbildung dringend erforderlich. Dieses Unterfangen wird nicht gerade dadurch erleichtert, dass sich das allgemeine Bewusstsein von Gesundheit und Krankheit in den letzten Jahren stark gewandelt hat. Immer mehr gewinnt die Einsicht an Bedeutung, dass selten eine Einflussgröße allein, sondern mehrere Faktoren und ihr Zusammenwirken zu Erkrankungen führen. Auf diesen Sachverhalt hat bereits 1946 die Weltgesundheitsorganisation (WHO) verwiesen, indem sie Gesundheit als Zustand des körperlichen, seelischen und sozialen Wohlbefindens und nicht nur als das Freisein von Krankheit und Gebrechen definiert. Eine Gesundheitsbildung, die dies berücksichtigt, ist vorrangig auf Gesundheit und den Prozess zwischen Gesundheit und Krankheit ausgerichtet. Sie bezieht Gefährdungen mit ein, die aus den sozialen und ökologischen Gegebenheiten erwachsen und verfolgt das Ziel, jedem Menschen seinen eigenen, besonderen Weg zur Gesundheit zu ermöglichen und ihn zur Wahrnehmung seiner Interessen im persönlichen und gesellschaftlichen Umfeld zu befähigen. Angebote, Didaktik und Methoden einer so verstandenen, integrativen Gesundheitsbildung an der VHS sollen deshalb darauf ausgerichtet sein, soziales und partizipatorisches Lernen zu initiieren, Zusammenhänge zu erschließen und die Kompetenz und Autonomie der Teilnehmer/innen zu fördern. Schließlich sollen Chancen und Grenzen einer Professionalisierung innerhalb der Gesundheitsbildung exemplarisch am Beispiel eines Lehrgangs für GesundheitsbildnerInnen verdeutlicht werden. Das Interesse am Thema entstand durch die langjährige Kursleitertätigkeit am Fachbereich Gesundheit und Umwelt des Bildungszentrums in Nürnberg. Auch die Zusammenarbeit mit dem Bayerischen Volkshochschulverband, die in der Gestaltung und Durchführung von Qualifizierungslehrgängen zum Gesundheitsbildner bestand, ermöglichten die Sammlung von vielen Hintergrundinformationen, die wesentlich für die vorliegende Arbeit waren. Für die Ermöglichung der Auseinandersetzung mit der vorliegenden Thematik und den damit verbundenen Erfahrungen möchte ich meinen besonderen Dank Marco Bielser, Fachbereichsleiter am BZ Nürnberg und den Herren Prof. Dr. Dr. Rolf Schwendter und Prof. Dr. Werner Thole für die wohlwollende Unterstützung aussprechen.

Optimal Sub-Pixel arrangements and coding for ultra-high resolution three-dimensional OLED displays

Information display technology is a rapidly growing research and development field. Using state-of-the-art technology, optical resolution can be increased dramatically by organic light-emitting diode - since the light emitting layer is very thin, under 100nm. The main question is what pixel size is achievable technologically? The next generation of display will considers three-dimensional image display. In 2D , one is considering vertical and horizontal resolutions. In 3D or holographic images, there is another dimension – depth. The major requirement is the high resolution horizontal dimension in order to sustain the third dimension using special lenticular glass or barrier masks, separate views for each eye. The high-resolution 3D display offers hundreds of more different views of objects or landscape. OLEDs have potential to be a key technology for information displays in the future. The display technology presented in this work promises to bring into use bright colour 3D flat panel displays in a unique way. Unlike the conventional TFT matrix, OLED displays have constant brightness and colour, independent from the viewing angle i.e. the observer's position in front of the screen. A sandwich (just 0.1 micron thick) of organic thin films between two conductors makes an OLE Display device. These special materials are named electroluminescent organic semi-conductors (or organic photoconductors (OPC )). When electrical current is applied, a bright light is emitted (electrophosphorescence) from the formed Organic Light-Emitting Diode. Usually for OLED an ITO layer is used as a transparent electrode. Such types of displays were the first for volume manufacture and only a few products are available in the market at present. The key challenges that OLED technology faces in the application areas are: producing high-quality white light achieving low manufacturing costs increasing efficiency and lifetime at high brightness. Looking towards the future, by combining OLED with specially constructed surface lenses and proper image management software it will be possible to achieve 3D images.

The social dimension: a neglected policy item in the Bologna Process

Since its beginning in 1999, the Bologna Process has influenced various aspects of higher education in its member countries, e.g., degree structures, mobility, lifelong learning, social dimension and quality assurance. The social dimension creates the focus of this research. The social dimension entered the Bologna Process agenda in 2001. Despite a decade of reforms, it somehow remained as a vague element and received low scholarly attention. This research addresses to this gap. Firstly, different meanings of the social dimension according to the major European policy actors are analysed. Unfolding the understandings of the actors revealed that the social dimension is mostly understood in terms reflecting the diversity of population on the student body accessing to, progressing in and completing higher education, with a special concern on the underrepresented groups. However, it is not possible to observe a similar commonality concerning the actual policy measures to achieve this goal. Divergence occurs with respect to the addressed underrepresented groups, i.e., all underrepresented groups or people without formal qualifications and mature learners, and the values and institutional interests traditionally promoted by these actors. Secondly, the dissertation discusses the reflection of this social dimension understanding at the national level by looking at cases of Finland, Germany and Turkey. The in-depth analyses show an awareness of the social dimension among most of the national Bologna Process actors and a common understanding of the social dimension goals. However, this understanding has not triggered action in any of the countries. The countries acted on areas which they defined problematic before the Bologna Process. Finally, based on these findings the dissertation discusses the social dimension as a policy item that managed to get into the Bologna Process agenda, but neither grew into an implementable policy, nor drop out of it. To this aim, it makes use of the multiple streams framework and explains the low agenda status social dimension with: i. the lack of a pressing problem definition: the lack of clearly defined indicators and a comprehensive monitoring system, ii. the lack of a viable solution alternative: the proposal of developing national strategies and action plans closed the way to develop generic guidelines for the social dimension to be translated into national policy processes, iii. low political perceptivity: the recent trends opt for increasing efficiency, excellence and exclusiveness discourses rather than ensuring equality and inclusiveness iv. high constraints: the social dimension by definition requires more public funding which is less appreciated and strategic constraints of the actors in allocating their resources v. the type of policy entrepreneur: the social dimension is promoted by an international stakeholder, the European Students’ Union, instead of the ministers responsible for higher education The social dimension remains a policy item in the Bologna Process which is noble enough to agree but not urgent enough to act on.

Influence of pre-plant densities of Meloidogyne incognita on growth and root infestation of spinach (Spinacia oleracea L.) (Amaranthaceae) – an important dimension towards enhancing crop production

Vegetables represent a main source of micro-nutrients which can improve the health status of malnourished poor in the world. Spinach (Spinacia oleracea L.) is a popular leafy vegetable in many countries which is rich with several important micro-nutrients. Thus, consuming Spinach helps to overcome micro-nutrient deficiencies. Pests and pathogens act as major yield constraints in food production. Root-knot nematodes, Meloidogyne species, constitute a large group of highly destructive plant pests. Spinach is found to be highly susceptible for these nematode attacks. Though agricultural production has largely benefited from modern technologies and innovations, some important dimensions which can minimize the yield losses have been neglected by most of the growers. Pre-plant or initial nematode density in soil is a crucial biotic factor which is directly responsible for crop losses. Hence, information on preplant nematode densities and the corresponding damage is of vital importance to develop successful control procedures to enhance crop production. In the present study, effect of seven initial densities of M. incognita, i.e., 156, 312, 625, 1250, 2,500, 5,000 and 10,000 infective juveniles (IJs)/plant (equivalent to 1000cm3 soil) on the growth and root infestation on potted spinach plants was determined in a screen house. In order to ensure a high accuracy, root infestation was ascertained by the number of galls formed, the percentage galled-length of feeder roots and galled-feeder roots, and egg production, per plant. Fifty days post-inoculation, shoot length and weight, and root length were suppressed at the lowest IJs density. However, the pathogenic effect was pronounced at the highest density at which 43%, 46% and 45% reduction in shoot length and weight, and root length, respectively, was recorded. The highest reduction in root weight (26%) was detected at the second highest density. The Number of galls and percentage galled-length of feeder roots/per plant showed significant progressive increase across the increasing IJs density with the highest mean value of 432.3 and 54%, respectively. The two shoot growth parameters and root length showed significant inverse relationship with the increasing gall formation. Moreover, the shoot and root length were shown to be mutually dependent on each other. Suppression of shoot growth of spinach greatly affects the grower’s economy. Hence, control measures are essentially needed to ensure a better production of spinach via reducing the pre-plant density below the level of 0.156 IJs/cm3.