Ferroelektrische Netzwerksynthese und ihre Charakterisierung

Deutsch:Diese Arbeit beschäftigt sich zum einen mit der Synthese neuer, vernetzbarer, ferroelektrischer Verbindungen, welche eine höhere spontane Polarisation und damit ein besseres Schaltverhalten nach Vernetzung aufweisen sollten. Dazu wurde in bekannte Systemen die Halogene Fluor, Chlor und Brom erfolgreich eingebaut. Desweiteren konnten neue Untersuchungmethoden für ferroelektrische, flüssigkristalline Netzwerke erfolgreich angewendet und weiterentwickelt werden. Damit gelang es z. B. neue Erkenntnisse über die elastischen Eigenschaften von LC-Elastomeren zu gewinnen, wobei es erstmalig gelang, Seifenblasen aus LC-Polymeren herzustellen und durch UV-Bestrahlung zu vernetzen. Durch die Messung des Radius in Abhängigkeit des Druckes war es möglich festzustellen, daß sich das Verhalten des Polymers, welches zunächst oberflächenspannungskontrolliert war, nach UV-Bestrahlung, in ein elastisches Verhalten änderte. Aus der Radius vs. Druckbeziehung war es möglich, Daten über die elastischen Eigenschaften zu erhalten. Die Ballone zeigten dabei typische, gummielastische Eigenschaften. Ein Einfluß der Mesophase (d.h. SA oder SC-Phase) auf die Eigenschaften der Ballone konnte dabei nicht festgestellt werden. Für die beiden hier untersuchten Systeme des inter- und intralyer vernetzbaren System konnte festgestellt werden, daß ihr elastisches Verhalten sehr ähnlich ist, ganz im Gegensatz zu den früheren elektrooptischen Untersuchungen. D. h. beide Systeme zeigten nach der Vernetzung bis auf einen Faktor 2 das gleiche elastische Verhalten. Im Gegensatz zu nematischen Elastomeren, welche am Phasenübergang zum Teil große thermoelastische Änderungen zeigen, zeigten die hier untersuchten Elastomere keine Änderung der elastischen Eigenschaften beim Phasenübergang, was sich u.a. auf die relativ hohen Vernetzungsdichten zurückführen läßt. Weiterhin wurde die Elektrostriktion in ferroelektrischen flüssigkristallinen Elastomerenfilmen untersucht, welche zu einem neuen Weltrekord des elektrostriktiven Effektes führte. Es wurden Schichtdickenänderungen von 4% bei einem angelegten Feld von 1,5 kV gemessen. Röntgenstreuexperimente an gespincoateten, vernetzten Polymerfilmen haben überdies gezeigt, daß der gemessene Effekt voll und ganz auf den elektroklinen Effekt zurück zu führen ist. Zum Schluß wurde ein neuer Weg ausgearbeitet, um flüssigkristalline Netzwerke unter Einsatz von weniger präparativer Chemie zu erhalten. Dazu wurde die Möglichkeit der Netzwerkbildung mit organischen Gelbildnern untersucht. In diesem Zusammenhang ist es erstmalig gelungen, ferroelektrische Flüssigkristalle reversibel in dem einen oder anderen Zustand orientiert zu stabilisieren, wobei beliebig oft zwischen den stabilisierten Zuständen gewechselt werden konnte.

Electrode Materials for Ionic Liquid Based-Supercapacitors

The development of safe, high energy and power electrochemical energy-conversion systems can be a response to the worldwide demand for a clean and low-fuel-consuming transport. This thesis work, starting from a basic studies on the ionic liquid (IL) electrolytes and carbon electrodes and concluding with tests on large-size IL-based supercapacitor prototypes demonstrated that the IL-based asymmetric configuration (AEDLCs) is a powerful strategy to develop safe, high-energy supercapacitors that might compete with lithium-ion batteries in power assist-hybrid electric vehicles (HEVs). The increase of specific energy in EDLCs was achieved following three routes: i) the use of hydrophobic ionic liquids (ILs) as electrolytes; ii) the design and preparation of carbon electrode materials of tailored morphology and surface chemistry to feature high capacitance response in IL and iii) the asymmetric double-layer carbon supercapacitor configuration (AEDLC) which consists of assembling the supercapacitor with different carbon loadings at the two electrodes in order to exploit the wide electrochemical stability window (ESW) of IL and to reach high maximum cell voltage (Vmax). Among the various ILs investigated the N-methoxyethyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR1(2O1)TFSI) was selected because of its hydrophobicity and high thermal stability up to 350 °C together with good conductivity and wide ESW, exploitable in a wide temperature range, below 0°C. For such exceptional properties PYR1(2O1)TFSI was used for the whole study to develop large size IL-based carbon supercapacitor prototype. This work also highlights that the use of ILs determines different chemical-physical properties at the interface electrode/electrolyte with respect to that formed by conventional electrolytes. Indeed, the absence of solvent in ILs makes the properties of the interface not mediated by the solvent and, thus, the dielectric constant and double-layer thickness strictly depend on the chemistry of the IL ions. The study of carbon electrode materials evidences several factors that have to be taken into account for designing performing carbon electrodes in IL. The heat-treatment in inert atmosphere of the activated carbon AC which gave ACT carbon featuring ca. 100 F/g in IL demonstrated the importance of surface chemistry in the capacitive response of the carbons in hydrophobic ILs. The tailored mesoporosity of the xerogel carbons is a key parameter to achieve high capacitance response. The CO2-treated xerogel carbon X3a featured a high specific capacitance of 120 F/g in PYR14TFSI, however, exhibiting high pore volume, an excess of IL is required to fill the pores with respect to that necessary for the charge-discharge process. Further advances were achieved with electrodes based on the disordered template carbon DTC7 with pore size distribution centred at 2.7 nm which featured a notably high specific capacitance of 140 F/g in PYR14TFSI and a moderate pore volume, V>1.5 nm of 0.70 cm3/g. This thesis work demonstrated that by means of the asymmetric configuration (AEDLC) it was possible to reach high cell voltage up to 3.9 V. Indeed, IL-based AEDLCs with the X3a or ACT carbon electrodes exhibited specific energy and power of ca. 30 Wh/kg and 10 kW/kg, respectively. The DTC7 carbon electrodes, featuring a capacitance response higher of 20%-40% than those of X3a and ACT, respectively, enabled the development of a PYR14TFSI-based AEDLC with specific energy and power of 47 Wh/kg and 13 kW/kg at 60°C with Vmax of 3.9 V. Given the availability of the ACT carbon (obtained from a commercial material), the PYR1(2O1)TFSI-based AEDLCs assembled with ACT carbon electrodes were selected within the EU ILHYPOS project for the development of large-size prototypes. This study demonstrated that PYR1(2O1)TFSI-based AEDLC can operate between -30°C and +60°C and its cycling stability was proved at 60°C up to 27,000 cycles with high Vmax up to 3.8 V. Such AEDLC was further investigated following USABC and DOE FreedomCAR reference protocols for HEV to evaluate its dynamic pulse-power and energy features. It was demonstrated that with Vmax of 3.7 V at T> 30 °C the challenging energy and power targets stated by DOE for power-assist HEVs, and at T> 0 °C the standards for the 12V-TSS and 42V-FSS and TPA 2s-pulse applications are satisfied, if the ratio wmodule/wSC = 2 is accomplished, which, however, is a very demanding condition. Finally, suggestions for further advances in IL-based AEDLC performance were found. Particularly, given that the main contribution to the ESR is the electrode charging resistance, which in turn is affected by the ionic resistance in the pores that is also modulated by pore length, the pore geometry is a key parameter in carbon design not only because it defines the carbon surface but also because it can differentially “amplify” the effect of IL conductivity on the electrode charging-discharging process and, thus, supercapacitor time constant.

Synthese von flüssigkristallinen Polysiloxanen und Charakterisierung der smektischen Phasen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der smektischen Phasen von Polysiloxanen mit flüssigkristallinen Seitengruppen (LC-Polysiloxane). Der erste Teil der vorliegenden Arbeit befasste sich mit der Herstellung verschiedener flüssigkristalliner ferroelektrischer Polysiloxane. Die Polymere wurden in Bezug auf das verwendete Polymerrückgrat (Homo- und Copolysiloxan) sowie durch den zusätzlichen Einbau von vernetzbaren Seitengruppen variiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Eigenschaften der smektischen Phasen der hergestellten Substanzen näher untersucht. Ein erster Untersuchungsgegenstand war das Dehnungsverhalten von freistehenden flüssigkristallinen Elastomerfilmen (LCE). Bei der Verwendung eines Polymers, in dem nur ein Teil des Polysiloxanrückgrats mit Seitengruppen substituiert ist, wird die uniaxiale Dehnung des Films parallel zu den smektischen Schichten durch eine gleichmäßige Kontraktion in der Filmebene und parallel zur Schichtnormalen ausgeglichen, was auf einen außergewöhnlich niedrigen smektischen Schichtkompressionsmodul zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu ist dieser Modul bei den Homopolymersystemen so groß, dass praktisch senkrecht zu den smektischen Schichten keine Kontraktion stattfindet. Ein zweiter Untersuchungsgegenstand der Netzwerkbildung bestand in der Bestimmung der dynamisch-mechanischen Eigenschaften der LC-Polysiloxane mittels eines Oszillationsrheometers. Hier erfolgten die Messungen von Speicher- und Verlustmodul in Abhängigkeit vom Polymerrückgrat und von der Vernetzung. Die unvernetzten Systeme zeigten in den smektischen Phasen (oberhalb Tg) noch – im wesentlichen – Festkörpereigenschaften (physikalische Vernetzung) mit einem dominierenden Speichermodul beim LC-Homopolysiloxan. Beim LC-Copolysiloxan haben beide Module eine gleiche Größenordnung. Am Phasenübergang in die isotrope Phase wurden beide Module absolut kleiner, der Verlustmodul aber relativ größer. In der isotropen Phase verhalten sich die LC-Polymere damit überwiegend wie viskose Schmelzen. Außerdem korrelierten die mittels DSC bestimmten Phasenübergangstemperaturen mit einer Änderung der dynamisch-mechanischen Eigenschaften. Nach der Vernetzung dominierte der Speichermodul sowohl beim LC-Homo- als auch beim LC-Copolysiloxan bis in die isotrope Phase, und es war aufgrund der Bildung einer festen Netzwerkstruktur keine Abhängigkeit der Module von Phasenübergängen mehr erkennbar. Als dritter Untersuchungsgegenstand wurde der Phasenübergang zwischen den beiden smektischen Phasen (SmC* nach SmA*) der flüssigkristallinen Polysiloxane näher behandelt. Als wichtigstes Ergebnis ist festzuhalten, dass die verdünnten LC-Polysiloxane an diesem Übergang fast keine Schichtdickenänderung aufweisen. Dazu wurde jeweils die röntgenographisch ermittelte Schichtdicke mit der aus den optischen Tiltwinkeln theoretisch berechneten Schichtdicke verglichen. Dadurch konnte gezeigt werden, dass sich die Phasenübergänge nach dem de Vries-Modell verhalten. Damit konnte zum ersten Mal an Polymersystemen ein de Vries-Verhalten nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu zeigte das Homopolysiloxan mit dem Dreiringmesogen beim Übergang von SmC* nach SmA* einen ausgeprägten Sprung in der Schichtdicke. Wie auch durch DSC-Messungen nachweisbar, lag ein Phasenübergang 1. Ordnung vor. Bei den LC-Copolysiloxanen liegt dagegen ein Phasenübergang 2. Ordnung vor. Schließlich wurde die Schichtdicke unter dem Einfluss der Vernetzung untersucht. Beim LC-Copolysiloxan mit dem Dreiringmesogen und einem Anteil an vernetzbaren Gruppen von 15 % wurde eine Stabilisierung der smektischen Phasen erreicht. Zum einen war die Änderung der Schichtdicke am SmC*-SmA*-Phasenübergang geringer im Vergleich zum unvernetzten System und zum anderen war noch 50 °C über der ursprünglichen Klärtemperatur eine smektische Schichtstruktur röntgenographisch nachzuweisen. Insgesamt ist es mit den verschiedenen Untersuchungsmethoden gelungen, einen systematischen Unterschied zwischen smektischen Homo- und Copolysiloxanen aufzuzeigen, der seinen Ursprung – aller Wahrscheinlichkeit nach – in der Mikrophasenseparation von Mesogenen und Polysiloxanketten findet.

Untersuchung von NEA-Photokathoden mittels zeitlich hochauflösender Vermessung von Intensitäts- und Spinpolarisationsverteilungen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA) mittels zeitlich hochauflösender Vermessung der emittierten Ladungs- und Spinpolarisationsverteilungen nach Anregung mit einem ultrakurzen Laserpuls. Untersucht wurden uniaxial deformierte GaAsP-Photokathoden mit dünnen emittierenden Schichten (≤150nm), sowie undeformierte GaAs-Photokathoden mit unterschiedlichen Schichtdicken. Die Untersuchungen wurden an einer 100keV-Elektronenquelle durchgeführt, wie sie am Mainzer Mikrotron (MAMI) zur Erzeugung eines Spinpolarisierten Elektronenstrahls verwendet wird. Mit der Apparatur konnte eine Zeitauflösung von 2,5ps erreicht werden. Es zeigte sich, dass die tatsächliche Antwortzeit der Photokathoden die erreichte Zeitauflösung noch unterschreitet. Eine Depolarisation in den kurzen, wegen der Zeitauflösung auf 2,5ps begrenzten, Elektronenpulsen konnte aber nachgewiesen werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Polarisationsverlust der emittierten Elektronen bei dünnen Schichten im Wesentlichen auf eine energiekorrelierte Depolarisation beim Durchqueren der Bandbiegungszone zurückzuführen ist. Als weiteres Resultat wird, für die GaAsP-Photokathoden mit einer Schichtdicke von 150nm, eine Obergrenze für die mittlere Emissionszeit von ≤1,25ps angegeben. Daraus ergibt sich nach dem hier verwendeten Diffusionsmodell eine Untergrenze für die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Bandbiegungszone von S≥1,2·10^7 cm/s.

Photofixierung von Lipidmembranen aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen

Ziel war Herstellung und Charakterisierung festkörperunterstützter Membransysteme aus Glykolipopolymeren auf Goldoberflächen, mit elektrischen Eigenschaften, die denen der Schwarzfilmmembranen entsprechen. Um diese Eigenschaften mit impedanzspektroskopischen Techniken messen zu können, ist die Präparation der Membranen auf Goldfilmen notwendig. Eine direkte Verankerung der Glykolipopolymermoleküle (GLP) auf der Goldoberfläche ist nicht möglich, daher werden die untersuchten GLP mit Hilfe von photoreaktiven Molekülen kovalent auf der Goldoberfläche immobilisiert. Untersuchten Abstandhalter waren Thio-Polyethylenglykol und eine Mischung zweier Alkanthiole, bestehend aus 1-Thiohexanol und Bis-(Aminododecyl)-disulfid. Thio-PEG-Monoschichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken, weil die Moleküle auf der Oberfläche sehr unterschiedliche Konformationen annehmen können, die eine regelmässige Anordnung erschweren. Langmuir-Blodgett Übertrag sowie die durchgeführte photochemische Fixierung der GLP-Moleküle auf Thio-PEG Schichten führte zu Eigenschaften, die auf den Aufbau einer Lipidmonolage hinweisen. Diese stellte jedoch im Bereich der Lipidmoleküle keine geschlossene Schicht dar. Es kommen als Abstandhaltermoleküle für die Photofunktionalisierung nur Moleküle in Frage, die aufgrund ihrer Eigenschaften eine regelmässige Anordnung auf der Goldoberfläche anstreben. Diese Voraussetzung erfüllt am besten die Gruppe der Alkanthiole. Terminal funktionalisierte Alkanthiole müssen jedoch mit nicht oder anderweitig funktionalisierten Alkanthiolen verdünnt assembliert werden, um weitergehende Funktionalisierungen einzugehen. Die untersuchten GLP lassen sich aufgrund ihrer amphiphilen Struktur an der Wasser-Luft Grenzfläche vororientieren. In allen Fällen gelingt auch der Langmuir-Blodgett Übertrag der komprimierten Schicht, sowie, nach der für die Anbindung notwendigen Trocknung, die photochemisch kovalente Fixierung der Monoschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht. Damit konnte erstmals die photochemisch kovalente Fixierung von GLPs auf der Goldoberfläche gezeigt werden. Untersuchungen erfolgten an einem Copolymer sowie zwei unterschiedlichen Homopolymermolekülen. Der unterschiedliche molekulare Aufbau der GLP spiegelt sich in ihrem Verhalten an der Wasser-Luft Grenzfläche sowie in den Eigenschaften der gebildeten Monoschichten wieder. Die Copolymer-Schichten zeigten sehr unterschiedliche Schichtdicken. Auch die EIS-Daten sind schlecht reproduzierbar. Dies ist auf die molekulare Struktur des Copolymers zurückzuführen. Gänzlich unterschiedlich verhalten sich die Homopolymere. Aufgrund ihrer Struktur lassen sie sich zu dichten Schichten komprimieren. Messungen der Fluoreszenzerholung nach Photobleichung (FRAP) zeigen homogene aber nicht fluide Schichten. Die photochemisch kovalente Fixierung des Moleküls auf der Goldoberfläche konnte durch SPR- sowie EIS-Messungen nachgewiesen werden. Die EIS-Messungen zeigen Werte, die sich in Bereichen der idealen Modellmembran bewegen. Der erfolgreiche Einbau von Valinomycin konnte bestätigt werden. FRAP Untersuchungen zeigten die Bildung homogener Schichten. Diese sind jedoch im Bereich der proximalen Lipidschicht nicht fluide. Um die Fluidität in Anlehnung an die Eigenschaften der natürlichen Membranen zu erhöhen, wurden die photochemisch kovalent fixierten Anker-Glykolipopolymer-Moleküle durch Mischung mit freien Lipiden lateral verdünnt. Auch die kovalente Fixierung der GLP-Bausteine innerhalb gemischten Schichten konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Schichten zeigten sich jedoch, mit Ausnahme der Schichten aus 50mol% Homopolymer und 50mol% Lipid, inhomogen. Nach Photobleichung durch den Laserblitz kam es nur bei den 50mol%:50mol% -Schichten (Ho: Lipid) zur Erholung der Fluoreszenz, was auf das Vorliegen von beweglichen Lipidmolekülen innerhalb der Membran schliessen lässt. Der Versuch der Inkorporation von Valinomycin gelang ebenfalls. Alle genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die molekulare Architektur der hergestellten Schichten durch die unterschiedlichen Längendimensionen des Homopolymer-Moleküls einerseits, sowie des Lipids andererseits nicht für alle Mischungsverhältnisse ausreichend stabil ist. Die für die kovalente Fixierung erforderliche Trocknung der Schicht führt zu einer deutlichen Verminderung des Wassergehaltes des Systems und einer daraus resultierenden starken Destabilisierung der aufgebauten Schichten. Insgesamt gesehen stellt somit die photochemische Fixierung der glykosidischen Homopolymer-Membranen ein vielversprechendes Modellsystem dar.

ATRP-Synthese von Poly(N-Isopropylacrylamid)-Bürsten in wässrigem Medium und Anpassung des Nano-Plotters zur Beschichtung von Mikrocantilever-Sensoren

Das Ziel dieser Arbeit ist die Synthese von Polymerbürsten auf Silizium durch Aufbringen der Reaktionslösung mit einem Pipettiersystem. Dies ist für die Beschichtung von Microcantilever Sensoren interessant, um spezifische Fühler mit funktionellen Polymerschichten, die auf chemische oder physikalische Einflüsse reagieren, zu bauen. Bisherige Synthesemethoden werden in Lösung durchgeführt. Atom Transfer Radical Polymerization ist etabliert, um definierte Schichten von Polymerbürsten herzustellen. Die Kombination mit einer “Spot Printing”-Technik kann eine Alternative sein, um einzelne Cantilever mit einer Breite von 90 μm und einer Länge von 750 μm zu beschichten. Dafür wurde eine Chemie getestet, die mit dem Pipettiersystem Nano-Plotter der Firma Gesim umsetzbar ist. Aus einer Mischung aus Wasser und DMF wurden Poly(N-Isopropylacrylamid)-Bürsten auf Silizium mit Schichtdicken bis zu 40 nm hergestellt. Es war nötig den Nano-Plotter anzupassen, damit zum einen auf die Microcantilever Sensoren pipettiert werden kann und zum andern die Nanoliter großen Tropfen über den Reaktionszeitraum stabil sind. Auf diese Weise konnten Linien mit einer Schichtdicke von ca. 2 nm auf Siliziumwafer hergestellt werden. Die “Spot-Printing” Methode ist daher eine gute Ergänzung zur herkömmlichen Synthese.

Self assembled materials for solar cell application

In der vorliegenden Arbeit wurden Materialien und Aufbauten für Hybrid Solarzellen entwickelt und erforscht. rnDer Vergleich zweier bekannter Lochleitermaterialien für Solarzellen in einfachen Blend-Systemen brachte sowohl Einsicht zur unterschiedlichen Eignung der Materialien für optoelektronische Bauelemente als auch neue Erkenntnisse in Bereichen der Langzeitstabilität und Luftempfindlichkeit beider Materialien.rnWeiterhin wurde eine Methode entwickelt, um Hybrid Solarzelle auf möglichst unkomplizierte Weise aus kostengünstigen Materialien darzustellen. Die „Eintopf“-Synthese ermöglicht die unkomplizierte Darstellung eines funktionalen Hybridmaterials für die optoelektronische Anwendung. Mithilfe eines neu entwickelten amphiphilen Blockcopolymers, das als funktionelles Templat eingesetzt wurde, konnten mit einem TiO2-Precursor in einem Sol-Gel Ansatz verschiedene selbstorganisierte Morphologien des Hybridmaterials erhalten werden. Verschiedene Morphologien wurden auf ihre Eignung in Hybrid Solarzellen untersucht. Ob und warum die Morphologie des Hybridsystems die Effizienz der Solarzelle beeinflusst, konnte verdeutlicht werden. Mit der Weiterentwicklung der „Eintopf“-Synthese, durch den Austausch des TiO2-Precursors, konnte die Solarzelleneffizienz von 0.15 auf 0.4 % gesteigert werden. Weiterhin konnte die Übertragbarkeit des Systems durch den erfolgreichen Austausch des Halbleiters TiO¬2 mit ZnO bewiesen werden.rn

Contributo sperimentale alla ridefinizione della diffusione in parete della camera di prova della galleria del vento Dallara

Joseph Nicolas Cugnot built the first primitive car in 1769 and approximately one hundred year later the first automotive race took place. Thanks to this, for the first time the aerodynamics principles began to be applied to cars. The aerodynamic study of a car is important to improve the performance on the road, or on the track. It purposely enhances the stability in the turns and increases the maximum velocity. However, it is also useful, decrease the fuel consumption, in order to reduce the pollution. Given that cars are a very complex body, the aerodynamic study cannot be conducted following an analytical method, but it is possible, in general, to choose between two different approaches: the numerical or the experimental one. The results of numerical studies depend on the computers’ potential and on the method use to implement the mathematical model. Today, the best way to perform an aerodynamic study is still experimental, which means that in the first phase of the design process the study is performed in a wind tunnel and in later phases directly on track. The automotive wind tunnels are singular mainly due to the test chamber, which typically contains a ground simulation system. The test chamber can have different types of walls: open walls, closed walls, adaptive walls or slotted walls. The best solution is to use the slotted walls because they minimize the interference between the walls and the streamlines, the interaction between the flow and the environment, and also to contain the overall costs. Furthermore, is necessary minimize the boundary layer at the walls, without accelerating the flow, in order to provide the maximum section of homogeneous flow. This thesis aims at redefining the divergent angle of the Dallara Automobili S.P.A. wind tunnel’s walls, in order to improve the overall homogeneity. To perform this study it was necessary to acquire the pressure data of the boundary layer, than it was created the profile of the boundary layer velocity and, to minimize the experimental errors, it was calculated the displacement thickness. The results obtained shows, even if the instrument used to the experiment was not the best one, that the boundary layer thickness could be minor in case of a low diffusion angle. So it is convenient to perform another experiment with a most sensitive instrument to verified what is the better wall configuration.

The effect of elastic modulus and equilibrium vapor adsorption on capillary forces

Die Kapillarkraft entsteht durch die Bildung eines Meniskus zwischen zwei Festkörpen. In dieser Doktorarbeit wurden die Auswirkungen von elastischer Verformung und Flϋssigkeitadsorption auf die Kapillarkraft sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops wurde die Kapillarkraft zwischen eines Siliziumoxid Kolloids von 2 µm Radius und eine weiche Oberfläche wie n.a. Polydimethylsiloxan oder Polyisopren, unter normalen Umgebungsbedingungen sowie in variierende Ethanoldampfdrϋcken gemessen. Diese Ergebnisse wurden mit den Kapillarkräften verglichen, die auf einem harten Substrat (Silizium-Wafer) unter denselben Bedingungen gemessen wurden. Wir beobachteten eine monotone Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck (P) fϋr P/Psat > 0,2, wobei Psat der Sättigungsdampfdruck ist.rnUm die experimentellen Ergebnisse zu erklären, wurde ein zuvor entwickeltes analytisches Modell (Soft Matter 2010, 6, 3930) erweitert, um die Ethanoladsorption zu berϋcksichtigen. Dieses neue analytische Modell zeigte zwei verschiedene Abhängigkeiten der Kapillarkraft von P/Psat auf harten und weichen Oberflächen. Fϋr die harte Oberfläche des Siliziumwafers wird die Abhängigkeit der Kapillarkraft vom Dampfdruck vom Verhältnis der Dicke der adsorbierten Ethanolschicht zum Meniskusradius bestimmt. Auf weichen Polymeroberflächen hingegen hängt die Kapillarkraft von der Oberflächenverformung und des Laplace-Drucks innerhalb des Meniskus ab. Eine Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck hat demnach eine Abnahme des Laplace-Drucks mit zunehmendem Meniskusradius zur folge. rnDie analytischen Berechnungen, fϋr die eine Hertzsche Kontakt-deformation angenommen wurde, wurden mit Finit Element Methode Simulationen verglichen, welche die reale Deformation des elastischen Substrats in der Nähe des Meniskuses explizit berϋcksichtigen. Diese zusätzliche nach oben gerichtete oberflächenverformung im Bereich des Meniskus fϋhrt zu einer weiteren Erhöhung der Kapillarkraft, insbesondere fϋr weiche Oberflächen mit Elastizitätsmodulen < 100 MPa.rn

Interfacial interactions, charge transport and growth phenomena in Organic Field Effect Transistors

Organic electronics is an emerging field with a vast number of applications having high potential for commercial success. Although an enormous progress has been made in this research area, many organic electronic applications such as organic opto-electronic devices, organic field effect transistors and organic bioelectronic devices still require further optimization to fulfill the requirements for successful commercialization. The main bottle neck that hinders large scale production of these devices is their performances and stability. The performance of the organic devices largely depends on the charge transport processes occurring at the interfaces of various material that it is composed of. As a result, the key ingredient needed for a successful improvement in the performance and stability of organic electronic devices is an in-depth knowledge of the interfacial interactions and the charge transport phenomena taking place at different interfaces. The aim of this thesis is to address the role of the various interfaces between different material in determining the charge transport properties of organic devices. In this framework, I chose an Organic Field Effect Transistor (OFET) as a model system to carry out this study as it An OFET offers various interfaces that can be investigated as it is made up of stacked layers of various material. In order to probe the intrinsic properties that governs the charge transport, we have to be able to carry out thorough investigation of the interactions taking place down at the accumulation layer thickness. However, since organic materials are highly instable in ambient conditions, it becomes quite impossible to investigate the intrinsic properties of the material without the influence of extrinsic factors like air, moisture and light. For this reason, I have employed a technique called the in situ real-time electrical characterization technique which enables electrical characterization of the OFET during the growth of the semiconductor.

Annual layering in the NGRIP ice core during the Eemian

The Greenland NGRIP ice core continuously covers the period from present day back to 123 ka before present, which includes several thousand years of ice from the previous interglacial period, MIS 5e or the Eemian. In the glacial part of the core, annual layers can be identified from impurity records and visual stratigraphy, and stratigraphic layer counting has been performed back to 60 ka. In the deepest part of the core, however, the ice is close to the pressure melting point, the visual stratigraphy is dominated by crystal boundaries, and annual layering is not visible to the naked eye. In this study, we apply a newly developed setup for high-resolution ice core impurity analysis to produce continuous records of dust, sodium and ammonium concentrations as well as conductivity of melt water. We analyzed three 2.2 m sections of ice from the Eemian and the glacial inception. In all of the analyzed ice, annual layers can clearly be recognized, most prominently in the dust and conductivity profiles. Part of the samples is, however, contaminated in dust, most likely from drill liquid. It is interesting that the annual layering is preserved despite a very active crystal growth and grain boundary migration in the deep and warm NGRIP ice. Based on annual layer counting of the new records, we determine a mean annual layer thickness close to 11 mm for all three sections, which, to first order, confirms the modeled NGRIP time scale (ss09sea). The counting does, however, suggest a longer duration of the climatically warmest part of the NGRIP record (MIS5e) of up to 1 ka as compared to the model estimate. Our results suggest that stratigraphic layer counting is possible basically throughout the entire NGRIP ice core, provided sufficiently highly-resolved profiles become available.

Modeling of diesel particulate filter filtration and regeneration for transient driving schedules

Due to their high thermal efficiency, diesel engines have excellent fuel economy and have been widely used as a power source for many vehicles. Diesel engines emit less greenhouse gases (carbon dioxide) compared with gasoline engines. However, diesel engines emit large amounts of particulate matter (PM) which can imperil human health. The best way to reduce the particulate matter is by using the Diesel Particulate Filter (DPF) system which consists of a wall-flow monolith which can trap particulates, and the DPF can be periodically regenerated to remove the collected particulates. The estimation of the PM mass accumulated in the DPF and total pressure drop across the filter are very important in order to determine when to carry out the active regeneration for the DPF. In this project, by developing a filtration model and a pressure drop model, we can estimate the PM mass and the total pressure drop, then, these two models can be linked with a regeneration model which has been developed previously to predict when to regenerate the filter. There results of this project were: 1 Reproduce a filtration model and simulate the processes of filtration. By studying the deep bed filtration and cake filtration, stages and quantity of mass accumulated in the DPF can be estimated. It was found that the filtration efficiency increases faster during the deep-bed filtration than that during the cake filtration. A “unit collector” theory was used in our filtration model which can explain the mechanism of the filtration very well. 2 Perform a parametric study on the pressure drop model for changes in engine exhaust flow rate, deposit layer thickness, and inlet temperature. It was found that there are five primary variables impacting the pressure drop in the DPF which are temperature gradient along the channel, deposit layer thickness, deposit layer permeability, wall thickness, and wall permeability. 3 Link the filtration model and the pressure drop model with the regeneration model to determine the time to carry out the regeneration of the DPF. It was found that the regeneration should be initiated when the cake layer is at a certain thickness, since a cake layer with either too big or too small an amount of particulates will need more thermal energy to reach a higher regeneration efficiency. 4 Formulate diesel particulate trap regeneration strategies for real world driving conditions to find out the best desirable conditions for DPF regeneration. It was found that the regeneration should be initiated when the vehicle’s speed is high and during which there should not be any stops from the vehicle. Moreover, the regeneration duration is about 120 seconds and the inlet temperature for the regeneration is 710K.

Investigating within-canopy variation of functional traits and cellular structure of sugar maple (Acer saccharum) leaves

Patterns of increasing leaf mass per area (LMA), area-based leaf nitrogen (Narea), and carbon isotope composition (δ13C) with increasing height in the canopy have been attributed to light gradients or hydraulic limitation in tall trees. Theoretical optimal distributions of LMA and Narea that scale with light maximize canopy photosynthesis; however, sub-optimal distributions are often observed due to hydraulic constraints on leaf development. Using observational, experimental, and modeling approaches, we investigated the response of leaf functional traits (LMA, density, thickness, and leaf nitrogen), leaf carbon isotope composition (δ13C), and cellular structure to light availability, height, and leaf water potential (Ψl) in an Acer saccharum forest to tease apart the influence of light and hydraulic limitations. LMA, leaf and palisade layer thickness, and leaf density were greater at greater light availability but similar heights, highlighting the strong control of light on leaf morphology and cellular structure. Experimental shading decreased both LMA and area-based leaf nitrogen (Narea) and revealed that LMA and Narea were more strongly correlated with height earlier in the growing season and with light later in the growing season. The supply of CO2 to leaves at higher heights appeared to be constrained by stomatal sensitivity to vapor pressure deficit (VPD) or midday leaf water potential, as indicated by increasing δ13C and VPD and decreasing midday Ψl with height. Model simulations showed that daily canopy photosynthesis was biased during the early growing season when seasonality was not accounted for, and was biased throughout the growing season when vertical gradients in LMA and Narea were not accounted for. Overall, our results suggest that leaves acclimate to light soon after leaf expansion, through an accumulation of leaf carbon, thickening of palisade layers and increased LMA, and reduction in stomatal sensitivity to Ψl or VPD. This period of light acclimation in leaves appears to optimize leaf function over time, despite height-related constraints early in the growing season. Our results imply that vertical gradients in leaf functional traits and leaf acclimation to light should be incorporated in canopy function models in order to refine estimates of canopy photosynthesis.

Lithographiebasierte Fertigung keramischer Bauteile

Im Rahmen des EU-Projektes PHOCAM entwickelt das beteiligte Konsortium Anlagen und Materialien für die generative Fertigung keramischer Bauteile auf Basis der Photopolymerisation. Das Kernelement der verwendeten Fertigungsanlagen, der DLP Projektor, erzeugt mittels leistungsstarker LEDs und einem 1080p DMD (Digital Micromirror Device) Bilder mit 1920x1080 Bildpunkten und der Pixelgröße von 40µm, woraus sich die Baufeldgröße von 76,8x43,2mm ergibt. Ein hochviskoser Schlicker, bestehen aus einem gefülltem fotosensitiven Harzsystem, wird von unten durch die gläserne Materialwanne belichtet, wodurch der Schlicker lokal aushärtet (polymerisiert). Auf diese Weise entsteht der Grünling, der in schichtbauweise (Standardschichtdicke von 25-50µm) aufgebaut ist. Im nachfolgenden Sinterprozess werden die Grünlinge zu den fertigen Keramikteilen gebrannt. Als keramisches Basismaterial für den Schlicker wurde vorwiegend Aluminiumoxid in Pulverform verwendet. Mit dem entwickelten System konnten bislang Schlicker mit einem Füllgrad (Keramikanteil) bis zu 50Vol% erfolgreich verarbeitet und zu Keramikteilen mit einer theoretischen Dichte von 99,6% gesintert werden.

Investigating Peatland Stratigraphy and Hydrogeology Using Integrated Electrical Geophysics

Hydrology has been suggested as the mechanism controlling vegetation and related surficial pore-water chemistry in large peatlands. Peatland hydrology influences the carbon dynamics within these large carbon reservoirs and will influence their response to global warming. A geophysical survey was completed in Caribou Bog, a large peatland in Maine, to evaluate peatland stratigraphy and hydrology. Geophysical measurements were integrated with direct measurements of peat stratigraphy from probing, fluid chemistry, and vegetation patterns in the peatland. Consistent with previous field studies, ground-penetrating radar (GPR) was an excellent method for delineating peatland stratigraphy. Prominent reflectors from the peat-lake sediment and lake sediment-mineral soil contacts were precisely recorded up to 8 m deep. Two-dimensional resistivity and induced polarization imaging were used to investigate stratigraphy beneath the mineral soil, beyond the range of GPR. We observe that the peat is chargeable, and that IP imaging is an alternative method for defining peat thickness. The chargeability of peat is attributed to the high surface-charge density on partially decomposed organic matter. The electrical conductivity imaging resolved glaciomarine sediment thickness (a confining layer) and its variability across the basin. Comparison of the bulk conductivity images with peatland vegetation revealed a correlation between confining layer thickness and dominant vegetation type, suggesting that stratigraphy exerts a control on hydrogeology and vegetation distribution within this peatland. Terrain conductivity measured with a Geonics EM31 meter correlated with confining glaciomarine sediment thickness and was an effective method for estimating variability in glaciomarine sediment thickness over approximately 18 km(2). Our understanding of the hydrogeology, stratigraphy, and controls on vegetation growth in this peatland was much enhanced from the geophysical study.