Wavelet based Independent Component Analysis for Multispectral Brain Tissue Classification

Multispectral analysis is a promising approach in tissue classification and abnormality detection from Magnetic Resonance (MR) images. But instability in accuracy and reproducibility of the classification results from conventional techniques keeps it far from clinical applications. Recent studies proposed Independent Component Analysis (ICA) as an effective method for source signals separation from multispectral MR data. However, it often fails to extract the local features like small abnormalities, especially from dependent real data. A multisignal wavelet analysis prior to ICA is proposed in this work to resolve these issues. Best de-correlated detail coefficients are combined with input images to give better classification results. Performance improvement of the proposed method over conventional ICA is effectively demonstrated by segmentation and classification using k-means clustering. Experimental results from synthetic and real data strongly confirm the positive effect of the new method with an improved Tanimoto index/Sensitivity values, 0.884/93.605, for reproduced small white matter lesions

An Improved Technique for Evolving Wavelet Coefficients for Fingerprint Image Compression

In this paper, an improved technique for evolving wavelet coefficients refined for compression and reconstruction of fingerprint images is presented. The FBI fingerprint compression standard [1, 2] uses the cdf 9/7 wavelet filter coefficients. Lifting scheme is an efficient way to represent classical wavelets with fewer filter coefficients [3, 4]. Here Genetic algorithm (GA) is used to evolve better lifting filter coefficients for cdf 9/7 wavelet to compress and reconstruct fingerprint images with better quality. Since the lifting filter coefficients are few in numbers compared to the corresponding classical wavelet filter coefficients, they are evolved at a faster rate using GA. A better reconstructed image quality in terms of Peak-Signal-to-Noise-Ratio (PSNR) is achieved with the best lifting filter coefficients evolved for a compression ratio 16:1. These evolved coefficients perform well for other compression ratios also.

Faster techniques to evolve wavelet coefficients for better fingerprint image compression

In this article, techniques have been presented for faster evolution of wavelet lifting coefficients for fingerprint image compression (FIC). In addition to increasing the computational speed by 81.35%, the coefficients performed much better than the reported coefficients in literature. Generally, full-size images are used for evolving wavelet coefficients, which is time consuming. To overcome this, in this work, wavelets were evolved with resized, cropped, resized-average and cropped-average images. On comparing the peak- signal-to-noise-ratios (PSNR) offered by the evolved wavelets, it was found that the cropped images excelled the resized images and is in par with the results reported till date. Wavelet lifting coefficients evolved from an average of four 256 256 centre-cropped images took less than 1/5th the evolution time reported in literature. It produced an improvement of 1.009 dB in average PSNR. Improvement in average PSNR was observed for other compression ratios (CR) and degraded images as well. The proposed technique gave better PSNR for various bit rates, with set partitioning in hierarchical trees (SPIHT) coder. These coefficients performed well with other fingerprint databases as well.

Evolution of Better Wavelet Coefficients for Fingerprint Image Compression using cropped images

This paper explains the Genetic Algorithm (GA) evolution of optimized wavelet that surpass the cdf9/7 wavelet for fingerprint compression and reconstruction. Optimized wavelets have already been evolved in previous works in the literature, but they are highly computationally complex and time consuming. Therefore, in this work, a simple approach is made to reduce the computational complexity of the evolution algorithm. A training image set comprised of three 32x32 size cropped images performed much better than the reported coefficients in literature. An average improvement of 1.0059 dB in PSNR above the classical cdf9/7 wavelet over the 80 fingerprint images was achieved. In addition, the computational speed was increased by 90.18 %. The evolved coefficients for compression ratio (CR) 16:1 yielded better average PSNR for other CRs also. Improvement in average PSNR was experienced for degraded and noisy images as well

Genetic divergence in lobsters (Crustacea: Palinuridae and Scyllaridae) from the Indian EEZ

The management of exploited species requires the identification of demographically isolated populations that can be considered as independent management units (MUs), failuring in which can lead to over -fishing and depletion of less productive stocks. By characterizing the distribution of genetic variation, population sub structuring can be detected and the degree of connectivity among populations can be estimated. The genetic variation can be observed using identified molecular markers of both nuclear and mitochondrial origin. Hence, the present work was undertaken to study the genetic diversity and population/stock structure in P. homarus homarus and T. unimaculatus from different landing centres along the Indian coast using nuclear (RAPD) and mitochondrial DNA marker tools which will help towards developing management strategies for management and conservation of these declining resources.To make consistent conservation and fisheries management decisions, accurate species identifications are needed. It is also suggested that it is not always desirable to rely on a single sequence for taxonomic identification. Thus, the feasibility of using partial sequences of additional mitochondrial genes like 16SrRNA, 12SrRNA and nuclear 18SrRNA has also been explored in our study. Phylogenies provide a sound foundation for establishing taxonomy. The present work also attempts to reconstruct the phylogeny of eleven species of commercially important lobsters from the Indian EEZ using molecular markers

Development of 2-D MRT based Image Compression Techniques

The thesis explores the area of still image compression. The image compression techniques can be broadly classified into lossless and lossy compression. The most common lossy compression techniques are based on Transform coding, Vector Quantization and Fractals. Transform coding is the simplest of the above and generally employs reversible transforms like, DCT, DWT, etc. Mapped Real Transform (MRT) is an evolving integer transform, based on real additions alone. The present research work aims at developing new image compression techniques based on MRT. Most of the transform coding techniques employ fixed block size image segmentation, usually 8×8. Hence, a fixed block size transform coding is implemented using MRT and the merits and demerits are analyzed for both 8×8 and 4×4 blocks. The N2 unique MRT coefficients, for each block, are computed using templates. Considering the merits and demerits of fixed block size transform coding techniques, a hybrid form of these techniques is implemented to improve the performance of compression. The performance of the hybrid coder is found to be better compared to the fixed block size coders. Thus, if the block size is made adaptive, the performance can be further improved. In adaptive block size coding, the block size may vary from the size of the image to 2×2. Hence, the computation of MRT using templates is impractical due to memory requirements. So, an adaptive transform coder based on Unique MRT (UMRT), a compact form of MRT, is implemented to get better performance in terms of PSNR and HVS The suitability of MRT in vector quantization of images is then experimented. The UMRT based Classified Vector Quantization (CVQ) is implemented subsequently. The edges in the images are identified and classified by employing a UMRT based criteria. Based on the above experiments, a new technique named “MRT based Adaptive Transform Coder with Classified Vector Quantization (MATC-CVQ)”is developed. Its performance is evaluated and compared against existing techniques. A comparison with standard JPEG & the well-known Shapiro’s Embedded Zero-tree Wavelet (EZW) is done and found that the proposed technique gives better performance for majority of images

Study on period search methods of variable stars: Application to ASAS and CRTS databases

Study on variable stars is an important topic of modern astrophysics. After the invention of powerful telescopes and high resolving powered CCD’s, the variable star data is accumulating in the order of peta-bytes. The huge amount of data need lot of automated methods as well as human experts. This thesis is devoted to the data analysis on variable star’s astronomical time series data and hence belong to the inter-disciplinary topic, Astrostatistics. For an observer on earth, stars that have a change in apparent brightness over time are called variable stars. The variation in brightness may be regular (periodic), quasi periodic (semi-periodic) or irregular manner (aperiodic) and are caused by various reasons. In some cases, the variation is due to some internal thermo-nuclear processes, which are generally known as intrinsic vari- ables and in some other cases, it is due to some external processes, like eclipse or rotation, which are known as extrinsic variables. Intrinsic variables can be further grouped into pulsating variables, eruptive variables and flare stars. Extrinsic variables are grouped into eclipsing binary stars and chromospheri- cal stars. Pulsating variables can again classified into Cepheid, RR Lyrae, RV Tauri, Delta Scuti, Mira etc. The eruptive or cataclysmic variables are novae, supernovae, etc., which rarely occurs and are not periodic phenomena. Most of the other variations are periodic in nature. Variable stars can be observed through many ways such as photometry, spectrophotometry and spectroscopy. The sequence of photometric observa- xiv tions on variable stars produces time series data, which contains time, magni- tude and error. The plot between variable star’s apparent magnitude and time are known as light curve. If the time series data is folded on a period, the plot between apparent magnitude and phase is known as phased light curve. The unique shape of phased light curve is a characteristic of each type of variable star. One way to identify the type of variable star and to classify them is by visually looking at the phased light curve by an expert. For last several years, automated algorithms are used to classify a group of variable stars, with the help of computers. Research on variable stars can be divided into different stages like observa- tion, data reduction, data analysis, modeling and classification. The modeling on variable stars helps to determine the short-term and long-term behaviour and to construct theoretical models (for eg:- Wilson-Devinney model for eclips- ing binaries) and to derive stellar properties like mass, radius, luminosity, tem- perature, internal and external structure, chemical composition and evolution. The classification requires the determination of the basic parameters like pe- riod, amplitude and phase and also some other derived parameters. Out of these, period is the most important parameter since the wrong periods can lead to sparse light curves and misleading information. Time series analysis is a method of applying mathematical and statistical tests to data, to quantify the variation, understand the nature of time-varying phenomena, to gain physical understanding of the system and to predict future behavior of the system. Astronomical time series usually suffer from unevenly spaced time instants, varying error conditions and possibility of big gaps. This is due to daily varying daylight and the weather conditions for ground based observations and observations from space may suffer from the impact of cosmic ray particles. Many large scale astronomical surveys such as MACHO, OGLE, EROS, xv ROTSE, PLANET, Hipparcos, MISAO, NSVS, ASAS, Pan-STARRS, Ke- pler,ESA, Gaia, LSST, CRTS provide variable star’s time series data, even though their primary intention is not variable star observation. Center for Astrostatistics, Pennsylvania State University is established to help the astro- nomical community with the aid of statistical tools for harvesting and analysing archival data. Most of these surveys releases the data to the public for further analysis. There exist many period search algorithms through astronomical time se- ries analysis, which can be classified into parametric (assume some underlying distribution for data) and non-parametric (do not assume any statistical model like Gaussian etc.,) methods. Many of the parametric methods are based on variations of discrete Fourier transforms like Generalised Lomb-Scargle peri- odogram (GLSP) by Zechmeister(2009), Significant Spectrum (SigSpec) by Reegen(2007) etc. Non-parametric methods include Phase Dispersion Minimi- sation (PDM) by Stellingwerf(1978) and Cubic spline method by Akerlof(1994) etc. Even though most of the methods can be brought under automation, any of the method stated above could not fully recover the true periods. The wrong detection of period can be due to several reasons such as power leakage to other frequencies which is due to finite total interval, finite sampling interval and finite amount of data. Another problem is aliasing, which is due to the influence of regular sampling. Also spurious periods appear due to long gaps and power flow to harmonic frequencies is an inherent problem of Fourier methods. Hence obtaining the exact period of variable star from it’s time series data is still a difficult problem, in case of huge databases, when subjected to automation. As Matthew Templeton, AAVSO, states “Variable star data analysis is not always straightforward; large-scale, automated analysis design is non-trivial”. Derekas et al. 2007, Deb et.al. 2010 states “The processing of xvi huge amount of data in these databases is quite challenging, even when looking at seemingly small issues such as period determination and classification”. It will be beneficial for the variable star astronomical community, if basic parameters, such as period, amplitude and phase are obtained more accurately, when huge time series databases are subjected to automation. In the present thesis work, the theories of four popular period search methods are studied, the strength and weakness of these methods are evaluated by applying it on two survey databases and finally a modified form of cubic spline method is intro- duced to confirm the exact period of variable star. For the classification of new variable stars discovered and entering them in the “General Catalogue of Vari- able Stars” or other databases like “Variable Star Index“, the characteristics of the variability has to be quantified in term of variable star parameters.

Development of Electrochemical and Fluorescent Sensors

Chemical sensors have growing interest in the determination of food additives, which are creating toxicity and may cause serious health concern, drugs and metal ions. A chemical sensor can be defined as a device that transforms chemical information, ranging from the concentration of a specific sample component to total composition analysis, into an analytically useful signal. The chemical information may be generated from a chemical reaction of the analyte or from a physical property of the system investigated. Two main steps involved in the functioning of a chemical sensor are recognition and transduction. Chemical sensors employ specific transduction techniques to yield analyte information. The most widely used techniques employed in chemical sensors are optical absorption, luminescence, redox potential etc. According to the operating principle of the transducer, chemical sensors may be classified as electrochemical sensors, optical sensors, mass sensitive sensors, heat sensitive sensors etc. Electrochemical sensors are devices that transform the effect of the electrochemical interaction between analyte and electrode into a useful signal. They are very widespread as they use simple instrumentation, very good sensitivity with wide linear concentration ranges, rapid analysis time and simultaneous determination of several analytes. These include voltammetric, potentiometric and amperometric sensors. Fluorescence sensing of chemical and biochemical analytes is an active area of research. Any phenomenon that results in a change of fluorescence intensity, anisotropy or lifetime can be used for sensing. The fluorophores are mixed with the analyte solution and excited at its corresponding wavelength. The change in fluorescence intensity (enhancement or quenching) is directly related to the concentration of the analyte. Fluorescence quenching refers to any process that decreases the fluorescence intensity of a sample. A variety of molecular rearrangements, energy transfer, ground-state complex formation and collisional quenching. Generally, fluorescence quenching can occur by two different mechanisms, dynamic quenching and static quenching. The thesis presents the development of voltammetric and fluorescent sensors for the analysis of pharmaceuticals, food additives metal ions. The developed sensors were successfully applied for the determination of analytes in real samples. Chemical sensors have multidisciplinary applications. The development and application of voltammetric and optical sensors continue to be an exciting and expanding area of research in analytical chemistry. The synthesis of biocompatible fluorophores and their use in clinical analysis, and the development of disposable sensors for clinical analysis is still a challenging task. The ability to make sensitive and selective measurements and the requirement of less expensive equipment make electrochemical and fluorescence based sensors attractive.

Jugendliche Alltagsgestaltung und Identitätsbildung mit Fantasy-Rollenspielen - Schule öffnen für Elemente des Spiels und spielerische Aktionsformen

Gerade männliche Jugendliche nutzen in ihrer Pubertät und Adoleszenz zu einer gelingenden Gestaltung ihres Alltags und zur Ausbildung ihrer Identität zahlreiche Erscheinungsformen des Fantasy-Rollenspielens. In einem Prozess von Aneignung und Entäußerung integrieren dabei die Jugendlichen das überaus reiche multimediale Angebot, welches die Spiele bieten, in ihre Alltagsgestaltung, indem sie sich daraus spezifische Medien-, Text- und Ereignisarrangements bauen. Diese dienen einerseits der sozialen Integration und Distinktion, andererseits der Präsentation ihrer Identitätsentwürfe sich und anderen. Die Jugendlichen schaffen sich mittels dieser spezifischen Medien-, Text- und Ereignisarrangements eine in weiten Teilen von ihnen selbst bestimmte Welt, in der sie ihre Phantasie wie Kreativität mit großer Intensität, ja Obsession, innerhalb integrativer und solidarischer Interaktionsformen selbststeuernd und professionell ausleben. Diese Medien-, Text- und Ereignisarrangements zeigen Angebots- und Nutzungsformen, die sich nach einem medienkommunikativen Aneignungs- und Entäußerungsmodell in der Tradition der Cultural Studies (Stuart Hall) beschreiben lassen. Die Langzeitbeobachtung der Jugendlichen zeigt, dass sie alltagspragmatische Kulturtechniken zur selbstbestimmten Gestaltung von Alltag entwickeln: zunächst eine Strukturierung ihrer kognitiven, affektiven und pragmatischen Interaktion nach Kriterien erfolgreicher intrinsischer Interaktion, mit dem Ziel derer Perpetuierung im Flow-Erleben (Mihalyi Csikszentmihalyi), dann eine Ästhetisierung von Alltagswirklichkeit mittels kollektiver Fiktionalisierung in der Tradition des Collective Story Telling (Janet H. Murray). Diese Kulturtechniken stellen vor dem Hintergrund der Enkodierung und Dekodierung sozialer Codes spezifische Adaptionen von Prozessen der Bedeutungszuweisung und Subjekt- bzw. Identitätskonstitution dar. Die sie evozierenden und mit ihnen korrespondierenden handlungsleitenden Themen der Jugendlichen sind der Wunsch nach Rekonstitution von Gesamtheit in einer sich fragmentarisierenden Wirklichkeit, die Affirmation von Selbstbestimmung- und Autonomieerfahrungen, das Erleben von Reintegration und Solidarität für das sich dissoziiert erfahrende Individuum. Das Handeln der Jugendlichen basiert damit auf dem momentan dominanten Prozess einer Individualisierung von Lebenswelt unter den Bedingungen von Reflexivität und Erlebnisrationalität in der postmodernen Gesellschaft. Mit ihren Versuchen selbstbestimmter Gestaltung folgen sie dem aktuellen gesellschaftlichen Auftrag einer weitgehend in eigener Regie vorzunehmenden Lokalisierung dieses Prozesses. Zunehmend tritt diese von den Jugendlichen selbstgesteuerte Sozialisation neben die traditionell heteronome Sozialisation von gesellschaftlichen Instituten wie etwa die von Schule. Damit wird das Handeln der Jugendlichen zu einer Herausforderung an Pädagogik und Schule. Schule muss, wenn sie ihrem eigentlichen Auftrag von Förderung gerecht werden will, eine Sensibilität für diese Eigenständigkeit von Jugendlichen entwickeln und in der Beobachtung ihres Handelns didaktische Innovationen für Lehren und Lernen entwickeln. Im Mittelpunkt steht dabei die Wiederentdeckung des pädagogischen Dialogs, besonders aber die Entwicklung einer individualisierten Lernkultur und die Förderung jugendlicher Gestaltungskompetenzen, welche von deren alltagsästhetischen Erfahrungen und Kompetenzen im Umgang mit multimedialen Kulturprodukten ausgeht. Schule kann und muss für diese Prozesse selbstgesteuerten Lernens angemessene pädagogische Räume bereitstellen, in denen die Jugendlichen innerhalb eines geschützten Kontextes in der Auseinandersetzung mit eigenen wie fremden Entwürfen ihre Identität entwickeln können.

Arbeitszeitflexibilisierung in der westdeutschen Metall- und Elektroindustrie und die Verbandsstrategien - Eine vergleichende Analyse der arbeitszeitpolitischen Strategien des Arbeitgeberverbandes Gesamtmetall und der Industriegewerkschaft Metall

Arbeitszeitpolitik und Arbeitszeitgestaltung haben seit dem Tarifkompromiss im Jahre 1984 in der Metall-, und Elektroindustrie in der politischen und wissenschaftlichen Diskussion einen immensen Bedeutungszuwachs erfahren. Die Forderungen nach einer flexibleren Arbeitszeitgestaltung haben zeitgleich sowohl aus der Globalisierungsdiskussion und der Debatte um die Wettbewerbsfähigkeit des "Wirtschaftsstandorts Deutschland" heraus wie auch aus beschäftigungspolitischen Gründen neuen Auftrieb bekommen. Die Diskussion um die Arbeitszeit ist gleichzeitig von verschiedenen, meist gegensätzlichen Interessen geprägt: Auf der Beschäftigtenseite zielt die Arbeitszeitflexibilisierung nach wie vor auf Zeitsouveränität: d.h. auf eine bessere Vereinbarkeit der Arbeitszeit mit allen Aktivitäten außerhalb der Arbeitszeit ab. Demgegenüber stellt die Arbeitgeberseite den betriebswirtschaftlichen Aspekt in den Vordergrund. D.h. die Anpassung der Arbeitszeit an den tatsächlichen Arbeitsanfall. So soll durch aufeinander abgestimmte Gestaltung von Betriebszeit und Arbeitszeit die Erhöhung der Produktivität und die Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit erzielt werden. Durch diesen Trend verlor das sog. Normalarbeitsverhältnis an Allgemeingültigkeit und die Flexibilisierung der Arbeitszeiten nahm seit langem kontinuierlich zu. Folge ist, dass mittlerweile eine breite Palette von Arbeitszeitmodellen existiert, in denen die gesetzlich und vertraglich vereinbarte Wochenarbeitszeit in den Dimensionen Lage, Länge und Verteilung flexibilisiert wird. Auch die Tarifverhandlungen und Auseinandersetzung der Tarifparteien zur Arbeitszeitpolitik sind dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitszeitflexibilisierung und Verlagerung der Tarifpolitik auf betriebliche Ebene einen Bedeutungszuwachs bekam und die Meinungsführerschaft in Sachen Arbeitszeitgestaltung von der IG Metall zu Gesamtmetall wechselte. Ziel der vorliegenden Dissertation war es, anhand einer empirisch-historischen Untersuchung über Einstellungen sowie Strategien von Gesamtmetall und IG Metall die Gestaltungsspielräume flexibler Arbeitszeitmodelle zu bestimmen und gleichzeitig die Defizite herauszuarbeiten. Die Untersuchung gründete sich in erster Linie auf die Dokumentenanalyse von Stellungnahmen der Gesamtmetall und IG-Metall-Leitungsgremien sowie Primär- und Sekundäranalyse von Befragungen der Beschäftigten. Die leitende Frage der Untersuchung war, ob es den Arbeitgeberverbänden und den Gewerkschaften gelingen konnte, die Erfordernisse eines Betriebes und die Belange der Beschäftigten weitgehend in Übereinstimmung zu bringen? Und (wenn ja) unter welchen Voraussetzungen die neuen flexiblen Arbeitszeitsysteme mit den betrieblichen und außerbetrieblichen Interessen der Beschäftigten zu vereinbaren sind. Den Hintergrund für diese Zielerreichung bildete der gesellschaftliche Konflikt zwischen Arbeit und Kapital. Denn die Schwierigkeit bzw. Komplexität lag in der Frage, wie die unterschiedlichen Interessen, die sich in der industriekapitalistischen Gesellschaft durch den Gegensatz "Kapital" und "Arbeit" bestimmen lassen, zu vereinbaren waren bzw. sind.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

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.

Profile simulations of gas chopping etching processes : model development and comparison with experiments

The progress in microsystem technology or nano technology places extended requirements to the fabrication processes. The trend is moving towards structuring within the nanometer scale on the one hand, and towards fabrication of structures with high aspect ratio (ratio of vertical vs. lateral dimensions) and large depths in the 100 µm scale on the other hand. Current procedures for the microstructuring of silicon are wet chemical etching and dry or plasma etching. A modern plasma etching technique for the structuring of silicon is the so-called "gas chopping" etching technique (also called "time-multiplexed etching"). In this etching technique, passivation cycles, which prevent lateral underetching of sidewalls, and etching cycles, which etch preferably in the vertical direction because of the sidewall passivation, are constantly alternated during the complete etching process. To do this, a CHF3/CH4 plasma, which generates CF monomeres is employed during the passivation cycle, and a SF6/Ar, which generates fluorine radicals and ions plasma is employed during the etching cycle. Depending on the requirements on the etched profile, the durations of the individual passivation and etching cycles are in the range of a few seconds up to several minutes. The profiles achieved with this etching process crucially depend on the flow of reactants, i.e. CF monomeres during the passivation cycle, and ions and fluorine radicals during the etching cycle, to the bottom of the profile, especially for profiles with high aspect ratio. With regard to the predictability of the etching processes, knowledge of the fundamental effects taking place during a gas chopping etching process, and their impact onto the resulting profile is required. For this purpose in the context of this work, a model for the description of the profile evolution of such etching processes is proposed, which considers the reactions (etching or deposition) at the sample surface on a phenomenological basis. Furthermore, the reactant transport inside the etching trench is modelled, based on angular distribution functions and on absorption probabilities at the sidewalls and bottom of the trench. A comparison of the simulated profiles with corresponding experimental profiles reveals that the proposed model reproduces the experimental profiles, if the angular distribution functions and absorption probabilities employed in the model is in agreement with data found in the literature. Therefor the model developed in the context of this work is an adequate description of the effects taking place during a gas chopping plasma etching process.

Gröbnerbasen in Ore-Algebren

In dieser Arbeit werden grundlegende Algorithmen für Ore-Algebren in Mathematica realisiert. Dabei entsteht eine Plattform um die speziellen Beschränkungen und Möglichkeiten dieser Algebren insbesondere im Zusammenhang mit Gröbnerbasen an praktischen Beispielen auszuloten. Im Gegensatz zu den existierenden Paketen wird dabei explizit die Struktur der Ore-Algebra benutzt. Kandri-Rody und Weispfenning untersuchten 1990 Verallgemeinerungen von Gröbnerbasen auf Algebren ordnungserhaltender Art (``algebras of solvable type''). Diese verhalten sich so, dass Buchbergers Algorithmus stets eine Gröbnerbasis findet. Es wird ein Beispiel gezeigt, an dem klar wird, dass es mehr Ore-Algebren ordnungserhaltender Art gibt als die in der Literatur stets betrachteten Operator-Algebren. Für Ore-Algebren ordnungserhaltender Art werden Algorithmen zu Gröbnerbasen implementiert. Anschließend wird der Gröbner-Walk für Ore-Algebren untersucht. Der Gröbner-Walk im kommutativen Fall wird mit einem instruktiven Beispiel vorgestellt. Dann wird zum nichtkommutativen Fall übergegangen. Es wird gezeigt, dass die Eigenschaft ordnungserhaltender Art zu sein, auf der Strecke zwischen zwei Ordnungen erhalten bleibt. Eine leichte Modifikation des Walks für Ore-Algebren wird implementiert, die im Erfolgsfall die Basis konvertiert und ansonsten abbricht. Es werden Beispiele angegeben, in denen der modifizierte Walk funktioniert sowie ein Beispiel analysiert, in dem er versagt.

Some New Classes of Orthogonal Polynomials and Special Functions

In dieser Dissertation präsentieren wir zunächst eine Verallgemeinerung der üblichen Sturm-Liouville-Probleme mit symmetrischen Lösungen und erklären eine umfassendere Klasse. Dann führen wir einige neue Klassen orthogonaler Polynome und spezieller Funktionen ein, welche sich aus dieser symmetrischen Verallgemeinerung ableiten lassen. Als eine spezielle Konsequenz dieser Verallgemeinerung führen wir ein Polynomsystem mit vier freien Parametern ein und zeigen, dass in diesem System fast alle klassischen symmetrischen orthogonalen Polynome wie die Legendrepolynome, die Chebyshevpolynome erster und zweiter Art, die Gegenbauerpolynome, die verallgemeinerten Gegenbauerpolynome, die Hermitepolynome, die verallgemeinerten Hermitepolynome und zwei weitere neue endliche Systeme orthogonaler Polynome enthalten sind. All diese Polynome können direkt durch das neu eingeführte System ausgedrückt werden. Ferner bestimmen wir alle Standardeigenschaften des neuen Systems, insbesondere eine explizite Darstellung, eine Differentialgleichung zweiter Ordnung, eine generische Orthogonalitätsbeziehung sowie eine generische Dreitermrekursion. Außerdem benutzen wir diese Erweiterung, um die assoziierten Legendrefunktionen, welche viele Anwendungen in Physik und Ingenieurwissenschaften haben, zu verallgemeinern, und wir zeigen, dass diese Verallgemeinerung Orthogonalitätseigenschaft und -intervall erhält. In einem weiteren Kapitel der Dissertation studieren wir detailliert die Standardeigenschaften endlicher orthogonaler Polynomsysteme, welche sich aus der üblichen Sturm-Liouville-Theorie ergeben und wir zeigen, dass sie orthogonal bezüglich der Fisherschen F-Verteilung, der inversen Gammaverteilung und der verallgemeinerten t-Verteilung sind. Im nächsten Abschnitt der Dissertation betrachten wir eine vierparametrige Verallgemeinerung der Studentschen t-Verteilung. Wir zeigen, dass diese Verteilung gegen die Normalverteilung konvergiert, wenn die Anzahl der Stichprobe gegen Unendlich strebt. Eine ähnliche Verallgemeinerung der Fisherschen F-Verteilung konvergiert gegen die chi-Quadrat-Verteilung. Ferner führen wir im letzten Abschnitt der Dissertation einige neue Folgen spezieller Funktionen ein, welche Anwendungen bei der Lösung in Kugelkoordinaten der klassischen Potentialgleichung, der Wärmeleitungsgleichung und der Wellengleichung haben. Schließlich erklären wir zwei neue Klassen rationaler orthogonaler hypergeometrischer Funktionen, und wir zeigen unter Benutzung der Fouriertransformation und der Parsevalschen Gleichung, dass es sich um endliche Orthogonalsysteme mit Gewichtsfunktionen vom Gammatyp handelt.