Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons.

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers

In this paper, we report the in-plane and cross-plane measurements of the thermal diffusivity of double epitaxial layers of n-type GaAs doped with various concentrations of Si and a p-type Be-doped GaAs layer grown on a GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method, using the laser-induced nondestructive photothermal deflection technique. The thermal diffusivity value is evaluated from the slope of the graph of the phase of the photothermal deflection signal as a function of pump-probe offset. Analysis of the data shows that the cross-plane thermal diffusivity is less than that of the in-plane thermal diffusivity. It is also seen that the doping concentration has a great influence on the thermal diffusivity value. Measurement of p-type Be-doped samples shows that the nature of the dopant also influences the effective thermal diffusivity value. The results are interpreted in terms of a phonon-assisted heat transfer mechanism and the various scattering process involved in the propagation of phonons

Ultrasonic measurement of the elastic properties of benzoyl glycine single crystals

Certain organic crystals are found to possess high non- linear optical coefficients,often one to two orders of magnitude higher than those of the well known inorganic non-linear optical materials.Benzoyl glycine is one such crystal whose optical second-harmonic generation efficiency is much higher than that of potassium dihydrogen phosphate. Single crystals of benzoyl glycine are grown by solvent evaporation technique using N,N-dimethyl formamide as the solvent.All the nine second-order elastic stiffness constants of this orthorhombic crystal are determined from ultrasonic wave velocity measurements employing the pulse echo overlap technique.The anisotropy of elastic wave propagation in this crystal is demonstrated by plotting the phase velocity, slowness,Young's modulus and linear compressibility surfaces along symmetry planes.The volume compressibility, bulk modulus and relevant Poisson's ratios are also determined. Variation of the diagonal elastic stiffness constants with temperature over a limited range are measured and reported.

Measurement of the absolute fluorescence quantum yield of rhodamine B solution using a dual-beam thermal lens technique

The dual-beam thermal lens technique has been found to be very effective for the measurement of fluorescence quantum yields of dye solutions. The concentration-dependence of the quantum yield of rhodamine B in methanol is studied here using this technique. The observed results are in line with the conclusion that the reduction in the quantum yield in the quenching region is essentially due to the non-radiative relaxation of the absorbed energy. The thermal lens has been found to become abberated above 40 mW of pump laser power. This low value for the upper limit of pump power is due to the fact that the medium is a resonantly absorbing one.

Measurement of laser ablation threshold on doped BiSrCaCuO high temperature superconductors by the pulsed photothermal deflection technique

Laser‐induced damage and ablation thresholds of bulk superconducting samples of Bi2(SrCa)xCu3Oy(x=2, 2.2, 2.6, 2.8, 3) and Bi1.6 (Pb)xSr2Ca2Cu3 Oy (x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) for irradiation with a 1.06 μm beam from a Nd‐YAG laser have been determined as a function of x by the pulsed photothermal deflection technique. The threshold values of power density for ablation as well as damage are found to increase with increasing values of x in both systems while in the Pb‐doped system the threshold values decrease above a specific value of x, coinciding with the point at which the Tc also begins to fall.  

Photoacoustic measurement of transport properties in doped GaAs epitaxial layers

The photoacoustic technique under heat transmission configuration is used to determine the effect of doping on both the thermal and transport properties of p- and n-type GaAs epitaxial layers grown on GaAs substrate by the molecular beam epitaxial method. Analysis of the data is made on the basis of the theoretical model of Rosencwaig and Gersho. Thermal and transport properties of the epitaxial layers are found by fitting the phase of the experimentally obtained photoacoustic signal with that of the theoretical model. It is observed that both the thermal and transport properties, i.e. thermal diffusivity, diffusion coefficient, surface recombination velocity and nonradiative recombination time, depend on the type of doping in the epitaxial layer. The results clearly show that the photoacoustic technique using heat transmission configuration is an excellent tool to study the thermal and transport properties of epitaxial layers under different doping conditions.

Measurement of thermal diffusivity of some halogeno benzimidazole complexes of cobalt(II), copper (II) and copper(I) using laser induced photoacoustic effect

Cochin University of Science and Technology

Measurement and simulation of anisotropy in the Infrared and Raman spectra of beta-FeSi2 single crystals

In this paper we show that the orthorhombic phase of FeSi2 (stable at room temperature) displays a sizable anisotropy in the infrared spectra, with minor effects in the Raman data too. This fact is not trivial at all, since the crystal structure corresponds to a moderate distortion of the fluorite symmetry. Our analysis is carried out on small single crystals grown by flux transport, through polarization-resolved far-infrared reflectivity and Raman measurements. Their interpretation has been obtained by means of the simulated spectra with tight-binding molecular dynamics.

Characterization of human and instrument related measurement errors

Measurement is the act or the result of a quantitative comparison between a given quantity and a quantity of the same kind chosen as a unit. It is generally agreed that all measurements contain errors. In a measuring system where both a measuring instrument and a human being taking the measurement using a preset process, the measurement error could be due to the instrument, the process or the human being involved. The first part of the study is devoted to understanding the human errors in measurement. For that, selected person related and selected work related factors that could affect measurement errors have been identified. Though these are well known, the exact extent of the error and the extent of effect of different factors on human errors in measurement are less reported. Characterization of human errors in measurement is done by conducting an experimental study using different subjects, where the factors were changed one at a time and the measurements made by them recorded. From the pre‐experiment survey research studies, it is observed that the respondents could not give the correct answers to questions related to the correct values [extent] of human related measurement errors. This confirmed the fears expressed regarding lack of knowledge about the extent of human related measurement errors among professionals associated with quality. But in postexperiment phase of survey study, it is observed that the answers regarding the extent of human related measurement errors has improved significantly since the answer choices were provided based on the experimental study. It is hoped that this work will help users of measurement in practice to better understand and manage the phenomena of human related errors in measurement.

Regional climate model applications on sub-regional scales over the Indian monsoon region: The role of domain size on downscaling uncertainty

Regional climate models are becoming increasingly popular to provide high resolution climate change information for impacts assessments to inform adaptation options. Many countries and provinces requiring these assessments are as small as 200,000 km2 in size, significantly smaller than an ideal domain needed for successful applications of one-way nested regional climate models. Therefore assessments on sub-regional scales (e.g., river basins) are generally carried out using climate change simulations performed for relatively larger regions. Here we show that the seasonal mean hydrological cycle and the day-to-day precipitation variations of a sub-region within the model domain are sensitive to the domain size, even though the large scale circulation features over the region are largely insensitive. On seasonal timescales, the relatively smaller domains intensify the hydrological cycle by increasing the net transport of moisture into the study region and thereby enhancing the precipitation and local recycling of moisture. On daily timescales, the simulations run over smaller domains produce higher number of moderate precipitation days in the sub-region relative to the corresponding larger domain simulations. An assessment of daily variations of water vapor and the vertical velocity within the sub-region indicates that the smaller domains may favor more frequent moderate uplifting and subsequent precipitation in the region. The results remained largely insensitive to the horizontal resolution of the model, indicating the robustness of the domain size influence on the regional model solutions. These domain size dependent precipitation characteristics have the potential to add one more level of uncertainty to the downscaled projections.

Model Diagnostics in the presence of measurement error

The problem of using information available from one variable X to make inferenceabout another Y is classical in many physical and social sciences. In statistics this isoften done via regression analysis where mean response is used to model the data. Onestipulates the model Y = µ(X) +ɛ. Here µ(X) is the mean response at the predictor variable value X = x, and ɛ = Y - µ(X) is the error. In classical regression analysis, both (X; Y ) are observable and one then proceeds to make inference about the mean response function µ(X). In practice there are numerous examples where X is not available, but a variable Z is observed which provides an estimate of X. As an example, consider the herbicidestudy of Rudemo, et al. [3] in which a nominal measured amount Z of herbicide was applied to a plant but the actual amount absorbed by the plant X is unobservable. As another example, from Wang [5], an epidemiologist studies the severity of a lung disease, Y , among the residents in a city in relation to the amount of certain air pollutants. The amount of the air pollutants Z can be measured at certain observation stations in the city, but the actual exposure of the residents to the pollutants, X, is unobservable and may vary randomly from the Z-values. In both cases X = Z+error: This is the so called Berkson measurement error model.In more classical measurement error model one observes an unbiased estimator W of X and stipulates the relation W = X + error: An example of this model occurs when assessing effect of nutrition X on a disease. Measuring nutrition intake precisely within 24 hours is almost impossible. There are many similar examples in agricultural or medical studies, see e.g., Carroll, Ruppert and Stefanski [1] and Fuller [2], , among others. In this talk we shall address the question of fitting a parametric model to the re-gression function µ(X) in the Berkson measurement error model: Y = µ(X) + ɛ; X = Z + η; where η and ɛ are random errors with E(ɛ) = 0, X and η are d-dimensional, and Z is the observable d-dimensional r.v.

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Die Natur als Erholungs(t)raum

Zur Erholung in die Natur gehen oder doch lieber zur Natursimulation greifen? Intuitiv würden die meisten Menschen der Natur einen größeren Erholungswert zusprechen als einer Natursimulation. Aber ist die Natur tatsächlich erholsamer? In der Naturerholungsforschung (Restorative Environment Research) kommen häufig Natursimulationen zum Einsatz, um die erholsame Wirkung von Natur zu ermitteln. Problematisch ist dabei, dass deren ökologische Validität und Vergleichbarkeit noch nicht empirisch abgesichert ist. Vorliegende Arbeit setzt an dieser methodischen und empirischen Lücke an. Sie überprüft sowohl die ökologische Validität als auch die Vergleichbarkeit von Natursimulationen. Dazu wird die erholsame Wirkung von zwei Natursimulationen im Vergleich zu der physisch-materiellen Natur empirisch untersucht und verglichen. Darüber hinaus werden Aspekte des subjektiven Erlebens und der Bewertung im Naturerholungskontext exploriert. Als bedeutsamer Wirkmechanismus wird die erlebnisbezogene Künstlichkeit/Natürlichkeit angesehen, die sich auf die Erlebnisqualität von Natursimulationen und der physisch-materiellen Natur bezieht: Natursimulationen weisen im Vergleich zur physisch-materiellen Natur eine reduzierte Erlebnisqualität auf (erlebnisbezogene Künstlichkeit), z.B. eine reduzierte Qualität und Quantität der Sinnesansprache. Stellt man einen derartigen Vergleich nicht nur mit der physisch-materiellen Natur, sondern mit unterschiedlichen Natursimulationstypen an, dann zeigen sich auch hier Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit. Beispielsweise unterscheidet sich ein Naturfoto von einem Naturfilm durch das Fehlen von auditiven und bewegten Stimuli. Diese erlebnisbezogene Künstlichkeit kann die erholsame Wirkung von Natur - direkt oder indirekt über Bewertungen - hemmen. Als Haupthypothese wird angenommen, dass mit zunehmendem Ausmaß an erlebnisbezogener Künstlichkeit die erholsame Wirkung der Natur abnimmt. Dem kombinierten Feld- und Laborexperiment liegt ein einfaktorielles Vorher-Nachher-Design zugrunde. Den 117 Probanden wurde zunächst eine kognitiv und affektiv belastende Aufgabe vorgelegt, danach folgte die Erholungsphase. Diese bestand aus einem Spaziergang, der entweder in der physisch-materiellen Natur (urbaner Park) oder in einer der beiden audio-visuellen Natursimulationen (videogefilmter vs. computergenerierter Spaziergang durch selbigen urbanen Park) oder auf dem Laufband ohne audio-visuelle Darbietung stattfand. Die erlebnisbezogene Künstlichkeit/Natürlichkeit wurde also wie folgt operationlisiert: die physische Natur steht für die erlebnisbezogene Natürlichkeit. Die beiden Natursimulationen stehen für die erlebnisbezogene Künstlichkeit. Die computergenerierte Version ist im Vergleich zur Videoversion erlebnisbezogen künstlicher, da sie weniger fotorealistisch ist. Die Zuordnung zu einer der vier experimentellen Erholungssettings erfolgte nach dem Zufallsprinzip. Die Effekte von moderater Bewegung wurden in den Natursimulationen durch das Laufen auf dem Laufband kontrolliert. Die Beanspruchungs- bzw. Erholungsreaktionen wurden auf kognitiver (Konzentriertheit, Aufmerksamkeitsleistung) affektiver (3 Befindlichkeitsskalen: Wachheit, Ruhe, gute Stimmung) und physiologischer (Alpha-Amylase) Ebene gemessen, um ein umfassendes Bild der Reaktionen zu erhalten. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die beiden Natursimulationen trotz Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit/Natürlichkeit zu relativ ähnlichen Erholungsreaktionen führen, wie die physisch-materielle Natur. Eine Ausnahme stellen eine der drei affektiven (Wachheit) und die physiologische Reaktion dar: Probanden der physisch-materiellen Naturbedingung geben an wacher zu sein und weisen - wider erwarten - eine höhere physiologische Erregung auf. Demnach ist die physisch-materielle Natur nicht grundsätzlich erholsamer als die Natursimulationen. Die Hypothese ließ sich somit nicht bestätigen. Vielmehr deuten sich komplexe Erholungsmuster und damit auch unterschiedliche Erholungsqualitäten der Settings an, die einer differenzierten Betrachtung bedürfen. Für die ökologische Validität von Natursimulationen gilt, dass diese nur mit Einschränkung als ökologisch valide bezeichnet werden können, d.h. nur für bestimmte, aber nicht für alle Erholungsreaktionen. Die beiden Natursimulationen führen ebenfalls trotz Unterschiede in der erlebnisbezogenen Künstlichkeit zu ähnlichen Erholungsreaktionen und können somit als gleichwertig behandelt werden. Erstaunlicherweise kommt es hier zu ähnlichen Erholungsreaktionen, obwohl die bestehenden Unterschiede von den Probanden wahrgenommen und die erlebnisbezogen künstlichere computergenerierte Version negativer bewertet wird. Aufgrund der nicht erwartungskonformen Ergebnisse muss das Erklärungskonzept der erlebnisbezogenen Künstlichkeit/Natürlichkeit infrage gestellt werden. Alternative Erklärungskonzepte für die Ergebnisse („Ungewissheit“, mentale räumliche Modelle), die sich andeutenden unterschiedlichen Erholungsqualitäten der Settings, methodische Einschränkungen sowie die praktische Bedeutung der Ergebnisse werden kritisch diskutiert.