Synthesis and Characterization of Novel Spiro-Starburst-Structures as Blue Light Emitters and Zeolites

Spiro-starburst-structures with symmetric globular structures in forms of first and second generations that readily form stable amorphous glasses have been synthesized and then characterised in this work. During the synthesis of these materials, possibilities of the extension of the chains of the phenyl rings in 2,2’,7 and 7’-positions of the central core of the spirobifluorene as well as the 2’,7 and 7’-positions of the terminal spirobifluorene units of the spiro-starburst-structures have been investigated so that solubilities and morphologies of the compounds are not negatively influenced. Their morphological properties have been explored by recording their decomposition temperature and glass transition temperature. These compounds possessing two perpendicular arrangement of the two molecular halves show high glass transition temperature (Tg), which is one of the most important parameter indicating the stability of the amorphous state of the material for optoelectronic devices like organic light emitting diodes. Within the species of second generation compounds, for example, 4-spiro3 shows the highest Tg (330 °C) and the highest branching degree. When one [4B(SBF)SBF-SBF 84] or two [4SBFSBF-SBF 79] terminal spirobifluorene units are removed, the Tg decreases to 318 °C and 307 °C respectively. Photo absorption and fluorescence spectra and cyclic voltammetry measurements are taken in account to characterize the optoelectronic properties of the compounds. Spiro-starburst-structures emit radiation in the blue region of the visible spectrum. The peak maxima of absorption and emission spectra are observed to be at higher wavelength in the molecules with longer chromophore chains than in the molecules with shorter chromophore chains. Excitation spectra are monitored with their emission peak maxima. The increasing absorbing species in molecule leads to increasing molar extinction coefficient. In the case of 4B(TP)SBF-SBF 53 and 4B(SBF)SBF-SBF 84, the greater values of the molar extinction coefficients (43*104 and 44*104 L mol-1 cm-1 respectively) are the evidences of the presence of four times octiphenyl conjugation rings and eight times terminal fluorene units respectively. The optical properties of solid states of these compounds in the form of thin film indicate that the intermolecular interaction and aggregation of individual molecules in neat amorphous films are effectively hindered by their sterically demanding structures. Accordingly, in solid state, they behave like isolated molecules in highly dilute solution. Cyclic voltammetry measurements of these compounds show electrochemically reversibility and stability. Furthermore, the zeolitic nature (host-guest) of the molecular sieve of the synthesized spiro-starburst-structures has been analysed by thermogravimetric analysis method.

Model Calculations and Implementation of Filters and Hybrid Green VCSELs based on Optical Thin Film Stacks

This work introduced the novel conception of complex coupled hybrid VCSELs for the first time. Alternating organic and inorganic layers in the lasers provide periodic variation of refractive index and optical gain, which enable single mode operation and low threshold of the VCSELs. Model calculations revealed great reduction of the lasing threshold with factors over 30, in comparison with the existing micro-cavity lasers. Tunable green VCSEL has been also designed, implemented and analyzed taking advantage of the broad photoluminescence spectra of the organics. Free standing optical thin films without compressive stress are technologically implemented. Multiple membrane stacks with air gap in between have been fabricated for the implementation of complex coupled VCSEL structures. Complex coupled hybrid VCSEL is a very promising approach to fill the gaps in the green spectral range of the semiconductor lasers.

Resource use pattern and agroecosystem functioning in Rawanganga micro-watershed in Garhwal Himalaya, India

Agro-ecological resource use pattern in a traditional hill agricultural watershed in Garhwal Himalaya was analysed along an altitudinal transect. Thirty one food crops were found, although only 0.5% agriculture land is under irrigation in the area. Fifteen different tree species within agroforestry systems were located and their density varied from 30-90 trees/ha. Grain yield, fodder from agroforest trees and crop residue were observed to be highest between 1200 and 1600 m a.s.l. Also the annual energy input- output ratio per hectare was highest between 1200 and 1600 m a.s.l. (1.46). This higher input- output ratio between 1200-1600 m a.s.l. was attributed to the fact that green fodder, obtained from agroforestry trees, was considered as farm produce. The energy budget across altitudinal zones revealed 95% contribution of the farmyard manure and the maximum output was in terms of either crop residue (35%) or fodder (55%) from the agroforestry component. Presently on average 23%, 29% and 41% cattle were dependent on stall feeding in villages located at higher, lower and middle altitudes respectively. Similarly, fuel wood consumption was greatly influenced by altitude and family size. The efficiency and sustainability of the hill agroecosystem can be restored by strengthening of the agroforestry component. The approach will be appreciated by the local communities and will readily find their acceptance and can ensure their effective participation in the programme.

Organische Mikro- und Nanodrähte auf Basis von Perylendiimiden

Diese Arbeit thematisiert die optimierte Darstellung von organischen Mikro- und Nanodrähten, Untersuchungen bezüglich deren molekularen Aufbaus und die anwendungsorientierte Charakterisierung der Eigenschaften. Mikro- und Nanodrähte haben in den letzten Jahren im Zuge der Miniaturisierung von Technologien an weitreichendem Interesse gewonnen. Solche eindimensionalen Strukturen, deren Durchmesser im Bereich weniger zehn Nanometer bis zu einigen wenigen Mikrometern liegt, sind Gegenstand intensiver Forschung. Neben anorganischen Ausgangssubstanzen zur Erzeugung von Mikro- und Nanodrähten haben organische Funktionsmaterialien aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Verarbeitbarkeit sowie ihrer interessanten elektrischen und optischen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Eine wichtige Materialklasse ist in diesem Zusammenhang die Verbindungsklasse der n-halbleitenden Perylentetracarbonsäurediimide (kurz Perylendiimide). Dem erfolgreichen Einsatz von eindimensionalen Strukturen als miniaturisierte Bausteine geht die optimierte und kontrollierte Herstellung voraus. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde die neue Methode der Drahterzeugung „Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre“ entwickelt, welche auf Selbstassemblierung der Substanzmoleküle aus Lösung basiert und unter dem Einfluss von Lösungsmitteldampf direkt auf einem vorgegebenen Substrat stattfindet. Im Gegensatz zu literaturbekannten Methoden ist kein Transfer der Drähte aus einem Reaktionsgefäß nötig und damit verbundene Beschädigungen der Strukturen werden vermieden. Während herkömmliche Methoden in einer unkontrolliert großen Menge von ineinander verwundenen Drähten resultieren, erlaubt die substratbasierte Technik die Bildung voneinander separierter Einzelfasern und somit beispielsweise den Einsatz in Einzelstrukturbauteilen. Die erhaltenen Fasern sind morphologisch sehr gleichmäßig und weisen bei Längen von bis zu 5 mm bemerkenswert hohe Aspektverhältnisse von über 10000 auf. Darüber hinaus kann durch das direkte Drahtwachstum auf dem Substrat über den Einsatz von vorstrukturierten Oberflächen und Wachstumsmasken gerichtetes, lokal beschränktes Drahtwachstum erzielt werden und damit aktive Kontrolle auf Richtung und Wachstumsbereich der makroskopisch nicht handhabbaren Objekte ausgeübt werden. Um das Drahtwachstum auch hinsichtlich der Materialauswahl, d. h. der eingesetzten Ausgangsmaterialien zur Drahterzeugung und somit der resultierenden Eigenschaften der gebildeten Strukturen aktiv kontrollieren zu können, wird der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Morphologie der Selbstassemblierungsprodukte am Beispiel unterschiedlicher Derivate betrachtet. So stellt sich zum einen die Art der eingesetzten Lösungsmittel in flüssiger und gasförmiger Phase beim Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre als wichtiger Faktor heraus. Beide Lösungsmittel dienen als Interaktionspartner für die Moleküle des funktionellen Drahtmaterials im Selbstassemblierungsprozess. Spezifische Wechselwirkungen zwischen Perylendiimid-Molekülen untereinander und mit Lösungsmittel-Molekülen bestimmen dabei die äußere Form der erhaltenen Strukturen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Molekülstruktur des verwendeten funktionellen Perylendiimids. Es wird der Einfluss einer Bay-Substitution bzw. einer unsymmetrischen Imid-Substitution auf die Morphologie der erhaltenen Strukturen herausgestellt. Für das detaillierte Verständnis des Zusammenhanges zwischen Molekülstruktur und nötigen Wachstumsbedingungen für die Bildung von eindimensionalen Strukturen zum einen, aber auch die resultierenden Eigenschaften der erhaltenen Aggregationsprodukte zum anderen, sind Informationen über den molekularen Aufbau von großer Bedeutung. Im Rahmen der Doktorarbeit konnte ein molekular hoch geordneter, kristalliner Aufbau der Drähte nachgewiesen werden. Durch Kombination unterschiedlicher Messmethoden ist es gelungen, die molekulare Anordnung in Strukturen aus einem Spirobifluoren-substituierten Derivat in Form einer verkippten Molekülstapelung entlang der Drahtlängsrichtung zu bestimmen. Um mögliche Anwendungsbereiche der erzeugten Drähte aufzuzeigen, wurden diese hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften analysiert. Neben dem potentiellen Einsatz im Bereich von Filteranwendungen und Sensoren, sind vor allem die halbleitenden und optisch wellenleitenden Eigenschaften hervorzuheben. Es konnten organische Transistoren auf der Basis von Einzeldrähten mit im Vergleich zu Dünnschichtbauteilen erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeiten präpariert werden. Darüber hinaus wurden die erzeugten eindimensionalen Strukturen als aktive optische Wellenleiter charakterisiert. Die im Rahmen der Dissertation erarbeiteten Kenntnisse bezüglich der Bildung von eindimensionalen Strukturen durch Selbstassemblierung, des Drahtaufbaus und erster anwendungsorientierter Charakterisierung stellen eine Basis zur Weiterentwicklung solcher miniaturisierter Bausteine für unterschiedlichste Anwendungen dar. Die neu entwickelte Methode des Trocknens unter Lösungsmittelatmosphäre ist nicht auf den Einsatz von Perylendiimiden beschränkt, sondern kann auf andere Substanzklassen ausgeweitet werden. Dies eröffnet breite Möglichkeiten der Materialauswahl und somit der Einsatzmöglichkeiten der erhaltenen Strukturen.

Employment and Income of Workers on Indonesian Oil Palm Plantations: Food Crisis at the Micro Level

The importance of oil palm sector for Indonesia is inevitable as the country currently serves as the world’s largest producer of crude palm oil. This paper focuses on the situation of workers on Indonesian oil palm plantations. It attempts to investigate whether the remarkable development of the sector is followed by employment opportunities and income generation for workers. This question is posed within the theoretical framework on the link between trade liberalisation and labour rights, particularly in a labour-intensive and low-skilled sector. Based on extensive field research in Riau, this paper confirms that despite the rapid development of the oil palm plantation sector in Indonesia, the situations of workers in the sector remain deplorable, particularly their employment status and income. This also attests that trade liberalisation in the sector adversely affects labour rights. The poor working conditions also have ramifications for food security at the micro level.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Meshing highly regular structures: The case of super carbon nanotubes of arbitrary order

Mesh generation is an important step inmany numerical methods.We present the “HierarchicalGraphMeshing” (HGM)method as a novel approach to mesh generation, based on algebraic graph theory.The HGM method can be used to systematically construct configurations exhibiting multiple hierarchies and complex symmetry characteristics. The hierarchical description of structures provided by the HGM method can be exploited to increase the efficiency of multiscale and multigrid methods. In this paper, the HGMmethod is employed for the systematic construction of super carbon nanotubes of arbitrary order, which present a pertinent example of structurally and geometrically complex, yet highly regular, structures. The HGMalgorithm is computationally efficient and exhibits good scaling characteristics. In particular, it scales linearly for super carbon nanotube structures and is working much faster than geometry-based methods employing neighborhood search algorithms. Its modular character makes it conducive to automatization. For the generation of a mesh, the information about the geometry of the structure in a given configuration is added in a way that relates geometric symmetries to structural symmetries. The intrinsically hierarchic description of the resulting mesh greatly reduces the effort of determining mesh hierarchies for multigrid and multiscale applications and helps to exploit symmetry-related methods in the mechanical analysis of complex structures.

Parallel Coupled Micro-Macro Actuators

This thesis presents a new actuator system consisting of a micro-actuator and a macro-actuator coupled in parallel via a compliant transmission. The system is called the Parallel Coupled Micro-Macro Actuator, or PaCMMA. In this system, the micro-actuator is capable of high bandwidth force control due to its low mass and direct-drive connection to the output shaft. The compliant transmission of the macro-actuator reduces the impedance (stiffness) at the output shaft and increases the dynamic range of force. Performance improvement over single actuator systems was expected in force control, impedance control, force distortion and reduction of transient impact forces. A set of quantitative measures is proposed and the actuator system is evaluated against them: Force Control Bandwidth, Position Bandwidth, Dynamic Range, Impact Force, Impedance ("Backdriveability'"), Force Distortion and Force Performance Space. Several theoretical performance limits are derived from the saturation limits of the system. A control law is proposed and control system performance is compared to the theoretical limits. A prototype testbed was built using permanenent magnet motors and an experimental comparison was performed between this actuator concept and two single actuator systems. The following performance was observed: Force bandwidth of 56Hz, Torque Dynamic Range of 800:1, Peak Torque of 1040mNm, Minimum Torque of 1.3mNm. Peak Impact Force was reduced by an order of magnitude. Distortion at small amplitudes was reduced substantially. Backdriven impedance was reduced by 2-3 orders of magnitude. This actuator system shows promise for manipulator design as well as psychophysical tests of human performance.

Object Recognition with Pictorial Structures

This thesis presents a statistical framework for object recognition. The framework is motivated by the pictorial structure models introduced by Fischler and Elschlager nearly 30 years ago. The basic idea is to model an object by a collection of parts arranged in a deformable configuration. The appearance of each part is modeled separately, and the deformable configuration is represented by spring-like connections between pairs of parts. These models allow for qualitative descriptions of visual appearance, and are suitable for generic recognition problems. The problem of detecting an object in an image and the problem of learning an object model using training examples are naturally formulated under a statistical approach. We present efficient algorithms to solve these problems in our framework. We demonstrate our techniques by training models to represent faces and human bodies. The models are then used to locate the corresponding objects in novel images.

Piezoelectric Ultrasonic Micromotors

This report describes development of micro-fabricated piezoelectric ultrasonic motors and bulk-ceramic piezoelectric ultrasonic motors. Ultrasonic motors offer the advantage of low speed, high torque operation without the need for gears. They can be made compact and lightweight and provide a holding torque in the absence of applied power, due to the traveling wave frictional coupling mechanism between the rotor and the stator. This report covers modeling, simulation, fabrication and testing of ultrasonic motors. Design of experiments methods were also utilized to find optimal motor parameters. A suite of 8 mm diameter x 3 mm tall motors were machined for these studies and maximum stall torques as large as 10^(- 3) Nm, maximum no-load speeds of 1710 rpm and peak power outputs of 27 mW were realized. Aditionally, this report describes the implementation of a microfabricated ultrasonic motor using thin-film lead zirconate titanate. In a joint project with the Pennsylvania State University Materials Research Laboratory and MIT Lincoln Laboratory, 2 mm and 5 mm diameter stator structures were fabricated on 1 micron thick silicon nitride membranes. Small glass lenses placed down on top spun at 100-300 rpm with 4 V excitation at 90 kHz. The large power densities and stall torques of these piezoelectric ultrasonic motors offer tremendous promis for integrated machines: complete intelligent, electro-mechanical autonomous systems mass-produced in a single fabrication process.

Geometric and Algebraic Aspects of 3D Affine and Projective Structures from Perspective 2D Views

We investigate the differences --- conceptually and algorithmically --- between affine and projective frameworks for the tasks of visual recognition and reconstruction from perspective views. It is shown that an affine invariant exists between any view and a fixed view chosen as a reference view. This implies that for tasks for which a reference view can be chosen, such as in alignment schemes for visual recognition, projective invariants are not really necessary. We then use the affine invariant to derive new algebraic connections between perspective views. It is shown that three perspective views of an object are connected by certain algebraic functions of image coordinates alone (no structure or camera geometry needs to be involved).

Preliminary Characterisation of Low-Temperature Bonded Copper Interconnects for 3-D Integrated Circuits

Three dimensional (3-D) integrated circuits can be fabricated by bonding previously processed device layers using metal-metal bonds that also serve as layer-to-layer interconnects. Bonded copper interconnects test structures were created by thermocompression bonding and the bond toughness was measured using the four-point test. The effects of bonding temperature, physical bonding and failure mechanisms were investigated. The surface effects on copper surface due to pre-bond clean (with glacial acetic acid) were also looked into. A maximum average bond toughness of approximately 35 J/m² was obtained bonding temperature 300 C.

Design and Development of 3-DOF Modular Micro Parallel Kinematic Manipulator

This paper presents the research and development of a 3-legged micro Parallel Kinematic Manipulator (PKM) for positioning in micro-machining and assembly operations. The structural characteristics associated with parallel manipulators are evaluated and the PKMs with translational and rotational movements are identified. Based on these identifications, a hybrid 3-UPU (Universal Joint-Prismatic Joint-Universal Joint) parallel manipulator is designed and fabricated. The principles of the operation and modeling of this micro PKM is largely similar to a normal size Stewart Platform (SP). A modular design methodology is introduced for the construction of this micro PKM. Calibration results of this hybrid 3-UPU PKM are discussed in this paper.

Investigation of aspect ratio of hole drilling from micro to nanoscale via focused ion beam fine milling

Holes with different sizes from microscale to nanoscale were directly fabricated by focused ion beam (FIB) milling in this paper. Maximum aspect ratio of the fabricated holes can be 5:1 for the hole with large size with pure FIB milling, 10:1 for gas assistant etching, and 1:1 for the hole with size below 100 nm. A phenomenon of volume swell at the boundary of the hole was observed. The reason maybe due to the dose dependence of the effective sputter yield in low intensity Gaussian beam tail regions and redeposition. Different materials were used to investigate variation of the aspect ratio. The results show that for some special material, such as Ni-Be, the corresponding aspect ratio can reach 13.8:1 with Cl₂ assistant etching, but only 0.09:1 for Si(100) with single scan of the FIB.

Process Variability in Micro-Embossing

A promising technique for the large-scale manufacture of micro-fluidic devices and photonic devices is hot embossing of polymers such as PMMA. Micro-embossing is a deformation process where the workpiece material is heated to permit easier material flow and then forced over a planar patterned tool. While there has been considerable, attention paid to process feasibility very little effort has been put into production issues such as process capability and eventual process control. In this paper, we present initial studies aimed at identifying the origins and magnitude of variability for embossing features at the micron scale in PMMA. Test parts with features ranging from 3.5- 630 µm wide and 0.9 µm deep were formed. Measurements at this scale proved very difficult, and only atomic force microscopy was able to provide resolution sufficient to identify process variations. It was found that standard deviations of widths at the 3-4 µm scale were on the order of 0.5 µm leading to a coefficient of variation as high as 13%. Clearly, the transition from test to manufacturing for this process will require understanding the causes of this variation and devising control methods to minimize its magnitude over all types of parts.