Synthesis, Characterization and Applications of Modified TiO2 Systems

This thesis is divided in to 9 chapters and deals with the modification of TiO2 for various applications include photocatalysis, thermal reaction, photovoltaics and non-linear optics. Chapter 1 involves a brief introduction of the topic of study. An introduction to the applications of modified titania systems in various fields are discussed concisely. Scope and objectives of the present work are also discussed in this chapter. Chapter 2 explains the strategy adopted for the synthesis of metal, nonmetal co-doped TiO2 systems. Hydrothermal technique was employed for the preparation of the co-doped TiO2 system, where Ti[OCH(CH3)2]4, urea and metal nitrates were used as the sources for TiO2, N and metals respectively. In all the co-doped systems, urea to Ti[OCH(CH3)2]4 was taken in a 1:1 molar ratio and varied the concentration of metals. Five different co-doped catalytic systems and for each catalysts, three versions were prepared by varying the concentration of metals. A brief explanation of physico-chemical techniques used for the characterization of the material was also presented in this chapter. This includes X-ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, FTIR analysis, Thermo Gravimetric Analysis, Energy Dispersive X-ray Analysis (EDX), Scanning Electron Microscopy(SEM), UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-Vis DRS), Transmission Electron Microscopy (TEM), BET Surface Area Measurements and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Chapter 3 contains the results and discussion of characterization techniques used for analyzing the prepared systems. Characterization is an inevitable part of materials research. Determination of physico-chemical properties of the prepared materials using suitable characterization techniques is very crucial to find its exact field of application. It is clear from the XRD pattern that photocatalytically active anatase phase dominates in the calcined samples with peaks at 2θ values around 25.4°, 38°, 48.1°, 55.2° and 62.7° corresponding to (101), (004), (200), (211) and (204) crystal planes (JCPDS 21-1272) respectively. But in the case of Pr-N-Ti sample, a new peak was observed at 2θ = 30.8° corresponding to the (121) plane of the polymorph brookite. There are no visible peaks corresponding to dopants, which may be due to their low concentration or it is an indication of the better dispersion of impurities in the TiO2. Crystallite size of the sample was calculated from Scherrer equation byusing full width at half maximum (FWHM) of the (101) peak of the anatase phase. Crystallite size of all the co-doped TiO2 was found to be lower than that of bare TiO2 which indicates that the doping of metal ions having higher ionic radius into the lattice of TiO2 causes some lattice distortion which suppress the growth of TiO2 nanoparticles. The structural identity of the prepared system obtained from XRD pattern is further confirmed by Raman spectra measurements. Anatase has six Raman active modes. Band gap of the co-doped system was calculated using Kubelka-Munk equation and that was found to be lower than pure TiO2. Stability of the prepared systems was understood from thermo gravimetric analysis. FT-IR was performed to understand the functional groups as well as to study the surface changes occurred during modification. EDX was used to determine the impurities present in the system. The EDX spectra of all the co-doped samples show signals directly related to the dopants. Spectra of all the co-doped systems contain O and Ti as the main components with low concentrations of doped elements. Morphologies of the prepared systems were obtained from SEM and TEM analysis. Average particle size of the systems was drawn from histogram data. Electronic structures of the samples were identified perfectly from XPS measurements. Chapter 4 describes the photocatalytic degradation of herbicides Atrazine and Metolachlor using metal, non-metal co-doped titania systems. The percentage of degradation was analyzed by HPLC technique. Parameters such as effect of different catalysts, effect of time, effect of catalysts amount and reusability studies were discussed. Chapter 5 deals with the photo-oxidation of some anthracene derivatives by co-doped catalytic systems. These anthracene derivatives come underthe category of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Due to the presence of stable benzene rings, most of the PAH show strong inhibition towards biological degradation and the common methods employed for their removal. According to environmental protection agency, most of the PAH are highly toxic in nature. TiO2 photochemistry has been extensively investigated as a method for the catalytic conversion of such organic compounds, highlighting the potential of thereof in the green chemistry. There are actually two methods for the removal of pollutants from the ecosystem. Complete mineralization is the one way to remove pollutants. Conversion of toxic compounds to another compound having toxicity less than the initial starting compound is the second way. Here in this chapter, we are concentrating on the second aspect. The catalysts used were Gd(1wt%)-N-Ti, Pd(1wt%)-N-Ti and Ag(1wt%)-N-Ti. Here we were very successfully converted all the PAH to anthraquinone, a compound having diverse applications in industrial as well as medical fields. Substitution of 10th position of desired PAH by phenyl ring reduces the feasibility of photo reaction and produced 9-hydroxy 9-phenyl anthrone (9H9PA) as an intermediate species. The products were separated and purified by column chromatography using 70:30 hexane/DCM mixtures as the mobile phase and the resultant products were characterized thoroughly by 1H NMR, IR spectroscopy and GCMS analysis. Chapter 6 elucidates the heterogeneous Suzuki coupling reaction by Cu/Pd bimetallic supported on TiO2. Sol-Gel followed by impregnation method was adopted for the synthesis of Cu/Pd-TiO2. The prepared system was characterized by XRD, TG-DTG, SEM, EDX, BET Surface area and XPS. The product was separated and purified by column chromatography using hexane as the mobile phase. Maximum isolated yield of biphenyl of around72% was obtained in DMF using Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti as the catalyst. In this reaction, effective solvent, base and catalyst were found to be DMF, K2CO3 and Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti respectively. Chapter 7 gives an idea about the photovoltaic (PV) applications of TiO2 based thin films. Due to energy crisis, the whole world is looking for a new sustainable energy source. Harnessing solar energy is one of the most promising ways to tackle this issue. The present dominant photovoltaic (PV) technologies are based on inorganic materials. But the high material, low power conversion efficiency and manufacturing cost limits its popularization. A lot of research has been conducted towards the development of low-cost PV technologies, of which organic photovoltaic (OPV) devices are one of the promising. Here two TiO2 thin films having different thickness were prepared by spin coating technique. The prepared films were characterized by XRD, AFM and conductivity measurements. The thickness of the films was measured by Stylus Profiler. This chapter mainly concentrated on the fabrication of an inverted hetero junction solar cell using conducting polymer MEH-PPV as photo active layer. Here TiO2 was used as the electron transport layer. Thin films of MEH-PPV were also prepared using spin coating technique. Two fullerene derivatives such as PCBM and ICBA were introduced into the device in order to improve the power conversion efficiency. Effective charge transfer between the conducting polymer and ICBA were understood from fluorescence quenching studies. The fabricated Inverted hetero junction exhibited maximum power conversion efficiency of 0.22% with ICBA as the acceptor molecule. Chapter 8 narrates the third order order nonlinear optical properties of bare and noble metal modified TiO2 thin films. Thin films were fabricatedby spray pyrolysis technique. Sol-Gel derived Ti[OCH(CH3)2]4 in CH3CH2OH/CH3COOH was used as the precursor for TiO2. The precursors used for Au, Ag and Pd were the aqueous solutions of HAuCl4, AgNO3 and Pd(NO3)2 respectively. The prepared films were characterized by XRD, SEM and EDX. The nonlinear optical properties of the prepared materials were investigated by Z-Scan technique comprising of Nd-YAG laser (532 nm,7 ns and10 Hz). The non-linear coefficients were obtained by fitting the experimental Z-Scan plot with the theoretical plots. Nonlinear absorption is a phenomenon defined as a nonlinear change (increase or decrease) in absorption with increasing of intensity. This can be mainly divided into two types: saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA). Depending on the pump intensity and on the absorption cross- section at the excitation wavelength, most molecules show non- linear absorption. With increasing intensity, if the excited states show saturation owing to their long lifetimes, the transmission will show SA characteristics. Here absorption decreases with increase of intensity. If, however, the excited state has strong absorption compared with that of the ground state, the transmission will show RSA characteristics. Here in our work most of the materials show SA behavior and some materials exhibited RSA behavior. Both these properties purely depend on the nature of the materials and alignment of energy states within them. Both these SA and RSA have got immense applications in electronic devices. The important results obtained from various studies are presented in chapter 9.

On Queues with Interruption and Protection

Cochin University Of Science And Technology

Investigations on Metamaterial Based Spiral Inductors for Compact Microwave Devices

Division of Electronics Engineering

New studies on the versatile roles of Polyaniline and its composites in polymer based optoelectronic and energy storage devices

From the early stages of the twentieth century, polyaniline (PANI), a well-known and extensively studied conducting polymer has captured the attention of scientific community owing to its interesting electrical and optical properties. Starting from its structural properties, to the currently pursued optical, electrical and electrochemical properties, extensive investigations on pure PANI and its composites are still much relevant to explore its potentialities to the maximum extent. The synthesis of highly crystalline PANI films with ordered structure and high electrical conductivity has not been pursued in depth yet. Recently, nanostructured PANI and the nanocomposites of PANI have attracted a great deal of research attention owing to the possibilities of applications in optical switching devices, optoelectronics and energy storage devices. The work presented in the thesis is centered around the realization of highly conducting and structurally ordered PANI and its composites for applications mainly in the areas of nonlinear optics and electrochemical energy storage. Out of the vast variety of application fields of PANI, these two areas are specifically selected for the present studies, because of the following observations. The non-linear optical properties and the energy storing properties of PANI depend quite sensitively on the extent of conjugation of the polymer structure, the type and concentration of the dopants added and the type and size of the nano particles selected for making the nanocomposites. The first phase of the work is devoted to the synthesis of highly ordered and conducting films of PANI doped with various dopants and the structural, morphological and electrical characterization followed by the synthesis of metal nanoparticles incorporated PANI samples and the detailed optical characterization in the linear and nonlinear regimes. The second phase of the work comprises the investigations on the prospects of PANI in realizing polymer based rechargeable lithium ion cells with the inherent structural flexibility of polymer systems and environmental safety and stability. Secondary battery systems have become an inevitable part of daily life. They can be found in most of the portable electronic gadgets and recently they have started powering automobiles, although the power generated is low. The efficient storage of electrical energy generated from solar cells is achieved by using suitable secondary battery systems. The development of rechargeable battery systems having excellent charge storage capacity, cyclability, environmental friendliness and flexibility has yet to be realized in practice. Rechargeable Li-ion cells employing cathode active materials like LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4 have got remarkable charge storage capacity with least charge leakage when not in use. However, material toxicity, chance of cell explosion and lack of effective cell recycling mechanism pose significant risk factors which are to be addressed seriously. These cells also lack flexibility in their design due to the structural characteristics of the electrode materials. Global research is directed towards identifying new class of electrode materials with less risk factors and better structural stability and flexibility. Polymer based electrode materials with inherent flexibility, stability and eco-friendliness can be a suitable choice. One of the prime drawbacks of polymer based cathode materials is the low electronic conductivity. Hence the real task with this class of materials is to get better electronic conductivity with good electrical storage capability. Electronic conductivity can be enhanced by using proper dopants. In the designing of rechargeable Li-ion cells with polymer based cathode active materials, the key issue is to identify the optimum lithiation of the polymer cathode which can ensure the highest electronic conductivity and specific charge capacity possible The development of conducting polymer based rechargeable Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling characteristics is a highly competitive area among research and development groups, worldwide. Polymer based rechargeable batteries are specifically attractive due to the environmentally benign nature and the possible constructional flexibility they offer. Among polymers having electrical transport properties suitable for rechargeable battery applications, polyaniline is the most favoured one due to its tunable electrical conducting properties and the availability of cost effective precursor materials for its synthesis. The performance of a battery depends significantly on the characteristics of its integral parts, the cathode, anode and the electrolyte, which in turn depend on the materials used. Many research groups are involved in developing new electrode and electrolyte materials to enhance the overall performance efficiency of the battery. Currently explored electrolytes for Li ion battery applications are in liquid or gel form, which makes well-defined sealing essential. The use of solid electrolytes eliminates the need for containment of liquid electrolytes, which will certainly simplify the cell design and improve the safety and durability. The other advantages of polymer electrolytes include dimensional stability, safety and the ability to prevent lithium dendrite formation. One of the ultimate aims of the present work is to realize all solid state, flexible and environment friendly Li-ion cells with high specific capacity and excellent cycling stability. Part of the present work is hence focused on identifying good polymer based solid electrolytes essential for realizing all solid state polymer based Li ion cells.The present work is an attempt to study the versatile roles of polyaniline in two different fields of technological applications like nonlinear optics and energy storage. Conducting form of doped PANI films with good extent of crystallinity have been realized using a level surface assisted casting method in addition to the generally employed technique of spin coating. Metal nanoparticles embedded PANI offers a rich source for nonlinear optical studies and hence gold and silver nanoparticles have been used for making the nanocomposites in bulk and thin film forms. These PANI nanocomposites are found to exhibit quite dominant third order optical non-linearity. The highlight of these studies is the observation of the interesting phenomenon of the switching between saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA) in the films of Ag/PANI and Au/PANI nanocomposites, which offers prospects of applications in optical switching. The investigations on the energy storage prospects of PANI were carried out on Li enriched PANI which was used as the cathode active material for assembling rechargeable Li-ion cells. For Li enrichment or Li doping of PANI, n-Butyllithium (n-BuLi) in hexanes was used. The Li doping as well as the Li-ion cell assembling were carried out in an argon filled glove box. Coin cells were assembled with Li doped PANI with different doping concentrations, as the cathode, LiPF6 as the electrolyte and Li metal as the anode. These coin cells are found to show reasonably good specific capacity around 22mAh/g and excellent cycling stability and coulombic efficiency around 99%. To improve the specific capacity, composites of Li doped PANI with inorganic cathode active materials like LiFePO4 and LiMn2O4 were synthesized and coin cells were assembled as mentioned earlier to assess the electrochemical capability. The cells assembled using the composite cathodes are found to show significant enhancement in specific capacity to around 40mAh/g. One of the other interesting observations is the complete blocking of the adverse effects of Jahn-Teller distortion, when the composite cathode, PANI-LiMn2O4 is used for assembling the Li-ion cells. This distortion is generally observed, near room temperature, when LiMn2O4 is used as the cathode, which significantly reduces the cycling stability of the cells.

Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

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

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

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

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

Framework for middleware executed on mobile devices

Die ubiquitäre Datenverarbeitung ist ein attraktives Forschungsgebiet des vergangenen und aktuellen Jahrzehnts. Es handelt von unaufdringlicher Unterstützung von Menschen in ihren alltäglichen Aufgaben durch Rechner. Diese Unterstützung wird durch die Allgegenwärtigkeit von Rechnern ermöglicht die sich spontan zu verteilten Kommunikationsnetzwerken zusammen finden, um Informationen auszutauschen und zu verarbeiten. Umgebende Intelligenz ist eine Anwendung der ubiquitären Datenverarbeitung und eine strategische Forschungsrichtung der Information Society Technology der Europäischen Union. Das Ziel der umbebenden Intelligenz ist komfortableres und sichereres Leben. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung charakterisieren sich durch Heterogenität der verwendeten Rechner. Diese reichen von Kleinstrechnern, eingebettet in Gegenstände des täglichen Gebrauchs, bis hin zu leistungsfähigen Großrechnern. Die Rechner verbinden sich spontan über kabellose Netzwerktechnologien wie wireless local area networks (WLAN), Bluetooth, oder UMTS. Die Heterogenität verkompliziert die Entwicklung und den Aufbau von verteilten Kommunikationsnetzwerken. Middleware ist eine Software Technologie um Komplexität durch Abstraktion zu einer homogenen Schicht zu reduzieren. Middleware bietet eine einheitliche Sicht auf die durch sie abstrahierten Ressourcen, Funktionalitäten, und Rechner. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung sind durch die spontane Verbindung von Rechnern gekennzeichnet. Klassische Middleware geht davon aus, dass Rechner dauerhaft miteinander in Kommunikationsbeziehungen stehen. Das Konzept der dienstorienterten Architektur ermöglicht die Entwicklung von Middleware die auch spontane Verbindungen zwischen Rechnern erlaubt. Die Funktionalität von Middleware ist dabei durch Dienste realisiert, die unabhängige Software-Einheiten darstellen. Das Wireless World Research Forum beschreibt Dienste die zukünftige Middleware beinhalten sollte. Diese Dienste werden von einer Ausführungsumgebung beherbergt. Jedoch gibt es noch keine Definitionen wie sich eine solche Ausführungsumgebung ausprägen und welchen Funktionsumfang sie haben muss. Diese Arbeit trägt zu Aspekten der Middleware-Entwicklung für verteilte Kommunikationsnetzwerke in der ubiquitären Datenverarbeitung bei. Der Schwerpunkt liegt auf Middleware und Grundlagentechnologien. Die Beiträge liegen als Konzepte und Ideen für die Entwicklung von Middleware vor. Sie decken die Bereiche Dienstfindung, Dienstaktualisierung, sowie Verträge zwischen Diensten ab. Sie sind in einem Rahmenwerk bereit gestellt, welches auf die Entwicklung von Middleware optimiert ist. Dieses Rahmenwerk, Framework for Applications in Mobile Environments (FAME²) genannt, beinhaltet Richtlinien, eine Definition einer Ausführungsumgebung, sowie Unterstützung für verschiedene Zugriffskontrollmechanismen um Middleware vor unerlaubter Benutzung zu schützen. Das Leistungsspektrum der Ausführungsumgebung von FAME² umfasst: • minimale Ressourcenbenutzung, um auch auf Rechnern mit wenigen Ressourcen, wie z.B. Mobiltelefone und Kleinstrechnern, nutzbar zu sein • Unterstützung für die Anpassung von Middleware durch Änderung der enthaltenen Dienste während die Middleware ausgeführt wird • eine offene Schnittstelle um praktisch jede existierende Lösung für das Finden von Diensten zu verwenden • und eine Möglichkeit der Aktualisierung von Diensten zu deren Laufzeit um damit Fehlerbereinigende, optimierende, und anpassende Wartungsarbeiten an Diensten durchführen zu können Eine begleitende Arbeit ist das Extensible Constraint Framework (ECF), welches Design by Contract (DbC) im Rahmen von FAME² nutzbar macht. DbC ist eine Technologie um Verträge zwischen Diensten zu formulieren und damit die Qualität von Software zu erhöhen. ECF erlaubt das aushandeln sowie die Optimierung von solchen Verträgen.

Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Non-linear mechanical behavior of the elastomer polydimethylsiloxane (PDMS) used in the manufacture of microfluidic devices

Polydimethylsiloxane (PDMS) is the elastomer of choice to create a variety of microfluidic devices by soft lithography techniques (eg., [1], [2], [3], [4]). Accurate and reliable design, manufacture, and operation of microfluidic devices made from PDMS, require a detailed characterization of the deformation and failure behavior of the material. This paper discusses progress in a recently-initiated research project towards this goal. We have conducted large-deformation tension and compression experiments on traditional macroscale specimens, as well as microscale tension experiments on thin-film (≈ 50µm thickness) specimens of PDMS with varying ratios of monomer:curing agent (5:1, 10:1, 20:1). We find that the stress-stretch response of these materials shows significant variability, even for nominally identically prepared specimens. A non-linear, large-deformation rubber-elasticity model [5], [6] is applied to represent the behavior of PDMS. The constitutive model has been implemented in a finite-element program [7] to aid the design of microfluidic devices made from this material. As a first attempt towards the goal of estimating the non-linear material parameters for PDMS from indentation experiments, we have conducted micro-indentation experiments using a spherical indenter-tip, and carried out corresponding numerical simulations to verify how well the numerically-predicted P(load-h(depth of indentation) curves compare with the corresponding experimental measurements. The results are encouraging, and show the possibility of estimating the material parameters for PDMS from relatively simple micro-indentation experiments, and corresponding numerical simulations.

Fabrication of Controlled Release Devices Using Supercritical Antisolvent Method

In this study, the supercritical antisolvent with enhanced mass transfer method (SASEM) is used to fabricate micro and nanoparticles of biocompatible and biodegradable polymer PLGA (poly DL lactide co glycolic acid). This process may be extended to the encapsulation of drugs in these micro and nanoparticles for controlled release purposes. Conventional supercritical antisolvent (SAS) process involves spraying a solution (organic solvent + dissolved polymer) into supercritical fluid (CO[subscript 2]), which acts as an antisolvent. The high rate of mass transfer between organic solvent and supercritical CO[subscript 2] results in supersaturation of the polymer in the spray droplet and precipitation of the polymer as micro or nanoparticles occurs. In the SASEM method, ultrasonic vibration is used to atomize the solution entering the high pressure with supercritical CO[subscript 2]. At the same time, the ultrasonic vibration generated turbulence in the high pressure vessel, leading to better mass transfer between the organic solvent and the supercritical CO₂. In this study, two organic solvents, acetone and dichloromethane (DCM) were used in the SASEM process. Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) was used to study the ultrasonic atomization of liquid using the ultrasonic probe for the SASEM process. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used to study the size and morphology of the polymer particles collected at the end of the process.

Enhancing MPLS QoS routing algorithms by using the network protection degree paradigm

IP based networks still do not have the required degree of reliability required by new multimedia services, achieving such reliability will be crucial in the success or failure of the new Internet generation. Most of existing schemes for QoS routing do not take into consideration parameters concerning the quality of the protection, such as packet loss or restoration time. In this paper, we define a new paradigm to develop new protection strategies for building reliable MPLS networks, based on what we have called the network protection degree (NPD). This NPD consists of an a priori evaluation, the failure sensibility degree (FSD), which provides the failure probability and an a posteriori evaluation, the failure impact degree (FID), to determine the impact on the network in case of failure. Having mathematical formulated these components, we point out the most relevant components. Experimental results demonstrate the benefits of the utilization of the NPD, when used to enhance some current QoS routing algorithms to offer a certain degree of protection

Minimum interference routing with fast protection

One of the most effective techniques offering QoS routing is minimum interference routing. However, it is complex in terms of computation time and is not oriented toward improving the network protection level. In order to include better levels of protection, new minimum interference routing algorithms are necessary. Minimizing the failure recovery time is also a complex process involving different failure recovery phases. Some of these phases depend completely on correct routing selection, such as minimizing the failure notification time. The level of protection also involves other aspects, such as the amount of resources used. In this case shared backup techniques should be considered. Therefore, minimum interference techniques should also be modified in order to include sharing resources for protection in their objectives. These aspects are reviewed and analyzed in this article, and a new proposal combining minimum interference with fast protection using shared segment backups is introduced. Results show that our proposed method improves both minimization of the request rejection ratio and the percentage of bandwidth allocated to backup paths in networks with low and medium protection requirements