TY  - THES
A1  - Bauer, Wolfgang Rudolf
T1  - Analytische Näherungsverfahren zur Beschreibung der nuklearen Spin-Dephasierung
T1  - Analytical Approaches for the Description of Nuclear Spin Dephasing
N2  - Die Dynamik der Kernspindephasierung in lebenden Systemen enhält relevante Informationen über biologisch wichtige Parameter, wie Sauerstoffversorgung, Mikrozirkulation, Diffusion etc.. Ursächlich für die Dephasierung sind Interaktionen des Spins mit fluktuierenden Magnetfeldern. Notwendig sind also Modelle, welche diese Interaktionen mit den biologisch relevanten Parametern in Beziehung setzen. Problematisch ist, daß fast alle analytische Ansätze nur in extremen Dynamikbereichen der Störfeldfluktuationen (motional narrowing - , static dephasing limit) gültig sind. In dieser Arbeit zeigen wir einen Ansatz, mit dem man die Dynamik der Störfeldfluktuationen erheblich vereinfachen und trotzdem noch deren wesentliche Eigenschaften beibehalten kann. Dieser Ansatz ist nicht auf einen speziellen Dynamikbereich festgelegt. Angewendet wird dieses Näherungsverfahren zur Beschreibung der Spin Dephasierung im Herzmuskel. Die Relaxationszeiten erhält man als Funktion der Kapillardichte und Blutoxygenierung. Vergleiche mit numerisch errechneten Daten anderer, eigenen Messungen am menschlichen Herzen und experimentellen Befunden in der Literatur, bestätigen die theoretischen Vorhersagen.
N2  - The dynamics of nuclear spin dephasing in living objects contains relevant information about important parameters as oxygen supply, microcirculation, and diffusion. Spin dephasing is induced by interaction of spins with fluctuating perturbation fields. Desirable are models which relate these interactions to the biological parameters. Unfortunately most analytical approaches are restricted to certain motion regimes, e.g. the motional narrowing or static dephasing limit. In this work we present an analytical approach, which simplifies the perturbation field dynamics but still conserves its relevant properties. This approach is not restricted to any motion regime. As an application we describe spin dephasing in the cardiac muscle. We obtain the relaxation time as a function of capillary density and blood oxygenation. Data are in excellent agreement with numerical simulations of others, own measurements in humans, and experimental data in the literature.
KW  - Biologisches System
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - Spinrelaxation
KW  - Näherungsverfahren
KW  - Spin Relaxation
KW  - Magnetresonanz
KW  - MR
KW  - Herz
KW  - Durchblutung
KW  - spin dephasing
KW  - magnetic resonance
KW  - perfusion
KW  - T2
KW  - cardiac imaging
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-4674
ER  - 
TY  - THES
A1  - Richter, Georg
T1  - Nachweis der elektrischen Spin-Injektion in II-VI-Halbleiter mittels Messung des elektrischen Widerstandes
T1  - Experimental proof of electrical spin injection into II-VI semiconductors by measuring the electric resistance
N2  - Die bisherigen Ergebnisse der elektrischen Spininjektion in Halbleiter im diffusivem Regime werden mit dem Modell von Schmidt et. al gut beschrieben. Eine Folgerung aus diesem Modell ist, dass n-dotierte, verdünnte magnetische Halbleiter ("diluted magnetic semiconductors", DMS) als Injektor-Materialien für die elektrische Spininjektion in Halbleiter gut geeignet sind. Im Jahr 1999 wurde darüber hinaus die elektrische Injektion von einem DMS in einem nicht magnetisch dotierten Halbleiter ("non magnetic semiconductors", NMS) mit optischen Mitteln nachgewiesen. Die elektrischen Eigenschaften des Metall-Halbleiter-Kontaktes vom Materialsystem n-(Be,Zn,Mn)Se - n-(Be,Zn)Se wurden untersucht und optimiert, wobei spezifische Kontakwiderstände von bis zu ca. 2 10^-3 Ohm cm^2 bei 4 K erreicht wurden. Der Kontakt zwischen n-(Be,Zn,Mn)Se und n-(Be,Zn)Se ist unkritisch, weil der auftretende Leitungsband-Offset lediglich 40 meV beträgt. Die Spininjektionsmessungen wurden an Bauteilen mit einem adaptiertem Design der Transmission-Line Messungen ("TLM") durchgeführt. Bei diesem Materialsystem wurde am Gesamtbauteil ein positiver Magnetowiderstand von bis zu 25 % detektiert. Da sowohl der intrinsische Magnetowiderstand der einzelnen Halbleiterschichten negativ bzw. konstant war, als auch kein besonderes Magnetowiderstandsverhalten an der Metall-Halbleiter-Grenzschicht festgestellt werden konnte, kann dieser Magnetowiderstand als erster elektrischer Nachweis einer Spininjektion in einen Halbleiter angesehen werden. Die bei geringeren Temperaturen (300 mK und 2 K) bereits bei kleineren B-Feldern eintretende Sättigung des Widerstandes ist darüberhinaus mit der Temparaturabhängigkeit der Zeeman-Aufspaltung des DMS in Einklang zu bringen. Eine systematische Untersuchung dieses "Large Magnetoresistance" Effektes von der Dotierung der beteiligten Halbleiter zeigt hingegen ein komplexeres Bild auf. Es scheint ein optimales Dotierregime, sowohl für den DMS als auch für den NMS zu geben. Höhere oder geringere Dotierung reduzieren die relative Größe des positiven Magnetowiderstandes. Auch bei stark unterschiedlich dotierten DMS- und NMS-Schichten tritt eine (partielle) Unterdrückung des Magnetowiderstandes auf, in Übereinstimmung mit dem Modell. Dies lässt den Schluss zu, dass neben einer, der Spininjektion abträglichen, großen Differenz der Ladungsträgerdichten, evtl. auch die Bandstrukturen der beteiligten Halbleiter für die Spininjektionseffekte von Bedeutung ist. Um die elektrische Spininjektion auch in der technologisch wichtigen Familie der III/V Halbleiter etablieren zu können, wurde die elektrische Spininjektion von n-(Cd,Mn)Se in n-InAs untersucht. Basierend auf den Prozessschritten "Elektronenstrahlbelichtung" und "nasschemisches Ätzen" wurde eine Ätztechnologie entwickelt und optimiert, bei der die Ätzraten über die zuvor durchgeführte EBL kontrollierbar eingestellt werden können. Mesas mit Breiten von bis zu 12 nm konnten damit hergestellt werden. Untersuchungen zur elektrischen Spininjektion von (Cd,Mn)Se in InAs wurden mit Stromtransport senkrecht zur Schichtstruktur durchgeführt. Erste Messungen deuten bei niedrigen Magnetfeldern (B< 1,5 T) auf eine ähnliche Abhängigkeit des Gesamtwiderstand vom externen Feld hin wie im Materialsystem (Be,Zn,Mn)Se - (Be,Zn)Se. Allerdings tritt bei höheren Feldern ein stark negativer Magnetowiderstand des Gesamtbauteils auf, der qualitativ einen ähnlichen Verlauf zeigt wie die (Cd,Mn)Se-Schicht allein. Da die I/U Kennlininen des Gesamtbauteils Nichtlinearitäten aufweisen, können Tunneleffekte an einer oder mehrerer Barrieren eine wichtige Rolle spielen. Ob durch diese Tunneleffekte eine elektrische Spinijektion induziert wird, kann noch nicht abschließend geklärt werden. Wünschenswert ist daher eine weitere Charakterisierung der Einzelschichten. Ein weiteres Ziel ist, in Verbindung mit den oben angeführten technologischen Vorbereitungen, eine durch Nanostrukturierung ermöglichte, delokale Messung des Magnetowiderstand. Durch dieses Messverfahren könnten etwaige Tunnel-Effekte an der Metall-DMS Schicht zwanglos von denen an der DMS-NMS Grenzschicht getrennt werden.
N2  - This work deals with electrical spin injection in the diffusive regime. Results published up to now can be satisfactorily explained by the model of Schmidt et. al. As a consequence of the model, n-doped diluted magnetic semiconductors (DMS) are expected to be particularly suitable as injectors for electrical spin injection into non magnetic semiconductors (NMS). Furthermore electrical spin injection from a DMS into a NMS was confirmed by optical means in 1999. The electrical properties of the metal-semiconductor contact of the n doped (Be,Zn,Mn)Se and (Be,Zn)Se were investigated and optimized. Specific contact resistance values down to approx. 2 10^{-3} Ohm cm^2 could be reached at 4 K. The resistance at the interface between n-(Be,Zn,Mn)Se and n-(Be,Zn)Se can be neglected due to a small conduction band offset of only 40 meV. For spin injection experiments, devices with an adapted tranmission line design were fabricated. A relative magnetoresistance of the device of up to +25 % was achieved. In contrast, the intrinsic magnetoresistance of the individual semiconductor layers was negative or constant. In addition, no magnetoresistance at the metal semiconductor interface could be observed. Hence, the magnetoresistance of the device can be regarded as the first electrical proof of spin injection into a semiconductor. At low temperatures (300 mK and 2 K) saturation of the magnetoesistance takes place at lower fields. This can be assigned to the temperature dependence of the Zeeman-splitting in the DMS. A systematic study of this "Large Magnetoresistance" effect yields a complex dependency on the doping level. It appears that an optimal doping regime exists, both for the DMS and the NMS layer. Departures from these values reduce the relative magnitude of the magnetoresistance. Moreover very different doping levels of the DMS and NMS Layers result in a (partial) suppression of the magnetoresistance, consistent with the model. Thus, not only large differences of the doping levels, but also the band structures of the involved layers may have an impact on electrical spin injection. In order to establish electrical spin injection in III/V semiconductors the material system n-(Cd,Mn)Se / n-InAs was investigated. A new etching technology was developed for InAs-(Al,Ga)Sb, combining the steps of "electron beam exposure" and "wet chemical etching". This combination leads to etch rates which can be reproducibly adjusted by prior electron beam exposure. Mesas with widths down to 12 nm were achieved. Experiments for electrical spin injection from (Cd,Mn)Se into InAs were performed with current direction perpendicular to the layers. First measurements up to moderate fields (B< 1,5 T) indicated a dependency of the resistance on the external field similiar to that of the material (Be,Zn,Mn)Se - (Be,Zn)Se. Indeed, at higher fields the device exhibits a large negative magnetoresistance comparable to the single (Cd,Mn)Se layer. The I/V curves of the device are nonlinear, so tunneling effects in one or several of the interfaces may play a major role. It is not clear yet if these effects induce an electrical spin injection. Hence, further electrical characterization of the involved layers are called for. Furthermore a non-local measurement of the magnetoresistance could help in distinguishing between tunneling effects at the metal semiconductor interface and those between DMS and NMS.
KW  - Zwei-Sechs-Halbleiter
KW  - Elektronenspin
KW  - Diffusionsverfahren <Halbleitertechnologie>
KW  - Spin-Injektion
KW  - Halbleiter
KW  - Magnetowiderstand
KW  - Spin-Polarisation
KW  - spin injection
KW  - semiconductor
KW  - magnetoresistance
KW  - spin polarization
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10911
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haddad, Daniel
T1  - Hochfeld 1H-NMR-Mikroskopie zur biophysikalischen Grundlagenforschung
T1  - High Field 1H-NMR-Microscopy for Basic Biophysical Research
N2  - Dank der mit modernen NMR-Spektrometern (Kernspintomographen) routinemäßig realisierbaren isotropen räumlichen Auflösungen von wenigen Mikrometern, ergeben sich für die 1H NMR-Mikroskopie zahlreiche neue Anwendungsgebiete. Allerdings sind die Möglichkeiten und Grenzen der NMR-Mikroskopie bezüglich ihrer praktischen Anwendbarkeit bisher nur wenig untersucht worden. Die vorliegende Arbeit ist im Bereich der biophysikalischen Grundlagenforschung angesiedelt und soll die praktische Anwendbarkeit der NMR-Mikroskopie auf neuen medizinischen und biologischen Anwendungsgebieten anhand von ausgewählten Beispielen aus diesen Bereichen demonstrieren. Die einzelnen Projekte besitzen deswegen immer auch den Charakter von Machbarkeitsstudien, die aufzeigen sollen, welche Möglichkeiten und Vorteile die NMR-Mikroskopie im Vergleich zu etablierten Untersuchungsmethoden bietet. Im Detail wurden unterschiedliche lebende und fixierte biologische Proben mittels NMR-Mikroskopie zerstörungsfrei und räumlich hochaufgelöst dargestellt. Dabei variierte die spezielle Zielsetzung von der Visualisierung der Invasion eines Tumorsphäroiden in ein Zellaggregat anhand von T2-Parameterkarten (Zeitkonstante der Spin-Spin-Relaxation) über die dreidimensionale Darstellung des Gehirns der Honigbiene in der intakten Kopfkapsel bis hin zur nicht-invassiven Abbildung der Anatomie prenataler Delphine. Für alle durchgeführten Projekte war der nicht-invasive Charakter der NMR-Experimente von entscheidender Bedeutung. Die zu beobachtende Tumorinvasion durfte nicht durch die Messung beeinflusst werden, das Bienengehirn sollte möglichst naturgetreu abgebildet werden, und die untersuchten Delphine sind seltene Museumsstücke, die nicht zerstört werden durften. Die verschiedenen Proben wurden mit der jeweils bestmöglichen räumlichen Auflösung visualisiert, die sich entweder durch das minimal nötige Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) oder durch die zur Verfügung stehende Messzeit ergab. Um einzelne feine Strukturen in den Bildern auflösen zu können, mussten sowohl das SNR, als auch das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis optimiert werden. Die Messungen wurden an Hochfeld-NMR-Spektrometern bei 500 und 750 MHz durchgeführt, um das für die hohe Auflösung notwendige SNR zu gewährleisten. Mit den Experimenten konnten zahlreiche Fragen bezüglich mikroskopischer Details der verschiedenen untersuchten Proben nicht-invasiv beantworten werden. Gleichzeitig führten sie zu neuen interessanten Fragestellungen bezüglich der NMR-Mikroskopie an fixierten Proben. Darüber hinaus konnte die praktische Anwendbarkeit der NMR-Mikroskopie als Alternative bzw. Ergänzung zu herkömmlichen Untersuchungsmethoden wie der konfokalen Lasermikroskopie bei der Visualisierung des Bienengehirns und der konventionellen Histologie bei der Untersuchung der Anatomie der prenatalen Delphine demonstriert werden. Durch die Untersuchung der speziellen Vorteile und der Grenzen der Anwendung der NMR-Mikroskopie gegenüber den herkömmlichen Untersuchungsmethoden konnte konkret der praktische Nutzen ihres Einsatzes aufgezeigt und Ergebnisse erzielt werden, die sonst nicht erzielbar wären. Gerade der Einsatz der NMR-Mikroskopie in Form der NMR-Histologie stellt einen vielversprechenden Weg zur Etablierung der NMR-Mikroskopie als Routineuntersuchungsmethode dar. Als ebenso erfolgreich hat sich die Anwendung der NMR-Mikroskopie als Untersuchungsmethode bei der Beobachtung der Tumorinvasion erwiesen, so dass sie auch in der medizinischen in-vitro Forschung und Therapiesimulation als sinnvolle Alternative zu den vorhandenen Methoden angesehen werden kann. Anhand der ausgewählten Anwendungsbeispiele ist es in dieser Arbeit somit gelungen, neue, konkrete Einsatzmöglichkeiten für die NMR-Mikroskopie zu eröffnen und ihre praktische Anwendbarkeit als Untersuchungsmethode für Fragestellungen im Bereich der medizinischen in-vitro Forschung und verschiedener neuro- und entwicklungsbiologischer Bereiche zu demonstrieren.
N2  - With modern MR-spectrometers it is possible to achieve isotropic spatial resolutions in the range of only a few microns. Thus, several new fields of application for 1H-MR-Microscopy are being developed. Still, the practical possibilities and limitations of this technique have only been determined rarely. This work has a biophysical background and uses different examples to demonstrate the practical applicability of NMR-Microscopy in the medical and biological sector. Therefore, the different projects are feasibility studies which are used to compare the possibilities and advantages of NMR-Microscopy with other, established examination techniques. In detail, using MR-Microscopy, different living and fixed biological samples have been visualized non-invasively with high spatial resolution. The specific purpose of the studies ranged from the visualization of the invasion of tumor-spheroids into cell aggregates using T2 parameter maps (time constant of the spin-spin relaxation) to the three-dimensional display of the honey bee brain in the intact head capsule and the non-invasive visualization of the anatomy of prenatal dolphins. For all these projects, the non-invasive character of MR-experiments was of utmost importance. The tumor invasion was not to be disturbed by the measurements, the bee brain should be visualized as close to its true natural shape as possible and the examined dolphins represent rare museum specimens which should not be destroyed. The different samples were all imaged with the best possible spatial resolution which was either limited by the necessary signal-to-noise ratio (SNR) or the available scan time. In order to resolve single details and fine structures in the images, it was necessary to optimize the SNR as well as the contrast-to-noise ratio. To guarantee the necessary SNR, the measurements were performed on high field MR-spectrometers with resonance frequencies of 500 and 750 MHz. Numerous questions about microscopic details of the examined samples could be answered non-invasively with the experiments performed. At the same time, the experiments led to new interesting questions about MR-Microscopy on fixed samples. Furthermore, the practical applicability of MR-Microscopy as an alternative or a supplement to conventional examination methods could be demonstrated. Here, these methods were confocal laser microscopy in the case of the honey bee brain and conventional histology in the case of the prenatal dolphins. By investigating the specific advantages and limitations of MR-Microscopy in these cases, it was possible to demonstrate the practical value of its application and to obtain results which would otherwise have been impossible. Especially the use of MR-Microscopy as MR-Histology is a promising application which will help to establish MR-Microscopy as a routine examination method. Since the tumor invasion process could also be observed very successfully using MR-Microscopy, this technique can as well be considered as a valuable tool for medical in-vitro research and therapy simulation and thus an alternative to existing methods. In summary, with the examples chosen in this work, it was possible to find new applications for MR-Microscopy and to demonstrate the practical applicability of this method in the fields of medical in-vitro research as well as neurological and developmental biology.
KW  - NMR-Spektroskopie
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - Hochauflösendes Verfahren
KW  - NMR
KW  - Magnetresonanztomographie
KW  - Kernspintomographie
KW  - Mikroskopie
KW  - Bildgebung
KW  - MRI
KW  - magnetic resonance
KW  - imaging
KW  - microscopy
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12449
ER  - 
TY  - THES
A1  - Greiser, Andreas
T1  - Dichte-gewichtete Phasenkodierung zur effizienten k-Raumabtastung in der NMR-Bildgebung
T1  - Density-weighted phase-encoding for efficient k-space sampling in NMR Imaging
N2  - Die spektroskopische NMR-Bildgebung (Chemical Shift Imaging, CSI) kombiniert die Lokalisationstechniken der NMR-Tomographie mit der NMR-Spektroskopie und bietet so eine ortsaufgelöste metabolische Information über das untersuchte Gewebe. Mit dieser Technik können Stoffwechselvorgänge direkt und quantitativ untersucht werden. Deshalb finden die Verfahren der spektroskopischen NMR-Bildgebung in der medizinischen Forschung eine immer breitere Anwendung. Zwei Aspekte erschweren hierbei die klinische Etablierung dieser Methoden: die aufgrund der geringen Empfindlichkeit langen notwendigen Messzeiten bei dennoch geringer räumlicher Auflösung und die im Vergleich zur herkömmlichen NMR-Tomographie aufwendigere Datenauswertung. In der vorliegenden Arbeit wurden in beiden Punkten substantielle methodische Fortschritte erzielt. In einer Fallstudie mit Herzpatienten konnten erstmals die Veränderungen der Metabolitensignale auf 31P-Karten visualisiert werden. Die dabei erreichte Empfindlichkeit erlaubt auch die Untersuchung der Herzhinterwand, wobei hier die Sensitivität an der Grenze des für eine Individualdiagnostik minimal akzeptablen Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) liegt. Der Einsatz höherer Grundfeldstärken in der 31P-NMR-Spektroskopie läßt einen deutlichen Empfindlichkeitsgewinn erwarten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine umfassende Vergleichsstudie zwischen einem klinischen 1,5 T NMR-Bildgebungssystem und einem 2,0 T Tomographen durchgeführt. Der beobachtete Empfindlichkeitsgewinn von 45% steht im Rahmen der Messgenauigkeit in Einklang mit einem theoretisch zu erwartenden, linearen Anstieg des SNR. Die Lokalisationseigenschaften eines ortsaufgelösten NMR-Experiments werden dadurch bestimmt, wie die der k-Raum, der Raum der räumlichen Frequenzen, abgetastet wird. Insbesondere in räumlich niedrig aufgelösten Experimenten führen die Seitenbanden der räumlichen Antwortfunktion zu Signalkontamination. Bei der Phasenkodierung kann diese Kontamination durch eine auf unterschiedlichen Mittelungszahlen beruhende Wichtung der k-Raumabtastung unterdrückt werden. Bei vorgegebener Experimentdauer und räumlicher Auflösung verringert diese Akkumulations-gewichtetete Phasenkodierung jedoch im Vergleich zum ungewichteten Experiment den abdeckbaren Bildbereich. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag deshalb auf der Entwicklung eines neuen k-Raum-Abtastschemas. Dieses Abtastschema basiert auf einer Modulation der Abtastdichte im k-Raum und wird deshalb als Dichte-Wichtung („DW“) bezeichnet. Zur Diskretisierung einer gewünschten kontinuierlichen Wichtungsfunktion dient ein neuer, nicht-iterativer Algorithmus, der aus den Eingangsparametern räumliche Auflösung und Gesamt-Akkumulationszahl ein geeignetes Abtastschema generiert. Die Lokalisations-Eigenschaften der Dichte-Wichtung wurden ausführlich analysiert und mit den etablierten Phasenkodierschemata verglichen. Die Dichte-gewichtete k-Raumabtastung kombiniert die Vorteile der Akquisitions-gewichteten Phasenkodierung mit einem maximierten Bildbereich. So kann bei kürzeren Experimentdauern ein deutlicher Gewinn an Lokalisationsqualität erzielt werden, ohne dabei die Vorteile einer reinen Phasenkodierung aufzugeben. Für die Dichte-gewichtete Phasenkodierung gibt es ein weites Anwendungsfeld. Sie wurde im Rahmen dieser Arbeit in mehreren vorklinischen Studien erfolgreich eingesetzt. Die theoretisch zu erwartenden Vorteile bezüglich der Lokalisationseigenschaften bestätigten sich experimentell. Im Bereich der spektroskopischen 31P-NMR-Bildgebung in vivo erwies sich die Dichte-Wichtung als deutlich bessere Alternative zur Akkumulations-Wichtung. Die Einfaltungen des starken Brustmuskelsignals, welche im bisher verwendeten 31P CSI Protokoll den Informationsgehalt der Metabolitenkarten beeinträchtigt hatten, konnten unterdrückt werden. In der 23Na-NMR-Bildgebung am Herzen wurde das DW Abtastschema eingesetzt, um die Verbesserung der Lokalisationsqualität durch Akquisitions-Wichtung erstmals auch in der 23Na-NMR-Bildgebung am menschlichen Herzen zu nutzen. Es konnte gezeigt werden, daß die DW Methode deutliche Vorteile im Vergleich zu den herkömmlichen Abtastungen liefert. Mit der DW Methode gelang es, 23Na-Bilder des menschlichen Herzens von bisher unerreichter Qualität zu erzeugen. Insgesamt wurde mit der Dichte-gewichteten k-Raumabtastung in der vorliegenden Arbeit eine flexible und effiziente Art der Akquisitionswichtung entwickelt. Zusätzlich zu einer deutlichen Verbesserung der Lokalisationsqualität bei optimaler Empfindlichkeit wird mit DW auch die Optimierung des abdeckbaren Bildbereichs erreicht. Somit bietet DW im Vergleich zum Akkumulations-gewichteten Experiment eine größere Flexibilität bei der Wahl der experimentellen Parameter Auflösung und Experimentdauer. Darüber hinaus ist das DW Abtastschema potentiell für jedes NMR-Bildgebungsexperiment mit niedriger räumlicher Auflösung von Nutzen.
N2  - Magnetic Resonance Spectroscopic imaging (Chemical Shift Imaging, CSI) combines the localization techniques of MRI with MR spectroscopy and therefore povides spatially resolved metabolic information of the investigated tissue. Two aspects hamper the clinical acceptance of this method: the long measurement durations and the more elaborate data evaluation. In the presented work in both aspects significant improvements were achieved. In a case study with patients after myocardial infarction the changes in the 31P metabolite levels could be visualized. In combination with an automated data evaluation the acceptance of spectroscopic 31P MRI will be improved. Higher field strengths can improve the sensitivity in MRI. In an extended volunteer study a gain of 45% in sensitivity could be achieved at a field strength of 2.0 T compared to the clinically established 1.5 T. The localization properties in a spatially resolved NMR experiment are determined by the way how the k-space, representing the spatial frequencies that are acquired, is sampled. In particular in experiments with low spatial resolution, the sidebands of the spatial response function result in severe signal contamination. In phase-encoded expeiments this contamination can be suppressed by variable accumulation numbers at different positions in k-space. However, this results in a reduced spatial coverage in image space. The main goal of this work was the implementation of a new k-pace sampling scheme, that is based on the variation of the sampling density and is therefore referred to as "Density-weighting". To generate the discrete sampling matrix a new, non-iterative algorithm was developed, that calculates the sampling scheme from the input parameters spatial resolution and total number of accumulations. The new ampling scheme was extensively analyzed and compard to the established schemes. Density-weighting combines the advantages of Accumulation-weighting with a maximized field of view. At shorter experiment durations and maintained optimal sensitivity a significant improvement in image quality could be achieved. In several applications of cardiac spectroscopic MR imaging the advantages could be demonstrated.
KW  - Herzfunktionsdiagnostik
KW  - Phosphor-31-NMR-Spektroskopie
KW  - Chemische Verschiebung
KW  - Phasen-Kodierung
KW  - Dichte-Wichtung
KW  - Akquisitions-Wichtung
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - Phase-encoding
KW  - Density-weighting
KW  - Acquisition-weighting
KW  - NMR-Imaging
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7145
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hofmann, Michael Peter
T1  - Physikalische Charakterisierung von Calciumphosphat-Pulvern zur Einstellung von Prozessparametern für die Herstellung von Knochenzement
T1  - Physical characterisation of calcium phosphate powders for the adjustment of processing parameters for the fabrication of bone cement
N2  - Die Arbeit behandelt die physikalische Charakterisierung der Herstellung einer Tetracalciumphosphat (TTCP) / Calciumhydrogenphosphat (DCPA) Pulvermischung zur Anwendung als Knochenzement. Ziel war die Gewinnung einer Korrelation von Prozessparametern mit anwendungsrelevanten Zementeigenschaften, also hohe mechanische Festigkeit, definierte Abbindezeit, physiologischer pH-Wert-Verlauf und Reproduzierbarkeit. Die Einstellung eines physiologischen pH-Werts im Bereich 7-8 der Zementpaste erfordert eine geeignete Lösungsrate beider Pulverkomponenten. Dies gelingt durch Mahlung mit einer Einstellung der mittleren Partikelgröße von 10-20 µm (TTCP) und 0,5-2 µm (DCPA). DCPA wird nass gemahlen; das Suspensionsmedium dient der Agglomerationsverminderung, da bei Partikelgrößen von 0,5-2 µm interpartikuläre Kräfte gegenüber der Gewichtskraft dominieren. TTCP wurde durch Sinterung von DCPA und Calciumcarbonat bei 1500°C hergestellt und trocken vermahlen. Die Ermittlung der mittleren Partikelgrößen und relativen Breite der Partikelgrößenverteilungen, der sogenannten Spanne, nach Mahlung erfolgte durch Laserstreuung und Auswertung der Streumuster nach der Mie-Theorie. Mahlungen von TTCP führen zu Feinkornanteilen mit Partikelgrößen < 1 µm, die eine gleichmäßige Lösungsrate zu Beginn der Abbindereaktion verhindern. Durch Variation der Mahlparameter kann dieser Feinkornanteil minimiert werden. Dennoch besteht die Notwendigkeit, Abbinde-Beschleuniger auf Natriumphosphat (NaP)-Basis zu verwenden, um die erhöhte Lösungsrate der TTCP-Komponente zu kompensieren. Kriterium für die Auswahl des geeigneten Suspensionsmediums für die Nassmahlung von DCPA ist das Zetapotential von DCPA-Partikeln in flüssiger Phase, welches durch Laser-Doppler-Elektrophorese gemessen wird. Die Messungen zeigen, dass sich das Zetapotential mit Partikelgröße und Spanne korrelieren lässt. Hohe Zetapotential-Werte zu Beginn der Mahlung führen zu kleiner Endpartikelgröße. Das Zetapotential von gemahlenen DCPA-Pulvern steigt bei der Mahlung an und bestimmt die minimale Spanne. Partikelgröße und Spanne bestimmen über die effektive Viskosität außerdem das Ende des Mahlvorgangs. Als Suspensionsmedium zur Einstellung kleiner Partikelgröße bei gleichzeitig geringer Spanne eignet sich Reinstwasser, gefolgt von Ethylenglykol und Ethanol. Es lassen sich mittlere Partikelgrößen von 0,6 µm bei einer Spanne von 1,0 realisieren. Die Mahlung setzt neben der Partikelgröße die Kristallinität von DCPA und TTCP herab, durch eine mechanisch induzierte Phasenumwandlung in den amorphen Zustand. Röntgendiffraktometrische Untersuchungen, XRD, der Pulver zeigen eine Abnahme der Intensität der Beugungsreflexe um ca. 50% für TTCP und ca. 30% für DCPA nach 24h. Die Auswertung der Beugungsspektren durch Rietveld-Analyse ergibt gleichzeitig eine kontinuierliche Abnahme der mittleren Kristallitgröße. Die Bildung amorpher Anteile resultiert für TTCP in abbindefähigen, einkomponentigen Zementen, die im stark basischen Bereich mit 2.5%iger Na2HPO4-Lösung Hydroxylapatit und Calciumhydroxid bilden. Hochkristallines TTCP ist dagegen nicht reaktiv, bedingt durch die Ausbildung einer Hydroxylapatitschicht um die Partikel. Suspensionsmedium und Luftfeuchtigkeit bewirken eine Kontamination der feinkörnigen Pulver. Stickstoffadsorptions-Messungen, BET, zeigen die Lokalisation des Kontaminats auf der kompakten, nicht porösen Partikeloberfläche. Der Anteil an nicht entfernbarem Suspensionsmedium, bestimmt durch Thermogravimetrie, liegt bei 3-5% nach Trocknung an Luft und lässt sich auf < 1% bei Vakuumtrocknung reduzieren. Während organische wasserlösliche Kontaminationen keinen Einfluss auf die Lösungsrate und Reaktivität von DCPA ergeben, führt Wasser als Suspensionsmedium bzw. das Einwirken von Luftfeuchtigkeit auf die getrockneten Pulver zu einer starken Herabsetzung der Reaktivität. Ursache ist die Ausbildung einer diffusionshemmenden Hydroxylapatit-Schicht um die Partikel durch Hydrolyse der Calciumphosphate. DCPA, durch Mahlung in Wasser inaktivierend kontaminiert, zeigt die niedrigste Lösungsrate, trotz großer spezifischer Oberfläche. Die Mischung der Pulver erfolgt durch Selbstmischung bei geringer mechanischer Krafteinleitung; die hochdispersen DCPA-Partikel agglomerieren aufgrund interpartikulärer van-der-Waals-Kräfte an den großen TTCP-Partikeln. Ausgehärtete Zemente zeigen eine Korrelation zwischen der Druckfestigkeit und der Partikelgröße, sowie eine Korrelation von Zugfestigkeit und Spanne der Partikelgrößenverteilung von DCPA. Ein erhöhter Feinkornanteil des TTCP-Pulvers führt zur Reduktion der mechanischen Festigkeit. Die vorgestellte physikalische Charakterisierung der TTCP/DCPA- Pulverherstellung führt zu einem Medizinprodukt mit Druckfestigkeiten von 75 MPa und Zugfestigkeiten von 12 MPa. Abbindezeit und pH-Wert-Verlauf bei der Aushärtung lassen sich durch die Konzentration von NaP-Abbindebeschleunigern einstellen.
N2  - This thesis is about the physical characterisation of the fabrication process of a Tetracalciumphophate (TTCP) / Calciumhydrogenphosphate (DCPA) bone cement powder mixture. The goal was to achieve a correlation between processing parameters and application relevant properties of the cement matrix, i.e. high mechanical strength, defined setting time, physiological pH-value and reproducibility. For the adjustment of a physiological pH-value between 7 and 8 of the cement paste it is necessary to adjust the solubility rate of both powder components. This is done by adjusting the medium particle size of TTCP and DCPA to 10-20 µm respectively 0,5-2 µm. DCPA is wet milled; the suspension medium has to prevent agglomeration, because at particle sizes between 0,5-2 µm attractive interparticular forces dominate over the deagglomerating weight of the powder particles. TTCP is fabricated by sintering a DCPA / Calciumcarbonate mixture at 1500°C and dry milling it. The measurement of medium particle size and the relative width of the particle size distribution, the so called span, after milling were done by laser diffraction and calculation following Mie-theory. The milling of TTCP leads to a fine powder fraction with particle sizes below 1 µm, which prevents a uniform solubility rate at the beginning of the setting reaction. This fine powder fraction can be minimized by variation of the milling parameters. Nonetheless it is necessary to use sodium phosphate setting-accelerators to equalise the higher solubility rate of the TTCP-cements component. Criteria for choosing the suspension medium for the wet milling of DCPA is the zeta potential of DCPA particles in liquid phase, measured by Laser Doppler Electrophoresis (LDE). The measurements indicate that the zeta potential is correlated with particle size and span. A high zeta potential value at the start of the milling process leads to a small final particle size. The zeta potential of milled DCPA rises with the milling process and defines the minimum span. Particle size and span determine the effective viscosity and therefore the end of the milling process. For achieving a small particle size together with a small span distilled water is most suitable, followed by ethylene glycol and ethyl alcohol. A medium particle size of 0,6 µm together with a span of 1,0 can be realised. The milling process is also reducing the cristallinity of DCPA and TTCP by a mechanically induced phase change to the amorphous state. X-Ray diffraction measurements of the powders after 24h of milling show an intensity decrease of the diffraction patterns by almost 50% for TTCP and almost 30% for DCPA. The analyses of the diffraction patterns by Rietveld-analysis show a continuous decrease of the medium crystallite size at the same time. The formation of amorphous TTCP fractions results in a one component cement able to set in a high pH-regime. High cristallinity TTCP is not reactive due to the hydroxyapatite layer on the particle surface. The suspension medium and humidity are causing a contamination of the powder particles. Nitrogenadsorption measurements, BET, are showing that the contaminant is located on the compact non-porous particle surface. The fraction of not extractable suspension medium, determined by thermogravimetry, is in the region of 3-5% after drying in air and can be reduced to less than 1% by drying in vacuum. Organic watersoluble contamination does not lead to changes in solubility rate or reactivity of DCPA particles. Water as suspension medium or humidity reduces the reactivity significantly. The reason is a hydroxyapatite layer on the DCPA particles caused by hydrolysis of the calciumphosphate leading to decreased diffusion. Water milled DCPA is showing the lowest solubility rate despite having the highest specific surface area. The two powder components are literally self mixing. The disperse DCPA particles are agglomerating on the surface of the larger TTCP particles due to attractive van-der-Waals-forces. The hardened cement matrix is showing a correlation between compressive strength and particle size and between diametral tensile strength and the span of the particle size distribution. An increase of the fine powder fraction of TTCP leads to a decrease in mechanical strength. The physical characterisation of the fabrication process of a TTCP/DCPA-cement powder mixture leads to a medical device with a compressive strength of 75 MPa and a diametral tensile strength of 12 MPa. Setting time and pH-value can be adjusted by the amount of sodium phosphate setting-accelerator.
KW  - Knochenzement
KW  - Herstellung
KW  - Calciumphosphate
KW  - Pulver
KW  - Knochenzement
KW  - Calciumphosphat
KW  - Kontamination
KW  - Mahlprozess
KW  - Physikalische Charakterisierung
KW  - bone cement
KW  - calcium phosphate
KW  - contamination
KW  - milling process
KW  - physical characterisation
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7315
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TY  - THES
A1  - Rösch, Matthias
T1  - Kopplung von kollektiven Anregungen in einlagigen und doppellagigen quasi-zweidimensionalen Elektronensystemen
T1  - Coupling of collective excitations in monolayer and bilayer quasi two-dimensional electron systems
N2  - Gegenstand dieser Arbeit ist die Kopplung von kollektiven Anregungen in einlagigen und doppellagigen quasi-zweidimensionalen Elektronensystemen. Es wurden verschiedene modulationsdotierte Proben auf Basis von GaAs mit Gate-Elektrode und Gitterkoppler präpariert, um bei variabler Elektronendichte die Plasmon-Anregungen mit Hilfe der Ferninfrarot-Spektroskopie zu studieren. Die Auswertung der experimentellen Daten erfolgte durch eine selbstkonsistente Berechnung des elektronischen Grundzustandes, der Plasmon-Anregungsenergien und der optischen Absorption des Elektronengases. Zur Bestimmung der Absorption wurde dabei auf Grundlage bestehender Ansätze ein eigener Formalismus im Rahmen der Stromantwort-Theorie entwickelt. Somit gelangen der erstmalige Nachweis von optischen und akustischen Intersubband-Plasmonen in zweilagigen Elektronensystemen sowie eine detaillierte Analyse der Kopplung von Intersubband-Plasmonen an optische Phononen und an strahlende Gittermoden im Bereich der Rayleigh-Anomalie.
N2  - The coupling of collective excitations was studied in monolayer and bilayer quasi two-dimensional electron systems. Different modulation-doped samples based on GaAs were prepared with gate electrode and grating coupler in order to detect the plasmon excitations at variable electron densities by means of far-infrared spectroscopy. The experimental data were analyzed by calculating self-consistently the electronic ground state, the plasmon energies, and the optical absorption of the electron gas. To determine the optical absorption, based on existing concepts an own formalism in the framework of the current-response scheme was developed. By this, the existence of optical and acoustic intersubband modes in a bilayer system could be shown for the first time, and a detailled analysis of the coupling of intersubband plasmons to optical phonons and to radiative grating modes in the range of the Rayleigh anomaly was possible.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Aluminiumarsenid
KW  - Mischkristall
KW  - Heterostruktur
KW  - Kollektive Anregung
KW  - Q2DEG
KW  - Plasmonen
KW  - FIR-Spektroskopie
KW  - Stromantwort
KW  - Q2DEG
KW  - plasmons
KW  - far-infrared spectroscopy
KW  - current response
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9892
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TY  - THES
A1  - Schöll, Achim
T1  - High-resolution investigation of the electronic structure of organic thin films
T1  - Hoch-aufgelöste Untersuchung der elektronischen Struktur organischer Dünnschichten
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der elektronischen Struktur organischer Dünnfilme. Eine zentrale Frage dabei ist der Einfluss der Wechselwirkung zwischen den Molekülen in der kondensierten Phase und der Wechselwirkung an metall-organischen Grenzflächen auf die elektronischen Eigenschaften. Dazu wurden die experimentellen Methoden Photoelektronenspektroskopie (PES) und Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) mit höchster Energieauflösung angewandt. Zusätzlich wurden ab initio Rechnungen zur theoretischen Simulation von NEXAFS Spektren durchgeführt. Hauptsächlich wurden dünne, vakuumsublimierte Filme aromatischer Modellmoleküle mit sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen (NTCDA, PTCDA, NDCA, BPDCA und ANQ) auf Ag(111) Oberflächen untersucht. Die ausgewählten Moleküle besitzen wegen ihrer großen delokalisierten p-Elektronensysteme sehr interessante Eigenschaften für die Anwendung in elektronischen Bauelementen. Dank der hohen Energieauflösung von Synchrotronstrahlungsquellen der dritten Generation war es erstmals möglich, die Schwingungsfeinstruktur in den NEXAFS Spektren dieser kondensierten großen Moleküle sichtbar zu machen. Der Vergleich der Daten verschiedener Moleküle liefert dabei interessante Einblicke in den Kopplungmechanismus zwischen dem elektronischen Übergang und der Schwingungsanregung. Obwohl die Moleküle eine Vielzahl verschiedener Schwingungsmoden besitzen, kann man in deren NEXAFS Spektren beobachten, dass die elektronischen Übergänge jeweils an hauptsächlich eine Schwingungsmode koppeln. Die hochaufgelösten XPS Spektren der Moleküle NTCDA, PTCDA, NDCA, BPDCA und ANQ zeigen bestimmte systematische Unterschiede, so dass diese Spektren als Fingerabdruck für die jeweilige Substanz verwendet werden können. Durch die vergleichende Auswertung der Spektren konnten die 1s Bindungsenergien aller chemisch unterschiedlichen Kohlenstoff- und Sauerstoffatome bestimmt werden. Zusätzliche Strukturen in den Spektren können shake-up Satelliten zugeschrieben werden. Die fünf Moleküle stellen ein ideales Modellsystem dar, um fundamentale Aspekte der Rumpfelektronenspektroskopie zu untersuchen, wie Anfangs- und Endzustandseffekte und Satelliten, die durch die intramolekulare und intermolekulare Elektronendichteverteilung im Grund- und rumpfionisierten Zustand beeinflusst werden. Ein wichtiger Punkt dieser Dissertation sind spektroskopische Untersuchungen strukturell unterschiedlicher NTCDA Monolagenphasen auf Ag(111), deren Existenz aus vorangegangenen Arbeiten bekannt ist. Deutliche Unterschiede in der elektronischen Struktur der verschiedenen Phasen, die auf die Metall-Adsorbat Wechselwirkung zurückzuführen sind, konnten sowohl mittels XPS als auch mittels NEXAFS aufgezeigt werden. Sowohl für die komprimierte also auch für die relaxierte NTCDA Monolage kann die Bindung ans Substrat als schwach chemisorptiv charakterisiert werden, was eindeutig aus der Analyse der Satellitenstrukturen in den O 1s und C 1s XPS Spektren hervorgeht, die durch die dynamische Abschirmung durch Ladungstransfer vom Substrat erzeugt werden. Die NEXAFS Daten zeigen konsistent eine teilweise Besetzung des NTCDA LUMOs. Sowohl für die komprimierte als auch für die relaxierte NTCDA Monolage finden hochinteressante Phasenübergänge in ungeordnete Tieftemperaturphasen beim Abkühlen auf 160 K statt. Dabei wird die Adsorbat-Substrat Wechselwirkung stärker und das LUMO wird vollständig besetzt. Dies kann in den NEXAFS Spektren anhand des Verschwindens der zughörigen Übergänge beobachtet werden. Die XPS Spektren zeigen gleichzeitig eine deutliche Abnahme der Intensität schlecht abgeschirmter Photoemissionszustände, was auf die nun effektivere Ladungstransferabschirmung zurückzuführen ist. Für den Phasenübergang der relaxierten Monolage konnte mittels temperaturabhängiger NEXAFS Messungen eindeutig ein Hystereseverhalten gezeigt und die Hysteresekurve bestimmt werden. Die Hysterese beträgt etwa 20 K. Des weiteren wurde aus SPA-LEED Messungen die Aktivierungsenergie für den Phasenübergang der relaxierten Monolage beim Abkühlen auf ca. 60 meV bestimmt. Schließlich wurden NEXAFS Untersuchungen an Polyäthylenproben mit verschiedenem Komonomergehalt durchgeführt. Unterschiede in den Absorptionsspektren von Proben mit unterschiedlichem Komonomeranteil konnten eindeutig auf die unterschiedliche Kristallinität der Proben zurückgeführt werden, indem eine hochkristalline Probe in situ bis zur Schmelztemperatur geheizt wurde. Ab initio Rechnungen an einer Modelmatrix aus Butanmolekülen zeigen, dass die Spektren von kristallinem und amorphem Polyäthylen aufgrund der intermolekularen Wechselwirkung deutliche Unterschiede hauptsächlich für Resonanzen mit starkem Rydberg Charakter aufweisen. Damit lassen sich die Unterschiede in den Polyäthylenspektren durch die Überlagerung der Signaturen der kristallinen und amorphen Anteile erklären, die je nach Kristallinität der Probe in unterschiedlichen Verhältnissen vorliegen.
N2  - This work is investigating the electronic structure of organic thin films. A central question in this respect is the influence of the interaction between the molecules in the condensed phase and the interaction at metal-organic interfaces on the electronic properties. For this purpose the experimental methods Photoelectron Spectroscopy (PES) and Near Edge X-ray Absorption Finestructure Spectroscopy (NEXAFS) were applied with highest energy resolution. In addition, ab initio calculations were performed for the theoretical simulation of NEXFAS spectra. The investigation is mainly focussing on thin, vacuum sublimated films of aromatic model molecules with oxygen-containing functional groups (NTCDA, PTCDA, NDCA, BPDCA and ANQ) and Ag(111) surfaces. Due to their large, delocalised p-systems these molecules have very interesting properties for their application in electronic devices. Due to the high energy resolution of third generation synchrotron sources the vibronic fine structure in the NEXAFS spectra of these large molecules could be resolved for the first time in the condensed phase. A comparison of the data of the different molecules provides interesting insight into the coupling between electronic transition and vibronic excitation. Although for these molecules a variety of different vibronic modes exist, the NEXAFS data show that preferentially only on mode couples to each electronic transition. The high-resolution PES spectra of the molecules NTCDA, PTCDA, NDCA, BPDCA and ANQ show distinct differences thus providing a fingerprint for each investigated substance. A comparative analysis of the spectra enabled us to define the 1s binding energies of all chemically different carbon and oxygen atoms. Additional structures in the spectra can be assigned as shake-up satellites. The five molecules are an ideal model system for the investigation of fundamental aspects of core electron spectroscopy, such as initial and final state effects and satellites, that are influenced by the intra- and intermolecular electron distribution in the ground and core ionized state. An important aspect in this thesis is the spectroscopic investigation of structurally different NTCDA monolayer phases on the Ag(111) surface. Marked differences in the electronic structures of the different phases, that can be assigned to differences in the metal-adsorbate interaction, could be demonstrated by XPS and NEXAFS. The substrate bonding can be characterized as chemisorptive for both, the compressed as well as the relaxed NTCDA monolayer, which can be unambiguously deduced from the analysis of satellite structures in the O 1s and C 1s XPS spectra. These satellites are due to dynamic screening by charge transfer from the substrate. The NEXAFS data show consistently, that the NTCDA LUMO becomes partly occupied upon adsorption. Highly interesting phase transitions into disordered low-temperature phases occur upon cooling to 160 K for both, the compressed and the relaxed NTCDA monolayer. Thereby, the adsorbate-substrate bonding is increased and the NTCDA LUMO becomes completely occupied. This can be observed in the NEXAFS data, where transitions involving LUMO final states are quenched. Simultaneously, the XPS data show a distinctly decreased intensity of unscreened photoemission states due to enhanced charge transfer screening. In addition, a hysteresis behaviour could be demonstrated for the phase transition of the relaxed monolayer by temperature dependent NEXAFS experiments and the hysteresis curve was determined. The hysteresis could be quantified to approx. 20 K. From SPA-LEED experiments the activating energy for the phase transition of the relaxed monolayer upon cooling could be determined to 60 meV. Finally, a NEXAFS investigation of polyethylene samples with different comonomer content is presented. Differences in the absorption spectra between samples with different comonomer content could be unambiguously assigned to the different crystallinities of the samples by heating a highly crystalline sample in situ close to the melting temperature. Ab initio calculations on a model matrix of butane molecules show, that the spectra of crystalline and amorphous polyethylene differ distinctly due to the intermolecular interaction, which can be observed best for resonances with strong Rydberg character. Thus, the differences in the PE spectra can be explained by the superposition of the signatures of crystalline and amorphous moieties, that are mixed according to the respective crystallinity.
KW  - Dünne Schicht
KW  - Organische Verbindungen
KW  - Elektronenstruktur
KW  - Organische Dünnschichten
KW  - elektronische Struktur
KW  - NEXAFS
KW  - XPS
KW  - Spektroskopie
KW  - organic thin films
KW  - electronic structure
KW  - NEXAFS
KW  - XPS
KW  - spectroscopy
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10809
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TY  - THES
A1  - Müller, Martin
T1  - Abstimmbare Halbleiterlaser und schmalbandige Laserarrays mit verteilter lateraler Rückkopplung
T1  - tunable semiconductor lasers and narrowband laser arrays with distributed lateral feedback
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Typen von Halbleiterlasern mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) entwickelt. Die Laser basieren auf Rippenwellenleitern und verfügen zusätzlich über ein dazu senkrecht orientiertes Metallgitter. Der evaneszente Teil der im Rippenwellenleiter geführten Lichtwelle überlappt mit dem Gitter. Durch diese periodische Variation des effektiven Brechungsindex wird die verteilte Rückkopplung gewährleistet, was eine longitudinal monomodige Laseremission zur Folge hat. Beiden Lasertypen ist gemeinsam, dass der Herstellungsprozess auf einem vom Materialsystem unabhängigen Konzept basiert. Diese Tatsache ist von besonderem Interesse, da so entsprechende Laser für unterschiedlichste Wellenlängenbereiche gefertigt werden können, ohne hierfür neue Herstellungsverfahren zu entwickeln. Den ersten Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu sog. abstimmbaren Lasern, deren Emissionswellenlänge innerhalb eines relativ großen Bereichs quasikontinuierlich einstellbar ist. Der Abstimmmechanismus kann mit dem Vernier-Prinzip erklärt werden. Der Laser besteht hierbei aus zwei gekoppelten Segmenten, die jeweils über eine Reihe von Moden (Modenkamm) verfügen. Der Abstand der Moden innerhalb eines Segments ist konstant, wohingegen die Modenabstände der beiden Segmente leicht unterschiedlich sind. Die Emissionswellenlänge des Lasers ist bestimmt durch den Überlapp zweier Moden aus den beiden Segmenten, wobei die Modenkämme so ausgelegt sind, dass gleichzeitig maximal ein Modenpaar überlappt. Eine kleine relative Verschiebung der beiden Modenkämme führt zu einer vergleichsweise großen Verschiebung der Emissionswellenlänge auf Grund des veränderten Überlapps. Die Modenkämme wurden durch spezielle DFB-Gitter, sog. binary superimposed gratings (BSG), realisiert, die, anders als bei konventionellen DFB-Lasern, für mehrere Bragg-Wellenlängen konstruktive Interferenz zulassen und erstmalig bei DFB-Lasern eingesetzt wurden. BSGs zeichnen sich durch sehr gute optische Eigenschaften bei gleichzeitig einfacher Herstellung aus. Zum Abstimmen der Wellenlänge wurde der Brechungsindex des Lasers gezielt durch den Injektionsstrom bzw. die Bauteiltemperatur verändert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten abstimmbare Laser auf unterschiedlichen Materialsystemen (InGaAs/GaAs, GaInNAs/GaAs, InGaAsP/InP) hergestellt werden. Der maximale diskrete Abstimmbereich beträgt 38 nm bzw. 8,9 THz und ist durch die Breite des Verstärkungsspektrums limitiert. Quasikontinuierlich konnte ein Abstimmbereich von 15 nm bzw. 3,9 THz erreicht werden. Die typische minimale Seitenmodenunterdrückung (SMSR) beträgt 30 bis 35 dB. Durch Hinzufügen eines dritten Segments ohne Gitter konnte die Ausgangsleistung unabhängig von der Wellenlänge konstant gehalten werden. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung von DFB-Laser-Arrays mit dem Ziel, longitudinal monomodige Laser mit hoher Ausgangsleistung zu erhalten. Die DFB-Laser-Arrays basieren auf dem oben beschriebenen Prinzip von DFB-Lasern mit lateralem Metallgitter und verfügen über mehrere Rippenwellenleiter, die im lateralen Abstand von wenigen Mikrometern angeordnet sind. Für große Abstände zwischen den einzelnen Lasern des Arrays (Elemente) emittieren diese, weitgehend unabhängig von einander, jeweils longitudinal monomodiges Licht (quasimonochromatische Emission). Die spektrale Breite beträgt hierbei typischerweise 50 bis 70 GHz. Für kleine Elementabstände koppeln die einzelnen Lichtwellen miteinander, was zu einer mit einem konventionellen DFB-Laser vergleichbaren Linienbreite führt. Während die ungekoppelten Arrays über ein gaußförmiges Fernfeld verfügen, ergibt sich für die gekoppelten Arrays ein Interferenzmuster, das stark von verschiedenen Laserparametern (wie z. B. dem Elementabstand) abhängt. Bei InGaAs/GaAs basierenden Arrays (Wellenlänge ca. 980 nm) ergibt sich für DFB-Laser-Arrays mit vier Elementen eine Ausgangsleistung von ca. 200 mW pro Facette, die durch die Wärmeabfuhr begrenzt wird. Trotz der starken thermischen Limitierung (die Laser waren nicht aufgebaut) konnte die 3,5-fache Ausgangsleistung eines Referenzlasers erzielt werden. Bei InGaSb/GaSb basierenden Arrays mit vier Elementen (Wellenlänge ca. 2,0 µm) konnte eine Ausgangsleistung von ca. 30 mW pro Facette erreicht werden, was dem 3,3-fachen eines Referenzlasers entspricht. Die Verwendung von DFB-Laser-Arrays führt folglich zu einer signifikanten Leistungssteigerung, die sich durch geeignete Maßnahmen (Facettenvergütung, Montage, Skalierung) noch weiter erhöhen ließe.
N2  - This thesis covers the development of two different types of semiconductor lasers with distributed feedback (DFB). The lasers are based on ridge waveguides and possess an additional metal grating that is oriented perpendicular to the ridge waveguide. The evanescent part of the guided light overlaps with the grating. Due to periodic modulation of the effective refractive index a distributed feedback is accomplished which leads to a longitudinal single mode laser emission. Both lasers have in common, that the manufacturing process is independent of the material system. This fact is of particular interest because one can easily fabricate lasers in different wavelength ranges without having to develop a new manufacturing process. The first part of the thesis covers investigations on tunable lasers. The emission wavelength can be tuned quasi continuous within a relatively large range. The tuning mechanism can be described by the Vernier effect. The laser consists of two coupled cavities, each having a series of well defined modes. The modes are equally spaced within a cavity, whereas the mode spacing between the two cavities is slightly different. The emission wavelength of the device is determined by the overlap of two modes from either cavity. By applying this concept, one can use a relatively small shift of the cavity modes to obtain a rather large shift of the emission wavelength of the laser. The mode spectra have been realized by using so called binary superimposed gratings (BSG). This allows constructive interference for several Bragg wavelengths. BSGs show excellent optical properties as well as an easy fabrication process and have been applied to DFB-lasers for the first time. The wavelength tuning is accomplished by a well directed way of varying the injection currents and the device temperature, respectively. In this thesis, tunable lasers have been demonstrated on a variety of material systems (InGaAs/GaAs, GaInNAs/GaAs, InGaAsP/InP). The maximum discrete tuning range is 38 nm and 8.9 THz, respectively and is limited by the width of the gain spectrum. The maximum quasi continuous tuning range is 15 nm and 3,9 THz, respectively. The typical minimum side mode suppression ratio (SMSR) is 30 to 35 dB. By adding a third segment without any grating, one can keep the output power at a constant level independent of the emission wavelength. The second part of this thesis covers the development of DFB laser arrays resulting in a laser source with high output power and small spectral width. The DFB laser arrays are based on the above described principle of a DFB laser with a lateral metal grating and consists of several parallel ridge waveguides with a lateral distance of a few microns. For a relatively large distance between two adjacent lasers (emitters) the lasers are independent, each emitting single mode light. The total spectral width is around 50 to 70 GHz. Regarding smaller distances between two emitters, light from adjacent lasers interacts which leads to a total spectral width comparable to a conventional DFB laser. Regarding an InGaAs/GaAs based DFB laser array (wavelength around 980 nm), an array with four emitters shows a maximum output power of around 200 mW. Despite the strong thermal limitation (the lasers were not mounted), this is 3.5 times the output power of a reference laser with only one emitter. Regarding the InGaSb/GaAs based DFB laser arrays with four emitters (wavelength around 2.0 µm) the output power is around 3.3 times as high as the output power of a reference device. This shows that the proposed concept of DFB laser arrays with lateral gratings is suitable to improve the output power of a DFB laser and can be further enhanced by means of facet coating, proper mounting and scaling.
KW  - DFB-Laser
KW  - Halbleiterlaser
KW  - DFB-Laser
KW  - Abstimmbare Laser
KW  - Laserarray
KW  - semiconductor lasers
KW  - dfb-laser
KW  - tunable laser
KW  - laser array
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16922
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TY  - THES
A1  - Köhler, Sascha
T1  - Entwicklung hochaufgelöster NMR-Methoden zur morphologischen und funktionellen Charakterisierung des Herzmuskels
T1  - Development of high resolution NMR techniques for morphological and functional characterization of heart muscle
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, neue Messverfahren zu entwickeln, die eine umfassende Charakterisierung des Herzmuskels ermöglichen. Sowohl die Morphologie als auch die Funktion und der Gefäßstatus wurden am intakten und am krankhaft veränderten isolierten Herzmuskel der Ratte mit NMR-Mikroskopietechniken untersucht.
N2  - The goal of the present work is the development of new NMR techniques, which can be used for a broad characterization of the heart muscle. The morphology as well as the function and the status of coronary arteries was investigated in intact and in chronic infarcted hearts.
KW  - Herzfunktionsdiagnostik
KW  - NMR-Bildgebung
KW  - NMR
KW  - Bildgebung
KW  - Mikroskopie
KW  - Herz
KW  - Muskelfaser
KW  - NMR
KW  - imaging
KW  - microscopy
KW  - heart
KW  - muscle fiber
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9060
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TY  - THES
A1  - Schumacher, Claus
T1  - Herstellung und Charakterisierung von Nanostrukturen auf der Basis von II-VI-Materialien mittels der Schattenmaskentechnologie
T1  - Fabrication and characterisation of nano structures based on II-VI-materials utilising the shadow mask technology
N2  - Warum eigentlich Schattenmasken als neues alternatives Verfahren zur lateralen Strukturierung? Alle bislang üblichen Verfahren zur Herstellung lateral begrenzter Halbleiter-Kristalle strukturieren die zuvor epitaktisch flächig aufgewachsenen Schichten nachträglich. Hierdurch können Probleme entstehen. Etwa erzeugen nach einem nasschemischen Ätzprozess freistehende Quantentröge im Randbereich Oberflächenzustände, die zu nicht strahlender Rekombination führen können und daher die Lichtausbeute reduzieren. Der Prozess des erneuten Überwachsens solcher nachträglich geätzter Strukturen ist bislang noch nicht reproduzierbar. Weitere alternative Techniken, wie das Wachstum selbstorganisierter Quantenpunkte oder das it in-situ Spalten, bieten entweder noch keine befriedigende Kontrollmöglichkeit der Strukturgröße oder sind für eine industrielle Anwendung nur wenig praktikabel. Deshalb richtete sich der Blick auf das aus der III-V-Epitaxie bekannte Schattenmasken-Verfahren zur Herstellung makroskopischer sogenannter ,,nipi-Strukturen''. Diese zeigen den interessanten Effekt, dass sich die durch eine Schattenmaske wachsende Struktur in Wachstumsrichtung während des Wachstums von selbst zuspitzt. Die Größe der Masken-Apertur kann dadurch in einer Größenordnung bleiben, wie sie durch ein ultra-violett optisch lithographisches Verfahren hergestellt werden kann. Durch die Maske wächst dennoch, unterstützt von Schatten- und Selbstorganisationseffekten, ein Halbleiter-Kristall, der an seiner Spitze die Ausdehnung einer Nanostruktur hat. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es erstmals mittels der Schattenmaskentechnologie eine ZnSe-Draht-Struktur herzustellen, deren Ausdehnung an der Spitze nur noch 25~nm beträgt. Da dieses Verfahren erstmals zur Herstellung von II-VI-Halbleiter-Schichten etabliert wurde, konnte auf keinerlei Vorarbeiten zurückgegriffen werden. Vor der Herstellung geeigneter Schattenmasken mussten zunächst geeignete Belichtungs-Masken für die optische Lithographie entworfen werden, bevor die Ätztechniken zur Herstellung der Schattenmasken selbst optimiert werden konnten. Am Ende der Schattenmaskenentwicklung stand ein Verfahren zur Präparation einer verlässlichen Startoberfläche für die anschließende II-VI-Epitaxie, ohne die ein reproduzierbares Wachstum durch die Schattenmaske nicht möglich ist. Nachdem die technologische Seite abgearbeitet war, mussten anhand geeigneter Epitaxieexperimente die Einflüsse durch die geänderten Wachstumsbedingungen erforscht werden. Insbesondere spielen beim Wachstum durch Schattenmasken Oberflächeneffekte wie Diffusion oder die Orientierung der Masken-Apertur bzgl. der Kristallrichtung eine wesentliche Rolle. Für die in dieser Arbeit verwendete Geometrie des Wachstums (Gruppe-II- und Gruppe-VI-Spezies werden aus bzgl. der Masken-Apertur spiegelbildlichen Raumwinkelbereichen angeboten) wurde herausgefunden, dass die Maskenöffnung entlang der [1-10]-Kristallrichtung orientiert sein sollte. Entlang dieser Richtung sind die Se-Dimere einer Se-reich rekonstruierten Oberfläche orientiert und somit verläuft die Vorzugsdiffusionsrichtung senkrecht zum Draht. Hierdurch können diffusionsgestützt schärfer definierte Flanken des Drahtes wachsen, als bei einer um 90° gedrehten Geometrie. Eigentlich soll nicht nur eine binäre Drahtstruktur entstehen, sondern es soll zum Beispiel ein ZnCdSe-Quantentrog in einen Draht aus einem geeigneten Barriere-Material eingebettet werden. Bei diesen Versuchen stellte sich anhand von Tieftemperatur-PL- und charakteristischen Röntgenphotonen-Spektren heraus, dass Cadmium in einem epitaktisch gewachsenen Draht stärker als andere Spezies auf der Wachstumsoberfläche diffundiert. Eine kontrollierte Deposition eines ZnCdSe-Quantentroges ist nicht möglich. Um Diffusionseffekte zu vermeiden kann statt eines ternären Troges ein binärer in eine nun quaternäre Barriere eingebettet werden. Dieser Ansatz wird bereits in einer parallel zu dieser Arbeit begonnenen Dissertation erfolgreich verfolgt. Bei der Etablierung eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Halbleiter-Kristallen müssen auch Aussagen über die strukturellen Eigenschaften der gewachsenen Strukturen getroffen werden. Hierzu wurden die mittels eines ,,Lift-Off''-Prozesses nun freistehenden Drahtstrukturen einer Röntgenstrukturanalyse unterzogen. Die reziproken Gitterkarten zeigen bei senkrechter Orientierung der Beugungsebene relativ zum Draht, dass der Schichtreflex nicht auf der Relaxationsgeraden liegt. Bei einer rein plastischen Relaxation eines Halbleiter-Kristalls müsste dies jedoch für beide Orientierungen der Beugungsebene (senkrecht und parallel zum Draht) der Fall sein. Der Schichtreflex ist in Richtung des Substratreflexes verschoben. Der Netzebenenabstand ist somit also verkleinert. Eine mögliche Erklärung hierfür ist die zylinderförmige ,,Verbiegung'' der Atomebenen im Realraum und somit der Netzebenen im reziproken Raum. Die Überlegungen führen somit auf eine zusätzlich elastische anstelle auschließlich plastischen Relaxation des Kristalls. Um eine solche These erhärten zu können wurde auf der Basis der aus den REM- und AFM-Bildern ausgewerteten Geometrie der Drahtstrukturen ein atomares Modell eines verspannten Kristalls erstellt. Mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus' kann dieses Modell seine eingeprägte Verspannungsenergie elastisch abbauen. Die Fouriertransformierte des Realraumbildes des elastisch relaxierten Drahtes lässt sich direkt mit den reziproken Gitterkarten vergleichen. Mittels dieser Simulation konnte die vertikale Verschiebung des Schichtreflexes unmittelbar den zylindrisch ,,verbogenen'' Kristallebenen zugeordnet werden. Ferner ermöglichen die Simulationen erstmalig die qualitative Interpretation der Beugungsmessungen an den Schattenmasken selbst. Die im Rahmen der Dissertation von H.R.~Ress vorgenommenen Beugungsmessungen an den Schattenmasken zeigen neben der vertikalen Verschiebung des AlGaAs-Schichtreflexes charakteristische diffuse Streifen um den Schichtreflex, die bislang unverstanden waren. Die Simulationen zeigen, dass diese Streifen erst bei der elastischen Relaxation des Drahtes durch die konvexe Wölbung der Drahtflanke entstehen. Diese diffusen Streifen lassen sich in den in dieser Arbeit gewachsenen Drähten aus II-VI-Halbleitern nicht unmittelbar nachweisen. Da die Schattenmasken bedingt durch das Herstellungsverfahren eine Rauigkeit der Schattenkanten von bis zu 150~nm aufweisen sind auch die Flanken der durch die Masken gewachsenen Strukturen stark aufgeraut. Deshalb streuen die den Draht begrenzenden Fassetten nicht kohärent und bieten entsprechend keine definierte Abbruchbedingung der Fouriertransformation.
N2  - What is the motivation for the establishment of an alternative technique for lateral structuring? Till date, for definition of semiconductor nano structures, the established technology relies on the post-growth, ex-situ structuring of layer samples. The processes involved in this technology may cause a number of problems. For instance, wet chemical etching of quantum wires generate surface states which result in non radiative recombination of carriers and hence reduce the optical efficiency. Secondly, the process of overgrowth of such etched structures is not well controlled so far. Further alternative techniques like self organised growth of quantum dots or in-situ cleaved edge overgrowth either do not provide a satisfying size control or are too laborious for them to be industrially practicable. Thus, efforts were directed towards the use of shadow mask technique, a process well established for the fabrication of III-V n-i-p-i structures. These structures exhibit the interesting effect of an acuminating crystal during growth. A standard optical lithography process which achieves mask apertures down to 300~nm is sufficient: Driven by the effect of shadow and self organisation, the structure growing within the growth cavity has nano scale dimension at its tip. In the course of the work we succeeded, for the first time, to fabricate a ZnSe wire structure with a tip width of only 25nm. Since this technique was applied to the II-VI semiconductors for the first time, no relevant literature was available for the the preparatory work. Prior to the fabrication of suitable shadow masks, it is required to (a) design lithographic masks and (b) establish appropriate etching procedures. Additionally, the procedure requires the preparation of a reliable III-V surface for the subsequent II-VI growth. After successful implementation of the techniques, suitable experiments were developed which enabled the investigation of the growth conditions for the growth within a growth cavity. In particular, surface effects, like diffusion or the orientation of the mask aperture with respect to the symmetry directions of the crystal, play an considerable role. For the samples dicussed in this work, an alignment of the effusion cells was performed such that, group II and VI molecular beams impinged on the substrate at equal incident angles with respect to the surface normal. In this geometry, it was found that the highest lateral precision is achieved with mask apertures parallel to the [1-10] crystal direction. The selenium dimers are oriented along this direction and hence the main diffusion occures perpendicular to the wire. Hence the edges of the forming wire are more pronounced in this orientation. Originally, not only binary but also ternary quantum structures, for instance ZnCdSe quantum wells embedded into ZnSe barriers, were planned. Low temperature PL and EDAX experiments revealed that the cadmium diffusion coefficient is much larger than those of zinc and selenium. Therefore, a homogeneous cadmium distribution inside the ternary quantum well alloy, could not be achieved. To overcome this problem of segregation, a binary well can be embedded within a quaternary barrier. This approach was successfully pursued in a parallel endeavour. When a novel technique for fabrication of semiconductor structures is established, it is indespensable to provide evidence of high structural quality of the grown crystals. Therefore, the free standing wire structures were probed by high resolution x-ray diffraction analysis after the removal of the mask (lift-off process). The reciprocal space maps acquired in these experiments exhibit that the layer reflection does not lie on the line of relaxation only when the plane of diffraction is aligned perpendicular to the wire. Considering only plastic relaxation of the lattice, a deviation from the line of relaxation should occur for neither parallel nor perpendicular orientation. The layer reflection has moved towards the substrate reflection. The distance of lattice planes has therefore decreased. One possible explanation for this is a cylindrically shaped ''bending'' of atom planes in real space and consequentially of the lattice planes in reciprocal space. In conclusion, an additional elastic, instead of solely plastic relaxation, of the crystal has to be considered. To substantiate such a thesis, an atomic model was developed. The geometry of the modelled wire structures was choosen, based on the SEM and AFM images. The strain incorporated into the modelled crystal was relaxed by means of a Monte Carlo algorithm. The fourier transform of the real space image is related to the reciprocal space map directly. Based one this simulations, the vertically displacement of the layer reflection can be attributed to cylindrically bending of the lattice planes. Furthermore, these simulations enabled a qualitative interpretation of the diffractograms of the shadow masks themselves. In the course of this work, diffraction measurements were carried out on the III-V shadow masks by H.R. Ress. Apart from the vertical displacement of the AlGaAs layer reflection they were found to exhibit a characteristic cross-shaped diffuse reflection surrounding the layer reflection. This effect was not understood until now. The simulations clarified these features as due to a convex curvature of the wire's edges. Due to the low scattering volume of the II-VI wire structures fabricated in this work, these diffuse intensity is not observeable. Additionally, the fabrication technique itself brings in a roughness of the mask's shadow edges of roughly 150~nm, which in turn affects the roughness of wire structure. Hence the bounding facets of the wire do not scatter coherently and hence no defined termination condiction of the fourier transform is defined.
KW  - Zwei-Sechs-Halbleiter
KW  - Nanostruktur
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Fernsehmaske
KW  - Schattenmaske
KW  - Halbleiter
KW  - MBE
KW  - Quantendraht
KW  - Nanostruktur
KW  - shadow mask
KW  - semiconductor
KW  - mbe
KW  - quantum wire
KW  - nano structure
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-8754
ER  -