TY  - THES
A1  - Kremling, Stefan
T1  - Charakterisierung von InP und InGaN Quantenpunkten als Einzelphotonenquellen sowie von AlGaInAs Quantenpunkten in Zwischenband-Solarzellen
T1  - Characterization of InP and InGaN Quantum Dots for Single Photon Sources and AlGaInAs Quantum Dots in Intermediate Band Solar Cells
N2  - Die vorliegende Arbeit beschreibt die Charakterisierung von Halbleiter-Quantenpunkten (QP) in unterschiedlichen Materialsystemen. Die hier dargelegten Untersuchungen wurden mit verschiedenen Methoden der optischen Spektroskopie durchgeführt. Zu Beginn der Arbeit werden theoretische Grundlagen von QP hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur und statistischen Eigenschaften erläutert. Darüber hinaus wird näher auf die Physik von Solarzellen eingegangen, in dem die relevanten Gleichungen für die Beschreibung des Ladungsträgertransportes hergeleitet und diskutiert werden.
Darauf folgend werden die experimentelle Methoden erklärt, welche zur Charakterisierung der jeweiligen Proben dienten. Besonderes Augenmerk wird auf die Methode zur Messung des Zwei-Photonen-Absorptionsprozesses gelegt.
Der Abschnitt der experimentell gewonnenen Ergebnisse beginnt mit Untersuchungen an einzelnen, spektral isolierten InP QP, welche mit ultralangsamen Wachstumsraten hergestellt wurden. Aufgrund der sehr geringen Flächendichte konnten grundlegende physikalische Eigenschaften von QP ohne zusätzliche laterale Strukturierungen studiert werden. Mittels Messungen in Abhängigkeit der Anregungsleistung und Detektion in Abhängigkeit der Polarisation konnten die verschiedenen Lumineszenzlinien eines QP-Spektrums den jeweiligen exzitonischen Zuständen zugeordnet werden. Zusätzlich wurden die QP in einem externen Magnetfeld in Faraday-Konfiguration untersucht. Abschließend durchgeführte Autokorrelationsmessungen erlaubten die Untersuchung der zeitlichen Statistik der QP-Photonen. Es konnte die Emission einzelner Photonen nachgewiesen werden.
Anschließend folgen spektroskopische Untersuchungen von InP QP, welche mittels sequentiellen Wachstums hergestellt wurden. Anhand von Messungen in Abhängigkeit der Anregungsleistung und bestätigt durch zeitaufgelöste Messungen am QP-Ensemble wurde eine bimodale QP-Verteilung mit Typ-I und Typ-II Bandverlauf bestimmt. Zusätzlich konnten an einzelnen, spektral isolierten QP verschiedene Exziton-Zustände identifiziert werden, bevor abschließend Autokorrelationsmessungen die Emission einzelner Photonen demonstrierten. 
Zur Steigerung der Auskoppeleffizienz der Photonen wurden InP QP in Mikrosäulenresonatoren, bestehend aus zwei Bragg-Spiegeln mit einer dazwischenliegenden GaInP Kavität, eingebettet. Anfangs wurde die Emission der Kavitätsmode von Strukturen mit unterschiedlichen lateralen Durchmessern charakterisiert. Mittels Temperaturverstimmung konnte die Energie eines einzelnen QP-Exzitons in Resonanz mit der Resonatormode gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung wurde eine signifikante Überhöhung der Lumineszenzintensität aufgrund des Purcell-Effektes gemessen. Zusätzlich wurde im Regime der schwachen Kopplung die Emission einzelner Photonen anhand von Korrelationsmessungen nachgewiesen. Im zweiten Schritt wurden die QP-Mikrosäulenresonatorstrukturen elektrisch angeregt. Nach einer grundlegenden Charakterisierung konnte auch hier mittels Temperaturverstimmung die Energie der Resonatormode mit der eines Exziton in Resonanz gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung stieg die Intensität der Lumineszenz aufgrund des Purcell-Effekts signifikant an. Zum Abschluss bestätigen Korrelationsmessungen den Nachweis der Emission einzelner Photonen. 
In Kapitel 6 werden die Eigenschaften von InGaN QP genauer analysiert. Nitrid-Verbindungshalbleiter kristallieren vorzugsweise stabil in der Wurtzit-Kristallstruktur. Polare Kristallebenen mit fehlender Spiegelsymmetrie führen zu starken piezoelektrischen Feldern. Dies hat eine Lumineszenz mit ausgeprägter linearer Polarisation zur Folge hat. Diese Eigenschaft wurde mittels statistischen Untersuchungen näher betrachtet. Zusätzlich erlaubten Messungen in Abhängigkeit der Anregungsleistung die verschiedenen Exziton-Zustände eines QP zu identifizieren. Zudem wurde die Emission einzelner Photonen durch InGaN QP demonstriert, erstmals sogar bis zu einer Temperatur von 50 K.
Im abschliessenden Kapitel wird eine mögliche Anwendung von QP präsentiert, bei der Eigenschaften in Bauteilen gezielt ausgenutzt werden, um die Bandbreite der Photonenabsorption zu erhöhen. Das Konzept der Zwischenband-Solarzellen verspricht auch Photonen mit einer Energie kleiner der Bandlücke des umgebenden Materials aufnehmen zu können und somit den spektralen Absorptionsbereich zu erweitern. Für eine systematische Untersuchung wurden verschiedene Proben mit integrierten AlGaInAs QP hergestellt. Anhand der Strom-Spannungs-Kennlinien der jeweiligen Proben im Dunkeln und unter Beleuchtung konnten wichtige Solarzellenparameter bestimmt werden. Spektrale Messungen liefern Informationen über die externe Quanteneffizienz der Proben. Entscheidend für den experimentellen Nachweis des Funktionsprinzips der Zwischenband-Solarzellen ist die Messung der Zwei-Photonen-Absorption für zwei Photonen mit jeweils kleineren Energien als der Bandlücke des umgebenden Materials.
N2  - This thesis describes the characterization of semiconductor quantum dots (QDs) in different material systems with potential applications as single photon emitters or intermediate band solar cells. All investigations were carried out by means of optical spectroscopy methods.
First, the theoretical background regarding the physics of QDs with respect to their electronic structure and their associated statistical properties are presented. Especially peculiarities of photon statistics of light are explained. Moreover, a closer look at the physics of solar cells and the respective carrier transport is given.
Then experimental methods, which were used to characterize the QD-samples, are briefly explained. First, the components and techniques of optical spectroscopy for the study of individual, isolated QDs are described. Second, different experimental technologies for the characterization of solar cells are discussed. The method for measuring the two-photon-absorption process is explained in detail.
The section of experimental results begins with studies of individual and spectrally isolated InP QD. Due to the low surface density of one QD per μm2, it is possible to study the physical properties of individual QDs optically without additional lateral sample structuring. Based on power and polarization dependent measurements, various luminescence peaks of a single QD were associated with different exciton states. In addition, the QDs were tested subject to an external magnetic field in a Faraday configuration. Finally, the temporal photon statistics of a single QD was tested using autocorrelation measurement.
Afterwards, InP QDs manufactured by cyclic material deposition with growth interruptions were investigated by means of PL spectroscopy. Based on excitation power and time-resolved measurements on the QD ensemble, a bimodal QD distribution of type-I and type-II band alignment was observed. In addition, different exciton states were identified on spectrally isolated single QDs. Finally, the emission of single photons has been demonstrated using autocorrelation measurements. 
For a more efficient diffraction-limited output coupling of photons, the InP QDs grown by cyclic material deposition were embedded in micropillar resonator structures and investigated by means of spectroscopy. First, structures with different diameters were characterized by photoluminescence spectroscopy. Second, the energy of a single QD exciton and the energy of the cavity were tuned into resonance by changing the temperature. In the regime of weak coupling a luminescence enhancement due to the Purcell Effect was observed. Finally, also in the regime of weak coupling, the emission of single photons has been demonstrated by autocorrelation measurements.
In terms of applications, electrical operations are desirable. Therefore, the Bragg mirrors of the micropillar resonator were doped for an efficient current injection and electrical contacts were deposited. After basic electrical characterization, the regime of weak coupling of a single QD exciton and the cavity resulting in a luminescence enhancement were demonstrated by the Purcell effect. Finally, the emission of single photons based on autocorrelation measurements is shown.
In this chapter, the luminescence properties of single InGaN QD were investigated. Based on the wurtzite crystal structure of nitrite-compound semiconductors strong piezoelectric fields occur that lead to strongly linearly polarized luminescence. Several QDs were investigated and statistical studies were performed. Excitation power depending measurements allows one to identify the different exciton states of a single QD. In addition, the emission of single photons of InGaN QDs up to a temperature of 50 K was demonstrated for the first time.
In the final chapter, an application of QDs in solar cells is presented to specifically exploit the unique properties of QDs in optical devices. The concept of the intermediate band solar cell utilizes the energy position of the QD ground state to absorb photons with energy smaller than the host materials bandgap. This enables an enhancement of the spectral absorption range to longer wavelengths. For systematic studies various samples with AlGaInAs QDs were fabricated. The current voltage characteristics of the samples were tested in the dark and under illumination and the respective solar cell parameters were evaluated. Additionally, based on spectral measurements, the external quantum efficiencies of the samples were determined. Furthermore, the measurement of two sub-bandgap-photon absorption demonstrates the operation principle of an intermediate band solar cell. Finally, band structure calculations are shown, which describe the results qualitatively and which also hint to future sample designs.
KW  - Quantenpunkt
KW  - Solarzelle
KW  - Zwischenbandsolarzelle
KW  - Intermediate Band Solar Cell
KW  - QD-IBSC
KW  - Interbandübergang
KW  - Einzelphotonenemission
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101712
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TY  - THES
A1  - Röding, Sebastian
T1  - Coherent Multidimensional Spectroscopy in Molecular Beams and Liquids Using Incoherent Observables
T1  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie in Molekularstrahlen und Flüssigkeiten durch inkohärente Observablen
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Umsetzung einer experimentellen Herangehensweise, welche die kohärente zweidimensionale (2D) Spektroskopie an Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen ermöglicht.
Hierzu wurde zunächst ein Aufbau für flüssige Proben realisiert, in welchem die emittierte Fluoreszenz als Messsignal zur Aufnahme der 2D Spektren genutzt wird. Im Gegensatz zu dieser bereits etablierten Methode in der flüssigen Phase stellt die in dieser Arbeit außerdem vorgestellte 2D Spektroskopie an gasförmigen Proben in einem Molekularstrahl einen neuen Ansatz dar. Hierbei werden zum ersten Mal Kationen mittels eines Flugzeitmassenspektrometers als Signal verwendet und somit ionen-spezifische 2D Spektren isolierter Moleküle erhalten. Zusätzlich zu den experimentellen Entwicklungen wurde in dieser Arbeit ein neues Konzept zur Datenerfassung in der 2D Spektroskopie entworfen, welches mit Hilfe einer optimierten Signalabtastung und eines Compressed-Sensing Rekonstruktionsalgorithmus die Aufnahmezeit der Daten deutlich reduziert.

Charakteristisch für die in dieser Arbeit eingesetzte Variante der 2D Spektroskopie ist die Verwendung einer phasenkohärenten Sequenz bestehend aus vier Laserimpulsen in einer kollinearen Laserstrahlgeometrie zur Anregung der Probe. Diese Impulssequenz wurde durch einen Laserimpulsformer erzeugt, der durch Änderung der relevanten Laserimpulsparameter mit der Wiederholrate des Lasers eine schnelle Datenerfassung ermöglicht. Die Antwort der Probe auf diese Anregung wurde durch inkohärente Observablen gemessen, welche proportional zur Population des angeregten Zustandes sind, wie zum Beispiel Fluoreszenz oder Ionen. Um aus diesem Signal während der Datenanalyse die gewünschten nichtlinearen Beiträge zu extrahieren, wurde die Messung mit verschiedenen Kombinationen der relativen Phase zwischen den Laserimpulsen wiederholt ("Phase Cycling").

Der Aufbau zur 2D Spektroskopie in flüssiger Phase mit Fluoreszenz-Detektion wurde an Hand von 2D Spektren des Laserfarbstoffes Cresyl Violett charakterisiert. Hierbei wurden Oszillationen in verschiedenen Bereichen des 2D Spektrums beobachtet, welche durch vibronische Kohärenzen hervorgerufen werden und mit früheren Beobachtungen in der Literatur übereinstimmen.

Mit dem gleichen Datensatz wurde im nächsten Schritt das neue Konzept zur optimierten Datenerfassung demonstriert. Um ein optimiertes Schema für die Signalabtastung zu finden, wurde ein genetischer Algorithmus implementiert, wobei nur ein Viertel der eigentlichen Datenpunkte zur Messwerterfassung verwendet werden sollte. Dies reduziert die Zeitdauer der Datenerfassung auf ein Viertel der ursprünglichen Messzeit. Die Rekonstruktion des vollständigen Signales erfolgte mit Hilfe einer neuartigen, kompakten Darstellung von 2D Spektren basierend auf der von Neumann Basis. Diese Herangehensweise benötigte im Vergleich zur üblicherweise verwendeten Fourier Basis nur ein Sechstel der Koeffizienten um das Signal vollständig darzustellen und ermöglichte so die erfolgreiche Rekonstruktion der Oszillationen in Cresyl Violett aus einem reduzierten Datensatz. 

Mit Hilfe der neuartigen kohärenten 2D Spektroskopie an Molekularstrahlen wurden Übergänge von hoch angeregten Rydberg-Zuständen ins ionische Kontinuum in Stickstoffdioxid untersucht. Als dominierender Beitrag stellte sich hierbei der Übergang in auto-ionisierende Zustände heraus. Ein wesentlicher Vorteil der Datenerfassung über ein Flugzeitmassenspektrometer ist die Möglichkeit der gleichzeitigen Aufnahme von 2D Spektren der Edukte und Produkte einer chemischen Reaktion. Dies wurde in Experimenten zur Mehrphotonenionisation gezeigt, in denen deutliche Unterschiede in den 2D Spektren des Stickstoffdioxid-Kations und des Stickstoffmonoxid-Fragmentes sichtbar wurden, welche auf unterschiedliche Antwortfunktionen zurückzuführen sind.

Die in dieser Arbeit entwickelten experimentellen Techniken ermöglichen die schnelle Aufnahme von 2D Spektren für Proben in unterschiedlichen Aggregatzuständen und erlauben einen zuverlässigen, direkten Vergleich der Ergebnisse. Sie sind deshalb ein Wegbereiter für zukünftige Untersuchungen der Eigenschaften quantenmechanischer Kohärenzen in photophysikalischen Prozessen oder während photochemischer Reaktionen in unterschiedlichen Aggregatzuständen.
N2  - The aim of the present work was to implement an experimental approach that enables coherent two-dimensional (2D) electronic spectroscopy of samples in various states of matter. For samples in the liquid phase, a setup was realized that utilizes the sample fluorescence for the acquisition of 2D spectra. Whereas the liquid-phase approach has been established before, coherent 2D spectroscopy on gaseous samples in a molecular beam as developed in this work is in fact a new method. It employs for the first time cations in a time-of-flight mass spectrometer for signal detection and was used to obtain the first ion-selective 2D spectra of a molecular-beam sample. Additionally, a new acquisition concept was developed in this thesis that significantly decreases measurement times in 2D spectroscopy using optimized sparse sampling and a compressed-sensing reconstruction algorithm.

Characteristic for the variant of 2D spectroscopy presented in this work is the usage of a phase-coherent sequence of four laser pulses in a fully collinear geometry for sample excitation. The pulse sequence was generated by a custom-designed pulse shaper that is capable of rapid scanning by changing the pulse parameters such as time delays and phases with the repetition rate of the laser. The sample's response was detected by monitoring incoherent observables that arise from the final-state population, for instance fluorescence or cations. Phase cycling, i.e., signal acquisition with different combinations of the relative phases of the excitation pulses, was applied to extract nonlinear signal contributions from the full signal during data analysis. 

Liquid-phase 2D fluorescence spectroscopy was established with the laser dye cresyl violet as a sample molecule, confirming coherent oscillations previously observed in literature that are originating from vibronic coherences in specific regions of the 2D spectrum. 

The data set of this experiment was used subsequently to introduce optimized sparse sampling in 2D spectroscopy. An optimization algorithm was implemented in order to find the best sampling pattern while taking only one quarter of the regular time-domain sampling points, thereby reducing the acquisition time by a factor of four. Signal recovery was based on a new and compact representation of 2D spectra using the von Neumann basis, which required about six times less coefficients than the Fourier basis to retain the relevant information. Successful reconstruction was shown by recovering the coherent oscillations in cresyl violet from a reduced data set. 

Finally, molecular-beam coherent 2D spectroscopy was introduced with an investigation of ionization pathways in highly-excited nitrogen dioxide, revealing transitions to discrete auto-ionizing states as the dominant contribution to the ion signal. Furthermore, the advantage of the time-of-flight approach to obtain reactant and product 2D spectra simultaneously enabled the observation of distinct differences in the multiphoton-ionization response functions of the nitrogen dioxide cation and the nitrogen oxide ionic fragment.  

The developed experimental techniques of this work will facilitate fast acquisition of 2D spectra for samples in various states of matter and permit reliable direct comparison of results. Therefore, they pave the way to study the properties of quantum coherences during photophysical processes or photochemical reactions in different environments.
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Ultrakurzzeitspektroskopie
KW  - Pump-Probe Technik
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Coherent Multidimensional Spectroscopy
KW  - Time-Resolved Spectroscopy
KW  - Photochemistry
KW  - Laser Pulse Shaping
KW  - Sparse Sampling
KW  - Kohärente Multidimensionale Spektroskopie
KW  - Zeitaufgelöste Spektroskopie
KW  - Photochemie
KW  - Laserimpulsformung
KW  - Sparse Sampling
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156726
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TY  - THES
A1  - Müller, Thomas M.
T1  - Computergestütztes Materialdesign: Mikrostruktur und elektrische Eigenschaften von Zirkoniumdioxid–Aluminiumoxid Keramiken
T1  - Computer-Aided Material Design: Microstructure and Electrical Properties of Zirconia-Alumina-Ceramics
N2  - Die Mikrostruktur von Zirkonoxid–Aluminiumoxid Keramiken wurde im Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht und mittels quantitativer Bildanalyse weiter charakterisiert. Die so erhaltenen spezifischen morphologischen Kennwerte wurden mit denen, die an dreidimensionalen Modellstrukturen äquivalent gewonnen wurden, verglichen. Es wurden modifizierte Voronoistrukturen benutzt, um die beteiligten Phasen in repräsentativen Volumenelementen (RVE) auf Voxelbasis zu erzeugen. Poren wurden an den Ecken und Kanten dieser Strukturen nachträglich hinzugefüg.
Nachdem alle relevanten Kennwerte der Modellstrukturen an die realen keramischen Mikrostrukturen angepasst wurden, musste das RVE für die Finite Element Simulationen (FES) geeignet vernetzt werden. Eine einfache Übernahme der Voxelstrukturen in hexaedrische Elemente führt zu sehr langen Rechenzeiten, und die erforderliche Genauigkeit der FES konnte nicht erreicht werden. Deshalb wurde zunächst eine adaptive Oberflächenvernetzung ausgehend von einem generally classed marching tetrahedra Algorithmus erzeugt. Dabei wurde besonderer Wert auf die Beibehaltung der zuvor angepassten Kennwerte gelegt. Um die Rechenzeiten zu verkürzen ohne die Genauigkeit der FES zu beeinträchtigen, wurden die Oberflächenvernetzungen dergestalt vereinfacht, dass eine hohe Auflösung an den Ecken und Kanten der Strukturen erhalten blieb, während sie an flachen Korngrenzen stark verringert wurde. Auf Basis dieser Oberflächenvernetzung wurden Volumenvernetzungen, inklusive der Abbildung der Korngrenzen durch Volumenelemente, erzeugt und für die FES benutzt. Dazu wurde ein FE-Modell zur Simulation der Impedanzspektren aufgestellt und validiert.
Um das makroskopische elektrische Verhalten der polykristallinen Keramiken zu simulieren, mussten zunächst die elektrischen Eigenschaften der beteiligten Einzelphasen gemessen werden. Dazu wurde eine Anlage zur Impedanzspektroskopie bis 1000 °C aufgebaut und verwendet. Durch weitere Auswertung der experimentellen Daten unter besonderer Berücksichtigung der Korngrenzeffekte wurden die individuellen Phaseneigenschaften erhalten.
Die Zusammensetzung der Mischkeramiken reichte von purem Zirkonoxid (3YSZ) bis zu purem Aluminiumoxid. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und simulierten Werten bezüglich der betrachteten elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften erreicht. Die FES wurden verwendet, um die Einflüsse verschiedener mikrostruktureller Parameter, wie Porosität, Korngröße und Komposition, auf das makroskopische Materialverhalten näher zu untersuchen.
N2  - The microstructures of zirconia–alumina ceramics are investigated by scanning electron microscopy (SEM) and further characterised by quantitative image analysis. This leads to specific morphological parameters which are compared with the same parameters derived from three-dimensional model structures generated in voxel-based representative volume elements (RVE). Modified Voronoi clusters are employed to represent alumina and zirconia phases. Pores are added at the grain corners and edges respectively.
After adjusting all the relevant morphological parameters of the model to the real ceramics’ microstructure, the RVE has to be meshed for finite element simulations (FES). Hexahedral elements which simply use the voxel structure did not lead to sufficient accuracy of the FES. As a first step, an adapted surface tessellation is generated, using a generally classed marching tetrahedra method. Special care is taken to preserve the topology as well as the individual volumes and interfaces of the model. In terms of processing time and accuracy of the FES it is very important to simplify the initially generated surface mesh in a manner that preserves detailed resolution at corners and along edges, while decimating the number of surface elements in flat regions, i.e. at the grain boundaries. From the surface mesh an adequate tetrahedral volume tessellation, including solid elements representing the grain boundaries, is created, which is used for the FES. Therefore, a FE-model for the simulation of impedance spectra has been established and validated.
To simulate the macroscopic electrical behaviour of polycrystalline ceramics, the electrical properties of the individual constituting phases need to be measured. This is done by impedance spectroscopy up to 1000 °C. Further analysis of the experimental data with special respect to the effect of the grain boundaries is carried out to obtain the individual phases’ properties.
The sample composition was varied from pure zirconia to pure alumina. A very good agreement between experimental and simulated data was achieved in terms of electrical, thermal and mechanical properties. The FES were employed to scrutinize the effects of systematically varying microstructural properties, such as porosity, grain size and composition, on the macroscopic material behaviour.
KW  - Keramischer Werkstoff
KW  - Mikrostruktur–Eigenschafts–Korrelationen
KW  - Mikrostrukturmodellierung
KW  - Impedanzspektroskopie
KW  - Finite Element Simulationen
KW  - Microstructure–Property–Relationship
KW  - Microstructure Modelling
KW  - Impedance Spectroscopy
KW  - Finite Element Simulations
KW  - Mikrostruktur
KW  - Computersimulation
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - Simulation
KW  - Dreidimensionales Modell
KW  - Gefügekunde
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-110942
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TY  - THES
A1  - Brendel, Michael
T1  - Correlation between Interface Energetics of Molecular Semiconductors and Opto-Electronic Properties of Planar Organic Solar Cells
T1  - Der Zusammenhang zwischen der Energetik molekularer Halbleitergrenzflächen und den opto-elektronischen Eigenschaften planarer organischer Solarzellen
N2  - It was the scope of this work to gain a deeper understanding of the correlation between Interface energetics of molecular semiconductors in planar organic solar cells and the corresponding optoelectronic characteristics. For this aim, different approaches were followed. At first, a direct variation of donor/acceptor (D/A) interface energetics of bilayer cells was achieved by utilizing systematically modified donor compounds. This change could be correlated to the macroscopic device performance. At second, the impact of interface energetics was illustrated, employing a more extended device architecture. By introducing a thin interlayer between a planar D/A heterojunction, an energetic staircase was established. Exciton dissociation in such devices could be linked to the cascade energy level alignment of the photo-active materials. Finally, two different fullerene molecules C60 and C70 were employed in co-evaporated acceptor phases. The expected discrepancy in their electronic structure was related to the transport properties of the corresponding organic photovoltaic cells (OPVCs). The fullerenes are created simultaneously in common synthesis procedures. Next to the photo-physical relevance, the study was carried-out to judge on the necessity of separating the components from each other by purification which constitutes the cost-determining step in the total production costs.
N2  - Es war das Ziel dieser Arbeit ein tieferes Verständnis für die Beziehung zwischen der Grenzflächenenergetik der molekularen Halbleiter planarer, organischer Solarzellen und den zugehörigen opto-elektronischen Bauteileigenschaften zu gewinnen. Für diesen Zweck wurden verschiedene Ansätze verfolgt. Einerseits wurde eine Veränderung der Donator/Akzeptor (D/A) Grenzflächenenergetik von Bilagen-Solarzellen durch die Verwendung verschieden fluorierter Donatorverbindungen erreicht. Andererseits wurde der Einfluss der Grenzflächenenergetik anhand einer geänderten Bauteilarchitektur aufgezeigt. Durch das Einbringen einer dünnen Schicht zwischen der D/A Heterogrenzfläche, wurde eine energetische Treppe realisiert. In diesen Solarzellen konnte die Exzitonendissoziation mit der Kaskaden-Energielevel-Anpassung der molekularen Halbleiter in Verbindung gebracht werden. Abschließend wurden zwei verschiedene Fullerenmoleküle in ko-verdampften Akzeptorphasen eingesetzt. Der vermeintliche Unterschied in ihrer elektronischen Struktur wurde mit den Transporteigenschaften der organischen photovoltaischen Zellen korreliert. Auf herkömmlichen Syntheserouten werden die Fullerene simultan generiert. Neben Gründen der photo-physikalischen Relevanz, wurde die Studie durchgeführt, um die Notwendigkeit der Trennung der Komponenten voneinander zu beurteilen, da dieser Aufreinigungsschritt der Kosten-bestimmende Prozess für die Gesamtmaterialkosten ist
KW  - Organische Solarzelle
KW  - organic solar cell
KW  - planar heterojunction
KW  - interface energetics
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155094
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TY  - THES
A1  - Schrauth, Manuel
T1  - Critical Phenomena in Topologically Disordered Systems
T1  - Kritische Phänomene in topologisch ungeordneten Systemen
N2  - Clearly, in nature, but also in technological applications, complex systems built in an entirely ordered and regular fashion are the exception rather than the rule. In this thesis we explore how critical phenomena are influenced by quenched spatial randomness. Specifically, we consider physical systems undergoing a continuous phase transition in the presence of topological disorder, where the underlying structure, on which the system evolves, is given by a non-regular, discrete lattice. We therefore endeavour to achieve a thorough understanding of the interplay between collective dynamics and quenched randomness.

According to the intriguing concept of universality, certain laws emerge from collectively behaving many-body systems at criticality, almost regardless of the precise microscopic realization of interactions in those systems. As a consequence, vastly different phenomena show striking similarities at their respective phase transitions. In this dissertation we pursue the question of whether the universal properties of critical phenomena are preserved when the system is subjected to topological perturbations. For this purpose, we perform numerical simulations of several prototypical systems of statistical physics which show a continuous phase transition. In particular, the equilibrium spin-1/2 Ising model and its generalizations represent -- among other applications -- fairly natural approaches to model magnetism in solids, whereas the non-equilibrium contact process serves as a toy model for percolation in porous media and epidemic spreading. Finally, the Manna sandpile model is strongly related to the concept of self-organized criticality, where a complex dynamic system reaches a critical state without fine-tuning of external variables. 
			
Our results reveal that the prevailing understanding of the influence of topological randomness on critical phenomena is insufficient. In particular, by considering very specific and newly developed lattice structures, we are able to show that -- contrary to the popular opinion -- spatial correlations in the number of interacting neighbours are not a key measure for predicting whether disorder ultimately alters the behaviour of a given critical system.
N2  - Ohne Zweifel stellen vollständig regelmäßig aufgebaute komplexe Systeme sowohlin der Natur als auch in technischen Anwendungen eher die Ausnahme als die Regel dar. In dieser Arbeit erforschen wir, wie sogenannte kritische Phänomene durch eingefrorene räumliche Unordnung beeinflusst werden. Konkret untersuchen wir physikalische Systeme, welche einen kontinuierlichen Phasenübergang aufweisen, in Gegenwart von topologischer Unordnung. Die räumliche Struktur, auf der sich das dynamische System entwickelt, ist in diesem Fall durch ein unregelmäßiges diskretes Gitter gegeben. Die Erlangung eines tiefergehenden Verständnisses des Zusammenspiels von physikalischer Dynamik und räumlicher Unordnung kann daher als das Hauptziel unserer Unternehmung angesehen werden. Ein gleichermaßen faszinierendes wie zentrales Konzept in der statistischen Physik stellt die sogenannte Universalität dar, gemäß welcher das kollektive Verhaltenvon Vielkörpersystemen im kritischen Bereich nahezu unabhängig von der spezifischen mikroskopischen Realisierung der Wechselwirkungen ist. Als Konsequenz sind selbst in völlig unterschiedlichen Systemen bemerkenswerte Ähnlichkeiten an den jeweiligen Phasenübergängen beobachtbar. Diese Dissertation geht nun der Frage nach, inwieweit diese universalen Eigenschaften erhalten bleiben, wenn das System topologischen Störungen ausgesetzt wird. Zu diesem Zweck werden umfangreiche numerische Monte-Carlo-Simulationen von einigen prototypischen Systemen, welche einen kontinuierlichen Phasenübergang aufweisen, durchgef ührt. Ein prominentes Beispiel für ein System im thermodynamischen Gleichgewicht stellt dabeidas Spin-1/2 Ising-Modell dar, welches unter anderem magnetische Eigenschaftenvon Festkörpern modelliert. Zusätzlich werden auch Systeme fernab des Gleichgewichts behandelt, wie etwa der Kontaktprozess, welcher ein vereinfachtes Modell für Perkolationsprozesse in porösen Stoffen oder auch für die Ausbreitung von Epidemien darstellt, sowie spezielle Modelle, welche in engem Zusammenhang mit selbstorganisiertem kritischen Verhalten stehen. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass der Einfluss von topologischen Störungen auf kritische Phänomene derzeit noch unzureichend verstanden ist. Insbesondere gelingt es uns mittels spezieller eigens entwickelter Gitterkonstruktionen zu zeigen, dass lokale räumliche Korrelationen in der Anzahl von wechselwirkenden Nachbarn, entgegen weitläufiger Meinung, kein adäquates Maß sind, um den Einfluss von Unordnung auf das Verhalten eines kritischen Systems vorhersagen zu können.
KW  - Ising-Modell
KW  - Nichtgleichgewichts-Phasenübergang
KW  - Unstrukturiertes Gitter
KW  - Ordnungs-Unordnungs-Umwandlung
KW  - Monte-Carlo-Simulation
KW  - Monte Carlo simulations
KW  - Ising model
KW  - Directed Percolation
KW  - Phase Transition
KW  - Critical Phenomena
KW  - Geometry
KW  - Disordered Lattice
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-234998
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TY  - THES
A1  - Kolb, Verena
T1  - Einfluss metallischer Nanostrukturen auf die optoelektronischen Eigenschaften organischer Halbleiter
T1  - Impact of metal nanostructures on the optoelectronic properties of organic semiconductors
N2  - Opto-elektronische Bauelemente auf Basis organischer Moleküle haben in den letzten Jahren nicht nur in Nischenbereichen, wie der Kombination organischer Photovoltaik mit gebäudeintegrierten Konzepten, sondern vor allem auch in der Entwicklung von kommerziell verfügbaren OLED (organische lichtemittierende Dioden) Bauteilen, wie 4K TV-Geräten und Handy Displays, an Bedeutung gewonnen. Im Vergleich zu anorganischen Bauteilen weisen jedoch vor allem organische Solarzellen noch weitaus geringere Effizienzen auf, weswegen die Erforschung ihrer Funktionsweise und der Einflüsse der einzelnen Bestandteile auf mikroskopischer Ebene für die Weiterentwicklung und Verbesserung des Leistungspotentials dieser Technologie unabdingbar ist. \\
Um dies zu erreichen, wurde in dieser Arbeit die Wechselwirkung zwischen der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) metallischer Nanopartikel mit den optischen Anregungen organischer Dünnschichten in dafür eigens präparierten opto-elektronischen Hybrid-Bauteilen aus kleinen Molekülen untersucht. Durch die Implementierung und Kopplung an solche plasmonischen Nanostrukturen kann die Absorption bzw. Emission durch das lokal um die Strukturen erhöhte elektrische Feld gezielt beeinflusst werden. Hierbei ist der spektrale Überlapp zwischen LSPR und den Absorptions- bzw. E\-missions\-spek\-tren der organischen Emitter entscheidend. In dieser Arbeit wurden durch Ausnutzen dieses Mechanismus sowohl die Absorption in organischen photovoltaischen Zellen erhöht, als auch eine verstärkte Emission in nanostrukturierten OLEDs erzeugt. \\
Besonderer Fokus wurde bei diesen Untersuchungen auf mikroskopische Effekte durch neu entstehende Grenzflächen und die sich verändernden Morphologien der aktiven organischen Schichten gelegt, da deren Einflüsse bei optischen Untersuchungen oftmals nur unzureichend berücksichtigt werden. In der Arbeit wurden daher die nicht zu vernachlässigenden Folgen der Einbringung von metallischen Nanostrukturen auf die Morphologie und Grenzflächen zusammen mit den spektralen Veränderungen der Absorptions- und Emissionscharakteristik organischer Moleküle analysiert und in Zusammenhang gebracht, wodurch eine Verbesserung der Effizienzen opto-elektronischer Bauteile erreicht werden soll.
N2  - In recent years, opto-electronic devices based on organic molecules have drawn increasing attention, not only in niche markets like building-integrated photovoltaics, but also in the development of organic light emitting diodes (OLEDs) for 4K TV and smartphone displays. Compared to devices based on inorganic semiconductors, especially, organic solar cells lack in efficiency. Therefore, the investigation and understanding of microscopic effects influencing the overall performance are crucial for further efficiency improvements of these technologies.\\
These circumstancs have motivated the topic of this thesis namely the investigation of the electromagnetic interaction between metallic nanostructures and molecular semiconductors, the latter constituting the key unit in organic opto-electronics thin film devices. The unique properties of metal nanostructures and nanoparticles, in particular, their localized surface plasmon resonances (LSPR) and the accompanying enhancement of the local electrical field and the scattering of incoming light are able to enhance both, the absorption and the emission of organic molecules in close proximity. \\
In this thesis, both phenomena were used to enhance the absorption of small molecule organic solar cells, as well as the emission in nanostructured OLEDs. Especially, the effect of artificially generated interfaces and the induced change in morphology due to nanoparticles are investigated with respect to the optical properties of the organic emitters and absorbers. \\
KW  - Nanostruktur
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Oberflächenplasmonen
KW  - organische Halbleiter
KW  - localized surface plasmon
KW  - organic semiconductor
KW  - Silber
KW  - Optoelektronik
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170279
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stender, Benedikt
T1  - Einzelphotonenemitter und ihre Wechselwirkung mit Ladungsträgern in organischen Leuchtdioden
T1  - Single Photon Emitters and their Interaction with Charge Carriers inside Organic Light Emitting Eiodes
N2  - In dieser Arbeit wird die Photophysik von Einzelphotonenemittern unterschiedlicher Materialklassen, wie Fehlstellen in Diamant und Siliziumcarbid sowie organischer Moleküle bei Raumtemperatur untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein hochauflösendes konfokales Mikroskop konzipiert und konstruiert, welches die optische Detektion einzelner Quantensysteme ermöglicht. Zusätzlich werden verschiedene Methoden wie die Rotationsbeschichtung, das Inkjet-Printing und das Inkjet-Etching in Bezug auf die Reproduzierbarkeit und Strukturierbarkeit von organischen Leuchtdioden (OLEDs) verglichen. Im weiteren Verlauf werden die optoelektronischen Prozesse in dotierten OLEDs untersucht, ausgehend von hohen Dotierkonzentrationen bis hin zur Dotierung mit einzelnen Molekülen. Dadurch kann die Exzitonen-Ladungsträger Wechselwirkung auf und in der Umgebung von räumlich isolierten Molekülen analysiert werden.
N2  - In this work the room-temperature photophysics of single-photon sources of different material systems such as NV-centers, vacancies in silicon carbide and organic molecules are investigated. A high resolution home-built confocal microscope is used to detect and analyse the isolated single quantum emitters. Additionally, different methods and techniques for production of organic light emitting diodes (OLEDs) such as spin-coating, inkjet-printing and inkjet-etching are compared concerning their reproducibility and feasibility for structured OLED preparation. Subsequently, the opto-electronic processes in dye-doped polymeric OLEDs are examined for various doping concentrations ranging from high concentrations down to the doping by single molecules. This provides access to the investigation of the exciton-charge carrier interaction of single organic molecules in organic matrices.
KW  - Einzelphotonenquelle
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - OLED
KW  - Single Photon Sources
KW  - confocal microscopy
KW  - Einzelphotonenemission
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - OLED
KW  - Ladungsträger
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150913
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TY  - THES
A1  - Ochs, Maximilian Thomas
T1  - Electrically Connected Nano-Optical Systems: From Refined Nanoscale Geometries to Selective Molecular Assembly
T1  - Elektrisch Kontaktierte Nano-Optische Systeme: Von Komplexen Geometrien bis zur Gezielten Oberflächenmodifikation
N2  - Metallic nano-optical systems allow to confine and guide light at the nanoscale,
a fascinating ability which has motivated a wide range of fundamental as well
as applied research over the last two decades. While optical antennas provide
a link between visible radiation and localized energy, plasmonic waveguides
route light in predefined pathways. So far, however, most experimental demonstrations
are limited to purely optical excitations, i.e. isolated structures are
illuminated by external lasers. Driving such systems electrically and generating
light at the nanoscale, would greatly reduce the device footprint and pave the
road for integrated optical nanocircuitry. Yet, the light emission mechanism as
well as connecting delicate nanostructures to external electrodes pose key challenges
and require sophisticated fabrication techniques. This work presents various
electrically connected nano-optical systems and outlines a comprehensive
production line, thus significantly advancing the state of the art. Importantly,
the electrical connection is not just used to generate light, but also offers new
strategies for device assembly. In a first example, nanoelectrodes are selectively
functionalized with self-assembled monolayers by charging a specific electrode.
This allows to tailor the surface properties of nanoscale objects, introducing an
additional degree of freedom to the development of metal-organic nanodevices.
In addition, the electrical connection enables the bottom-up fabrication of tunnel
junctions by feedback-controlled dielectrophoresis. The resulting tunnel barriers
are then used to generate light in different nano-optical systems via inelastic
electron tunneling. Two structures are discussed in particular: optical Yagi-Uda
antennas and plasmonic waveguides. Their refined geometries, accurately fabricated
via focused ion beam milling of single-crystalline gold platelets, determine
the properties of the emitted light. It is shown experimentally, that Yagi-Uda
antennas radiate light in a specific direction with unprecedented directionality,
while plasmonic waveguides allow to switch between the excitation of two
propagating modes with orthogonal near-field symmetry. The presented devices
nicely demonstrate the potential of electrically connected nano-optical systems,
and the fabrication scheme including dielectrophoresis as well as site-selective
functionalization will inspire more research in the field of nano-optoelectronics.
In this context, different future experiments are discussed, ranging from the
control of molecular machinery to optical antenna communication.
N2  - Nano-optische Systeme ermöglichen es, Licht auf der Nanoskala zu fokussieren
und zu leiten - eine faszinierende Fähigkeit, die in den letzten zwei Jahrzehnten
ein breites Spektrum an Grundlagen- und angewandter Forschung motiviert
hat. Während optische Antennen lokalisierte Energie mit sichtbarer Strahlung
verknüpfen, leiten plasmonische Wellenleiter das Licht in vordefinierte Bahnen.
Bislang jedoch beschränken sich die meisten Experimente auf isolierte Strukturen,
die durch externe Lichtquellen angeregt werden. Die elektrisch getriebene
Lichterzeugung auf der Nanoskala reduziert den Platzbedarf dieser Systeme
erheblich und ebnet so den Weg für optische Nano-Schaltkreise. Allerdings
stellen sowohl die Lichtemission als auch die Kontaktierung der Nanostrukturen
erhebliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit werden verschiedene
elektrisch kontaktierte nano-optische Systeme vorgestellt. Eine zentrale Rolle
spielt dabei die Kontaktierung - nicht nur für die Lichterzeugung, sondern
auch für die Fabrikation der jeweiligen Strukturen. In einem ersten Beispiel
werden Nanoelektroden durch Anlegen einer Spannung selektiv mit molekularen
Monolagen beschichtet. Dadurch können die chemischen und elektronischen
Oberflächeneigenschaften von Nanoobjekten maßgeschneidert werden, was einen
zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Entwicklung von optoelektronischen Nanosystemen
darstellt. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Kontaktierung
die Herstellung von Tunnelbarrieren mittels Dielektrophorese, was die Lichterzeugung
in verschiedenen nano-optischen Systemen durch inelastisches Elektronentunneln
ermöglicht. Hier werden zwei Strukturen diskutiert: optische
Yagi-Uda-Antennen und plasmonische Wellenleiter. Ihre ausgeklügelten Geometrien,
hergestellt aus einkristallinen Goldflocken mittels fokussiertem Ionenstrahl,
bestimmen die Eigenschaften des emittierten Lichts. Es wird gezeigt,
dass Yagi-Uda-Antennen das Licht gezielt in eine bestimmte Richtung abstrahlen,
während plasmonische Wellenleiter das Schalten zwischen zwei propagierenden
Moden ermöglichen. Damit demonstriert diese Arbeit das Potenzial von
elektrisch kontaktierten nano-optischen Systemen und wird - in Kombination
mit Dielektrophorese und selektiver Funktionalisierung - weitere Forschungen
auf dem Gebiet der Nano-Optoelektronik anregen. In diesem Zusammenhang
werden verschiedene zukünftige Experimente, von der Steuerung molekularer
Maschinen bis zur optischen Antennenkommunikation, diskutiert.
KW  - Nanooptik
KW  - Antenne
KW  - Nanometerbereich
KW  - Wellenleiter
KW  - Optischer Richtfunk
KW  - Nanoantenne
KW  - Nanoantenna
KW  - Self-assembled Monolayer
KW  - Nanoscale
KW  - Optical Antenna
KW  - Plasmonic Waveguide
KW  - Optische Antenne
KW  - Plasmonischer Wellenleiter
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-291140
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TY  - THES
A1  - Weber, Christian
T1  - Electrochemical Energy Storage: Carbon Xerogel-Manganese Oxide Composites as Supercapacitor Electrode Materials
T1  - Elektrochemische Energiespeicher: Kohlenstoff Xerogel-Manganoxid Komposite als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren
N2  - Electrochemical double layer capacitors (EDLC), most commonly referred to as “supercapacitors”,
have gained increasing scientific and commercial interest in recent years. Purely electrostatic charge storage processes allow charge- and discharge cycles in the second-time scale, exhibiting a theoretical capacitance in the order of 100 F per gram of electrode material, thereby providing efficient recuperation devices for electromechanical processes, for example. Introducing electrochemically active materials such as manganese oxides into the supercapacitor electrode, allows to combine the double-layer storage with a battery-like storage process, leading to capacitance that can be up to two orders of magnitude larger than those in EDLC.
In the present work, an electroless deposition approach of manganese oxide on a carbon scaffold
is adapted and further investigated. The carbon material is derived from an organic xerogel, which in turn is prepared via a sol-gel process, allowing tailoring of the structural properties of the carbon, making it an ideal model system to study the relation between morphology and electrochemical performance in the carbon-manganese oxide hybrid electrode.
In the first part of this thesis, a variation of manganese oxide deposition time at a low concentration of precursor solution is analyzed. Mass uptakes reach up to 58 wt.%, leading to an increase of volumetric capacitance by a factor 5, however reducing the dynamic performance of the electrode.
The structural characterization gives hints on the deposition location of the active material either in the intra-particular pores of the carbon backbone or on the enveloping surface area of the particles forming the backbone.
In order to comprehensively answer the question of the location of the active material within
the hybrid electrode, the particle size of the carbon backbone and therefore the enveloping surface area of the carbon particles was varied. For samples with high mass uptakes, scanning electron microscopy (SEM) images show a layer thickness of 27 nm of active material around the carbon particles. In order to quantitatively investigate this layer morphology, even for low mass uptakes where no layer is visible in SEM images, a model interpreting data from anomalous small angle X-ray scattering (ASAXS) measurements was developed. The results confirm the presence of a layer around the carbon particles, exhibiting a layer thickness ranging from 3 to 26 nm.
From an electrochemical point of view, carbon backbones with a large enveloping surface area
will lead to high mass uptakes in the electroless deposition process and therefore lead to high
capacitance of the electrode. However, for future application, electrodeposition approaches should be investigated in detail, since no deposits will form on the interface between carbon backbone and current collector, leading to a better dynamic performance of the hybrid electrode. Furthermore, the ASAXS-method should be promoted and applied on other material systems, since this technique allows to draw important conclusions and allows to deduce integral and quantitative information towards a rational design of high performance electrodes.
N2  - In den letzten Jahren haben elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, meist als “Supercaps”
bezeichnet, wachsendes wissenschaftliches und kommerzielles Interesse erfahren. Rein
elektrostatische Ladungsspeicherungsprozesse erlauben Lade- und Entladezyklen im Sekundenregime,
bei einer theoretischen Kapazität in der Größenordnung von 100 Farad pro Gramm
Elektrodenmaterial. Damit steht beispielsweise ein ideales Bauteil zur Energierekuperation in
elektromechanischen Prozessen zur Verfügung.
Die Verbindung der Doppelschichtelektrode mit elektrochemisch aktiven Materialien, wie zum
Beispiel Manganoxiden, erlaubt eine Kombination der elektrostatischen Ladungsspeicherung mit
batterieähnlichen Ladungsspeicherungsprozessen. Dies führt zu Kapazitätswerten, die bis zu zwei
Größenordnungen über den Kapazitätswerten im Doppelschichtkondensator liegen können.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein nasschemischer Abscheidungsprozess für die Deposition
von Manganoxid auf einem Kohlenstoffgerüst angewendet und weitergehend untersucht. Das
Kohlenstoffmaterial wurde aus einem organischem Xerogel hergestellt, welches wiederum durch
einen Sol-Gel Prozess dargestellt wurde. Diese Vorgehensweise erlaubt eine gezielte Beeinflussung
der strukturellen Eigenschaften des Kohlenstoffes. Dadurch wird das Material zum idealen
Modellsystem, um den Einfluss der Morphologie auf die elektrochemischen Eigenschaften der
Kohlenstoff-Manganoxid Hybridelektrode zu untersuchen.
Im ersten Teil der Arbeit wurde die Abscheidungsdauer des Manganoxids bei einer niedrigen
Ausgangskonzentration in der Vorstufe systematisch variiert und die resultierenden Elektroden
analysiert. Die MnO2 Massenaufnahme erreichte bis zu 58 wt.%, was zu einer Steigerung der
volumetrischen Kapazität um einen Faktor 5 führte. Der Preis für diese Steigerung liegt jedoch
in einer Reduktion der Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit. Die strukturelle Charakterisierung
der Hybridelektroden deutet auf eine Abscheidung des MnO2 in den intrapartikulären Poren der
Kohlenstoffpartikel oder auf deren einhüllenden Oberfläche hin.
Um den Abscheidungsort des aktiven Materials innerhalb der Hybridelektrode eindeutig zu
bestimmen, wurde die Größe der Kohlenstoffpartikel und damit die externe Oberfläche des Kohlenstoffgerüstes
systematisch variiert. Aufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigen
eine Schicht von MnO2 um die Kohlenstoffpartikel mit einer Dicke von bis zu 27 nm für Proben
mit Massenzuwächsen von bis zu 130 %.
Um die Schichtdicke auch für geringe Massenaufnahmen, bei denen im REM keine Schicht
erkennbar ist, quantitativ untersuchen zu können, wurde ein Modell zur Analyse von anomaler
Röntgenkleinwinkelstreuung (ASAXS) entwickelt. Die Ergebnisse bestätigen die Existenz einer
Schicht um die Kohlenstoffpartikel, deren Dicke zwischen 3 und 26 nm liegt.
Aus elektrochemischer Sicht wird ein Kohlenstoffgerüst mit großer einhüllender Oberfläche
zu einer großen Massenaufnahme im nasschemischen Abscheidungsprozess und damit zu hohen
Kapazitätswerten führen. Für eine zukünftige Anwendung sollten jedoch auch elektrochemische
Abscheidungsprozesse genau untersucht werden, da bei dieser Methode kein Material auf der
Kontaktfläche zwischen Stromabnehmer und Elektrode abgeschieden wird. Dadurch ist eine
Verbesserung der elektrochemischen Performance der Hybridelektrode zu erwarten. Weiterhin
sollte die ASAXS-Methode weiterentwickelt und auf andere Materialsysteme angewendet werden,
da diese Technik wichtige Schlüsse erlaubt, sowie die Bestimmung integraler und quantitativer
Information, die zu gezieltem Design von hocheffizienten Elektroden führen wird.
KW  - Superkondensator
KW  - Electrochemical energy storage
KW  - ASAXS
KW  - Supercapacitor
KW  - Energiespeicher
KW  - Experimental physics
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-130748
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TY  - THES
A1  - Hüwe, Florian
T1  - Electrothermal Investigation on Charge and Heat Transport in the Low-Dimensional Organic Conductor (DCNQI)\(_2\)Cu
T1  - Elektrothermische Untersuchung des Ladungs- und Wärmetransports an dem niederdimensionalen organischen Leiter (DCNQI)\(_2\)Cu
N2  - This thesis aimed at the coherent investigation of the electrical and thermal transport properties of the low-dimensional organic conductor (DCNQI)2M (DCNQI: dicyanoquinonediimine; M: metallic counterion). These radical anion salts present a promising, new material class for thermoelectric applications and hence, a consistent characterization of the key parameters is required to evaluate and to optimize their performance. For this purpose, a novel experimental measurement setup enabling the determination of the electrical conductivity, the Seebeck coefficient and the thermal conductivity on a single crystalline specimen has been designed and implemented in this work. The novel measurement setup brought to operation within this thesis enabled a thorough investigation of the thermal transport properties in the (DCNQI)2M system. The thermal conductivity of (DCNQI-h8)2Cu at RT was determined to κ=1.73 W m^(-1)  K^(-1). By reducing of the copper content in isostructural, crystalline (DMe-DCNQI)2CuxLi1-x alloys, the electrical conductivity has been lowered by one order of magnitude and the correlated changes in the thermal conductivity allowed for a verification of the Wiedemann-Franz (WF) law at RT. A room temperature Lorenz number of L=(2.48±0.45)⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) was obtained in agreement with the standard Lorenz number L_0=2,44⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) for 3D bulk metals. This value appears to be significantly reduced upon cooling below RT, even far above the Debye temperature of θ_D≈82 K, below which a breakdown of the WF law is caused by different relaxation times in response to thermal and to electric field perturbations. The experimental data enabled the first consistent evaluation of the thermoelectric performance of (DCNQI)$_2$Cu. The RT power factor of 110 μWm^(-1) K^(-2) is comparable to values obtained on PEDOT-based thermoelectric polymers. The RT figure of merit amounts to zT=0.02 which falls short by a factor of ten compared to the best values of zT=0.42 claimed for conducting polymers. It originates from the larger thermal conductivity in the organic crystals of about 1.73 W m^(-1) K^(-1) in (DCNQI)2Cu. Yet, more elaborate studies on the anisotropy of the thermal conductivity in PEDOT polymers assume their figure of merit to be zT=0.15 at most, recently. Therefore, (DCNQI)2Cu can be regarded as thermoelectric material of similar performance to polymer-based ones. Moreover, it represents one of the best organic n-type thermoelectric materials to date and as such, may also become important in hybrid thermoelectrics in combination with conducting polymers. Upon cooling below room temperature, (DCNQI)2Cu reveals its full potential attaining power factors of 50 mW K^(-2) m^(-1) and exceeding values of zT>0.15 below 40 K. These values represent the best thermoelectric performance in this low-temperature regime for organic as well as inorganic compounds and thus, low-dimensional organic conductors might pave the way toward new applications in cryogenic thermoelectrics. Further improvements may be expected from optimizing the charge carrier concentration by taking control over the CT process via the counterion stack of the crystal lattice. The concept has also been demonstrated in this work. Moreover, the thermoelectric performance in the vicinity of the CDW transition in (MeBr-DCNQI)2Cu was found to be increased by a factor of 5. Accordingly, the diversity of electronic ground states accessible in organic conductors provides scope for further improvements. Finally, the prototype of an all-organic thermoelectric generator has been built in combination with the p-type organic metal TTT2I3. While it only converts about 0.02% of the provided heat into electrical energy, the specific power output per active area attains values of up to 5 mW cm^(-2). This power output, defining the cost-limiting factor in the recovery of waste heat, is three orders of magnitude larger than in conducting polymer devices and as such, unrivaled in organic thermoelectrics. While the thermoelectric key parameters of (DCNQI)2Cu still lack behind conventional thermoelectrics made of e.g. Bi2Te3, the promising performance together with its potential for improvements make this novel material class an interesting candidate for further exploration. Particularly, the low-cost and energy-efficient synthesis routes of organic materials highlight their relevance for technological applications.
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit war die umfassende Untersuchung der elektrischen und thermischen Transportgrößen von quasi-eindimensionalen, leitfähigen Radikalanionensalzen basierend auf dem Dicyanochinondiimin-Molekül (DCNQI). Diese kristallinen (DCNQI)2M (M: Metallion) Verbindungen stellen eine vielversprechende, neuartige Materialklasse für thermoelektrische Anwendungen dar, weshalb eine konsistente Charakterisierung der thermoelektrischen Kenngrößen von großem wissenschaftlichen Interesse ist. Dafür wurde in dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau entwickelt und in Betrieb genommen, der die Messung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie des Seebeck-Koeffizienten an einer einzigen Kristallprobe ermöglicht. Der neu etablierte Messaufbau ermöglichte eine grundlegende Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit in der (DCNQI)2M Materialklasse, wobei für (DCNQI-h8)2Cu Cu ein Raumtemperaturwert von to κ=1.73 W m^(-1)  K^(-1) ermittelt werden konnte. Durch eine Variation des Kupferanteils in (DMe-DCNQI)2CuxLi1-x Mischkristallen konnte die elektrische Leitfähigkeit über eine Größenordnung variiert und die korrelierten Änderungen der Wärmeleitfähigkeit studiert werden. Dies erlaubte eine Bestätigung des Wiedemann-Franz (WF) Gesetzes bei RT mit einer Lorenzzahl von of L=(2.48±0.45)⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2), welche im Rahmen des Fehlers der nach dem Sommerfeld-Modell erwarteten Lorenzzahl von  L_0=2,44⋅〖10〗^(-8)  WΩK^(-2) für dreidimensionale Metalle entspricht. Unterhalb von RT ist das Wiedemann-Franz Gesetz in seiner etablierten Form jedoch nicht mehr erfüllt und unterschiedliche Relaxationszeiten für thermische und elektrische Störungen der elektronischen Fermi-Verteilung treten bereits weit oberhalb der Debye Temperatur von θ_D≈82 K auf. Die in dieser Arbeit gewonnenen, experimentellen Daten erlauben zum ersten Mal eine konsistente Evaluierung der thermoelektrischen Kenngrößen von (DCNQI)2Cu Radikalanionensalzen. Ein thermoelektrischer Leistungsfaktor von 110 μWm^(-1) K^(-2) konnte bei RT nachgewiesen werden, welcher vergleichbar mit den zur Zeit besten organischen Thermoelektrika basierend auf dem lochleitenden Polymer PEDOT ist. Die thermoelektrische Gütezahl erreicht bei RT einen Wert von zT=0.02, welcher aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit von 1.73 W m^(-1) K^(-1) in (DCNQI)2Cu etwa eine Größenordnung schlechter ist als die höchste, publizierte Gütezahl für PEDOT:PSS. Literaturwerte für leitfähige Polymere sind jedoch häufig aufgrund der Anisotropie der Transportgrößen überschätzt, wenn die thermoelektrischen Kenngrößen nicht in einer einheitlichen Probenrichtung gemessen werden. Daher kann die thermoelektrische Leistungsfähigkeit von (DCNQI)2Cu zumindest als vergleichbar betrachtet werden. Hinzu kommt, dass (DCNQI)2Cu eines der besten organischen Thermoelektrika mit negativen Majoritätsladungsträgern ist und deshalb für thermoelektrische Hybridgeneratoren in Kombination mit lochleitenden Polymeren Bedeutung besitzt. Unterhalb von Raumtemperatur zeigen (DCNQI)2Cu Kristalle ihr großes thermoelektrisches Anwendungspotential mit Leistungsfaktoren von bis zu 50 mW K^(-2) m^(-1) und Gütezahlen größer als zT>0.15 unterhalb von 40 K. Nach aktuellem Kenntnisstand stellen diese Werte einen Rekord im Niedrigtemperaturbereich dar, sodass niederdimensionale organische Metalle hier neue thermoelektrische Anwendungsfelder bei kryogenen Temperaturen erschließen könnten. Eine weitere Optimierung der thermoelektrischen Kenngrößen sollte durch gezielte Einstellung der Ladungsträgerdichte erreicht werden können, beispielsweise durch die Kontrolle des Ladungstransfers von den Gegenionen auf das organische Molekül. Die Gültigkeit dieses Konzepts wurde in der vorliegenden Arbeit ebenfalls demonstriert. Zusätzlich konnte eine Verfünffachung der thermoelektrischen Gütezahl in der Nähe des Peierls-Phasenübergangs von (MeBr-DCNQI)2Cu gezeigt werden. Die diversen elektronischen Grundzustände in organischen Metallen stellen daher einen weiteren Ansatz zur Verbesserung der thermoelektrischen Leistungsfähigkeit dieser Materialklasse dar. Abschließend wurde ein Prototyp eines organischen, thermoelektrischen Generators aus einer Kombination von elektronenleitendem, einkristallinen (DCNQI)2Cu und dem niederdimensionalen, lochleitenden, organischen Metall TTT2I3 hergestellt. Obwohl der aktuelle, nicht-optimierte Generator nur 0.02% der eingespeisten Wärme in elektrische Energie umwandeln konnte, erreichte seine auf die aktive Fläche normierte Leistung bereits Werte von 5 mW cm^(-2). Diese übertreffen die Kenndaten vergleichbarer thermoelektrischer Generatoren basierend auf leitfähigen Polymeren um drei Größenordnungen, wobei zu beachten ist, dass dieser Parameter einen großen Teil der Kosten in der thermoelektrischen Abwärmenutzung bestimmt. Trotz der noch nicht erreichten Leistungsmerkmale von konventionellen thermoelektrischen Generatoren basierend auf Bi2Te3 verdeutlichen die Ergebnisse für (DCNQI)2Cu dennoch das hohe Potential organischer Metalle für die thermoelektrische Materialforschung, besonders unter Berücksichtigung der kostengünstigen und weniger energieintensiven Herstellung dieser Materialien in Hinblick auf technologische Anwendungen.
KW  - Radikalanionensalz
KW  - Thermoelektrischer Effekt
KW  - Niederdimensionales System
KW  - Low-dimensional molecular metals
KW  - quasi-one-dimensional organic metals
KW  - Wiedemann Franz law
KW  - thermoelectric generator
KW  - Waste Heat Recovery
KW  - Quasi-eindimensionale Organische Metalle
KW  - Wiedemann-Franz-Gesetz
KW  - Niederdimensionale Molekulare Metalle
KW  - Thermoelektrischer Generator
KW  - Abwärmenutzung
KW  - Wärmeleitung
KW  - Organik
KW  - Festkörperphysik
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-153492
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