TY  - THES
A1  - Klauer, Peter
T1  - Vollständig integrierter Traveling-Wave-MPI-MRI-Hybridscanner
T1  - Fully Integrated Traveling-Wave-MPI-MRI-Hybrid Scanner
N2  - Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neuartiges tomographisches Bildgebungsverfahren,
welches in der Lage ist, dreidimensional die Verteilung von superparamagnetischen
Nanopartikeln zu detektieren. Aufgrund des direkten Nachweises
des Tracers ist MPI ein sehr schnelles und sensitives Verfahren [12] und benötigt für
eine Einordnung des Tracers (z.B. im Gewebe) eine weitere bildgebende Modalität
wie die Magnetresonanztomographie (MRI) oder die Computertomographie. Die
strukturelle Einordnung wird häufig mit dem Fusion-Imaging-Verfahren durchgeführt,
bei dem die Proben separat in den Geräten vermessen und die Datensätze
retrospektiv korreliert werden [75][76]. In einem ersten Experiment wurde bereits
ein Traveling-Wave-MPI-Scanner (TWMPI) [17] mit einem Niederfeld-MRI-Scanner
kombiniert und die ersten Hybridmessung durchgeführt [15]. Der technische Aufwand,
zwei separate Geräte aufzubauen sowie die Tatsache, dass ein MRI-Gerät
bei 30mT sehr lange benötigt, diente als Motivation für ein integriertes TWMPIMRI-
Hybridsystem, bei dem das dynamische lineare Gradientenarray (dLGA) eines
TWMPI-Scanners intrinsisch das B0-Feld für ein MRI-Gerät erzeugen sollte.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die Grundlagen für einen integrierten TWMPI-MRIHybridscanner
zu schaffen. Die Geometrie des dLGAs sollte dabei nicht verändert
werden, damit TWMPI-Messungen weiterhin ohne Einschränkungen möglich sind.
Zusammenfassend werden hier noch mal die wichtigsten Schritte und Ergebnisse
dieser Arbeit aufgezeigt.
Zu Beginn dieser Arbeit wurde mittels Magnetfeldsimulationen nach einer geeigneten
Stromverteilung gesucht, um allein mit dem dLGA ein ausreichend homogenes
Magnetfeld erzeugen zu können. Die Ergebnisse der Simulationen zeigten,
dass bereits zwei unterschiedliche Ströme in 14 der 20 Einzelspulen des dLGAs
genügten, um ein Field of View (FOV) mit der Größe 36mm x 12mm mit ausreichender
Homogenität zu erreichen. Die Homogenität innerhalb des FOVs betrug
dabei 3000 ppm. Für die angestrebte Feldstärke von 235mT waren Stromstärken
von 129A und 124A nötig.
Die hohen Ströme des dLGAs erforderten die Entwicklung eines dafür angepassten
Verstärkers. Das ursprüngliche Konzept, welches auf einem linear angesteuerten
Leistungstransistors aufbaute, wurde in zahlreichen Schritten so weit verbessert,
dass die nötigen Stromstärken stabil an- und ausgeschaltet werden konnten.
Mithilfe eines Ganzkörper-MRIs konnte erstmals das B0-Feld des dLGAs, welches
durch den selbstgebauten Verstärker erzeugt wurde, gemessen und mit der Simulation
verglichen werden. Zwischen den beiden Verläufen zeigte sich eine qualitativ
gute Übereinstimmung.
Das Finden des NMR-Signals stellte wegen des selbstgebauten Verstärkers eine
Herausforderung dar, da zu diesem Zeitpunkt die nötige Präzision noch nicht erreicht
wurde und der wichtigste Parameter, die Magnetfeldstärke im dLGA, nicht
gemessen werden konnte. Dagegen konnte die Länge der Pulse für die Spin-Echo-
Sequenz sehr gut gemessen werden, jedoch war der optimale Wert noch nicht bekannt.
Durch iterative Messungen wurden die richtigen Einstellungen gefunden,
die nach Änderungen an der Hardware jeweils angepasst wurden.
Die Performanz des Verstärkers konnte anhand wiederholter Messungen des NMRSignals
genauer untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Präzision weiter verbessert
werden musste, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Mithilfe des
NMR-Signals konnten auch das B0-Feld ausgemessen werden. Es zeigte eine gute
Übereinstimmung zur Simulation. Mithilfe von vier Segmentspulen des dLGAs
war es möglich einen linearen Gradienten entlang der z-Achse zu erzeugen. Ein
Gradient wurde zusätzlich zum B0-Feld geschaltet und ebenfalls ausgemessen.
Auch dieser Verlauf zeigte eine gute Übereinstimmung zur Simulation.
Mithilfe des Gradienten wurde erfolgreich die Frequenzkodierung und die Phasenkodierung
implementiert, durch die bei beiden Messungen zwei Proben anhand
des Ortes unterschieden werden konnten. Damit war die Entwicklung des MRIScanners
abgeschlossen.
Der Aufbau des TWMPI-Scanners benötigte neben dem Bau des dLGAs die Anfertigung
von Sattelspulen. Für die MPI-Messungen konnte der fehlende Teil der
Sendekette sowie die gesamte Empfangskette von einer früheren Version benutzt
werden. Auch für das MPI wurde die Funktionalität mithilfe einer Punktprobe und
eines Phantoms überprüft, allerdings hier in zwei Dimensionen.
Die Erweiterung zu einem Hybridscanner erforderte weitere Modifikationen gegenüber
einem reinen TWMPI- bzw. MRI-Scanner. Es musste ein Weg gefunden
werden, die Beschaltung des dLGAs für die jeweilige Modalität zügig anzupassen.
Dafür wurde ein Steckbrett gebaut, das es erlaubt, die Verkabelung des dLGAs in
kurzer Zeit zu ändern. Außerdem mussten innerhalb des dLGAs die Sattelspulen
und die Empfangsspule des TWMPIs sowie die Empfangsspule des MRIs untergebracht
werden. Ein modulares System erlaubte die gleichzeitige Anordnung aller
Komponenten innerhalb des dLGAs. Das messbare FOV des MRIs ist der Homogenität
des B0-Feldes angepasst, das FOV des TWMPI ist ausgedehnter.
Zum Ende dieser Arbeit wurde erfolgreich eine Hybridmessung durchgeführt. Das
Phantom bestand aus je zwei Kugeln gefüllt mit Öl und mit einem MPI-Tracer
(Resovist). Mit TWMPI war die räumliche Abbildung der Resovistkugeln möglich,
während mit MRI die der Ölkugeln möglich war. Diese in situ Messung zeigte die
erfolgreiche Umsetzung des Konzeptes für den TWMPI-MRI-Hybridscanner.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit die Grundlagen für einen TWMPIMRI-
Hybridscanner gelegt. Die größte Schwierigkeit bestand darin, ein ausreichend
homogenes B0-Feld für das MRI zu erzeugen, mit dem man ein gutes NMRSignal
aufnehmen konnte. Mit einer einfachen Stromverteilung, bestehend aus zwei
unterschiedlichen Strömen, konnte ein ausreichend homogenes B0-Feld erzeugt
werden. Durch komplexere Stromverteilungen lässt sich die Homogenität noch verbessern
und somit das FOV vergrößern.
Die MRI-Bildgebung wurde in dieser Arbeit für eine Dimension implementiert und
soll in fortführenden Arbeiten auf 2D und 3D ausgedehnt werden. Letztendlich
soll anhand eines MRI-Bildes die Partikelverteilung des MPI-Tracers in Lebewesen
deren Anatomie zugeordnet werden. In [76][77][78] sind die ersten präklinischen
Anwendungen mit dem TWMPI-Scanner durchgeführt worden. Diese Anwendungen
erlangen eine höhere Aussagekraft durch die zusätzlichen Informationen eines
TWMPI-MRI-Hybridscanners.
In weiteren Arbeiten sollte zusätzlich die Größe des FOVs für das MRI erweitert
werden. Außerdem macht es Sinn, einen elektronischen Schalter zum Umschalten
des dLGAs zwischen MRI und MPI zu realisieren.
Die nächste Version des Hybridscanners könnte beispielsweise ein komplett neu
gestaltetes dLGA enthalten, in dem jede Segmentspule in radialer Richtung einmal
geteilt wird und dadurch in eine innere und eine äußere Spule zerlegt wird. Für
das MRI werden die beiden Spulenteile gegen geschaltet, um ein homogenes Feld
in radialer Richtung zu erhalten. Für das TWMPI werden die Spulenteile gleichgeschaltet,
um einen möglichst starken Feldgradienten zu erreichen.
In dieser Arbeit wurde für die nächste Version eines TWMPI-MRI-Hybridscanners
viel Wissen generiert, das äußerst hilfreich für das neue Design sein wird. Anhand
der Vermessung des B0-Feldes hat sich gezeigt, dass die simulierten Magnetfelder
gut mit den gemessenen Magnetfeldern übereinstimmen. Außerdem wurde viel
gelernt über die Kombination von TWMPI mit MRI.
N2  - Magnetic Particle Imaging (MPI) is a novel tomographic imaging technique, which
can detect the distribution of superparamagnetic iron oxides in three dimensions.
MPI is a fast and sensitive technique due to its immediate tracer detection [12] but
needs another imaging modality like magnetic resonance imaging (MRI) or computed
tomography for tracer classification (e.g. to tissue). The classification is often
done with the fusion imaging technology where the sample is measured in different
systems and the data are correlated afterwards [75][76]. In a first experiment
a traveling-wave-MPI-scanner (TWMPI) [17] was combined with a low-field-MRIscanner
and first hybrid measurements were acquired [15]. The motivation for an
integrated TWMPI-MRI-hybrid system, in which the dynamic linear gradient array
(dLGA) generates the main magnetic field B0 intrinsically, was such that an
MRI-system at 30mT needs a long time for data acquisition as well as the higher
technical effort for assembling two separate systems.
The aim of this work was to establish the basic principles of an integrated TWMPIMRI-
hybrid scanner. The geometry of the dLGA should not be altered in this
process so that TWMPI-measurements are still possible without limitations. All
important steps and measurements of this work are presented here in summary.
At the beginning of this work it was necessary to find a suitable current configuration
by the use of magnetic field simulations. The aim was to generate a magnetic
field that is homogenous enough for NMR measurements only with the dLGA
coils. The results of the simulations showed that only two different currents in 14
of the 20 dLGA coils are necessary to obtain a field of view (FOV) with a sufficiently
homogeneity of 3000ppm and a size of 36mm x 12 mm. For the target field
strength of 235mT currents of 129A and 124A are required.
The high currents in the dLGA made it necessary to develop a custom amplifier.
The original concept, which is based on a linear controlled power transistor, was
improved in numerous steps so that the high currents could be turned on and off
in a stable way.
The magnetic field B0 of the dLGA, which was generated by the custom amplifier,
could firstly be measured with the aid of a full-body MRI. Its comparison to the
simulation showed a qualitative good agreement.
A challenge was to find the NMR-signal because of the custom amplifier which did
not have the necessary precision at this particular time and also the most important
parameter, the magnetic field strength inside the dLGA, could not be measured. In
contrast the length of the pulses for the spin-echo-sequence could be measured
accurately, but the ideal value was not known. Iterative measurements were used
to find the right adjustments, which had to be adapted after each change in the
hardware.
The amplifier performance could be analyzed more in detail by repeated measurements
of the NMR-signal. They indicated that the precision had to be improved
further to achieve reproducible results. The B0-field could be measured by means
of the NMR-signal. It showed good agreement to the simulation. By means of
four segment coils of the dLGA it was possible to create a linear gradient along the
z-axis. as well as the gradient along the z-axis
By means of the gradient frequency encoding and phase encoding were successfully
implemented. Two samples could be differentiated by its location for both
encoding methods. That completes the development of the MRI-scanner.
The design of the TWMPI-scanner required the construction of the saddle coils besides
the production of the dLGA. The missing parts of the transmit chain and the
whole receive chain could be used from an earlier version for MPI-measurements.
The functionality of the MPI was tested with a point sample and a phantom, but
this time in two dimensions.
The extension to a hybrid scanner required additional modifications compared to
a pure TWMPI- or MRI-scanner. An efficient way had to be found to change the
connections of the dLGA for the particular modality. A pinboard was built which
made a rapid change of the connections of the dLGA possible. Furthermore the
saddle coils and the receive coil of the TWMPI-system as well as the receive coil
of the MRI had to be placed inside the dLGA. This problem was solved with a
modular system which made it possible to simultaneously place all components
inside the dLGA. The measurable FOV of the MRI is adapted to the homogeneity
of the B0-field, the FOV of the TWMPI is larger.
At the end of this work a hybrid measurement was successfully performed. The
phantom consisted of two spheres filled with oil and another two spheres filled
with an MPI-tracer (Resovist). With TWMPI the spatial resolution of the Resovist
spheres was possible, while with MRI it was possible for the oil spheres. This
in situ measurement showed the successful implementation of the TWMPI-MRIhybrid
scanner concept.
In summary the basic principles for a TWMPI-MRI-hybrid scanner were established
in this work. The highest obstacle was the generation of a homogenous
magnetic field B0 for MRI, which lead to a good NMR-signal. A simple current configuration,
consisting of two different currents, generated a sufficient homogenous
magnetic field. With more complex current configurations a more homogenous
field and thereby a larger FOV is possible.
MRI-imaging was implemented in this work in one dimension and should be extended
to 2D and 3D in further projects. Eventually an MRI-image should be used
to display a relation between particle distribution of the MPI-tracer in living creatures
and their anatomy. The first preclinical applications were implemented with
the TWMPI-scanner [76][77][78]. These applications would reach a higher information
value with the use of a TWMPI-MRI-hybrid scanner.
The size of the FOV for the MRI should be extended in further projects. Furthermore
it is reasonable to realize an electric switch for changing the connections of
the dLGA between MRI and MPI.
The next version of the hybrid scanner could contain for example a completely
newly designed dLGA in which every segment coil is divided radially. The segment
coils would consist of an inner and an outer part. For MRI-measurements
both magnetic fields work against each other to create a radially homogenous
magnetic field. For TWMPI both magnetic fields work together to create a high
magnetic field gradient.
For the next version of a TWMPI-MRI-hybrid scanner a lot of know-how was created
which will be helpful for the new design. By means of the B0 measurements
it was shown that the simulated magnetic fields fit well to the measured ones.
Furthermore plenty was learned for the combination of TWMPI and MRI.
KW  - Magnetpartikelbildgebung
KW  - Magnetic Particle Imaging
KW  - Hybridscanner
KW  - Magnetic Resonance Imaging
KW  - Traveling Wave
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161314
ER  - 
TY  - THES
A1  - Spitznagel, Niko
T1  - Energy transfer during molten fuel coolant interaction
T1  - Energieübertragung während Schmelze-Wasser-Interaktion
N2  - The contact of hot melt with liquid water - called Molten Fuel Coolant Interaction (MFCI) - can result in vivid explosions. Such explosions can occur in different scenarios: in steel or powerplants but also in volcanoes. Because of the possible dramatic consequences of such explosions an investigation of the explosion process is necessary.
Fundamental basics of this process are already discovered and explained, such as the frame conditions for these explosions. It has been shown that energy transfer during an MFCI-process can be very high because of the transfer of thermal energy caused by positive feedback mechanisms.
Up to now the influence of several varying parameters on the energy transfer and the explosions is not yet investigated sufficiently. An important parameter is the melt temperature, because the amount of possibly transferable energy depends on it. The investigation of this influence is the main aim of this work. Therefor metallic tin melt was used, because of its nearly constant thermal material properties in a wide temperature range. With tin melt research in the temperature range from 400 °C up to 1000 °C are
possible.
One important result is the lower temperature limit for vapor film stability in the experiments. For low melt temperatures up to about 600 °C the vapor film is so unstable that it already can collapse before the mechanical trigger. As expected the transferred thermal energy all in all increases with higher temperatures. Although this effect sometimes is superposed by other influences such as the premix of melt and water, the result is confirmed after a consequent filtering of the remaining influences. This trend is not only recognizable in the amount of transferred energy, but also in the fragmentation of melt or the vaporizing water. But also the other influences on MFCI-explosions showed interesting results in the frame of this work. To perform the experiments the installation and preparation of the experimental Setup in the laboratory were necessary.
In order to compare the results to volcanism and to get a better investigation of the brittle fragmentation
of melt additional runs with magmatic melt were made. In the results the thermal power during energy transfer could be estimated. Furthermore the model of “cooling fragments “ could be usefully applied.
N2  - Das Zusammentreffen von heißer Schmelze mit flüssigem Wasser (Schmelze-Wasser-Interaktion) -
auf Englisch Molten-Fuel-Coolant-Interaction (MFCI) - kann zu heftigen Explosionen führen. Diese Explosionen sind in verschiedenen Szenarien möglich: in Stahl- und Kraftwerken, aber auch bei Vulkanen. Wegen der möglichen dramatischen Folgen solcher Explosionen ist eine Erforschung dieser Explosionsvorgänge notwendig.
Wesentliche Grundlagen, unter welchen Voraussetzungen Schmelze-Wasser-Interaktionen zu Explosionen führen können, und der Ablauf dieser Vorgänge wurden weitgehend erforscht. Wie diese Forschungen gezeigt haben, kann die übertragene Energie bei diesen Vorgängen wegen positiver
Rückkopplungsprozesse sehr hoch sein.
Bislang wurden aber noch nicht in ausreichendem Maß die Einflussparameter auf die Energieübertragung und damit auf die Explosionsheftigkeit geprüft. Ein wichtiger Parameter ist die Schmelzetemperatur, da von ihr abhängt, wie viel thermische Energie freigesetzt werden kann. Die Untersuchung des Einflusses dieses Parameters ist das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurde bei den meisten Versuchen metallische Zinnschmelze verwendet, da die Materialwerte von Zinn über einen weiten Temperaturbereich annähernd konstant sind, von denen die Wärmeübertragung abhängt. Mit dieser Zinnschmelze war die
Untersuchung der Schmelzetemperatur im Bereich von 400 °C bis 1000 °C möglich.
Ein wesentliches Ergebnis zeigt die Abhängigkeit der Dampffilmstabilität von der Schmelzetemepratur.
Bei niedrigen Schmelzetemperaturen bis etwa 600 °C ist der Dampffilm so instabil, dass er in den Experimenten bereits vor einer mechanischen Erschütterung zusammenbrach, die zu seiner Zerstörung eingesetzt wurde. Wie erwartet ist zu erkennen, dass mit höherer Schmelzetemperatur grundsätzlich mehr Energie umgesetzt werden kann. Obwohl dieser Effekt von weiteren Einflüssen auf die Explosionsstärke unter bestimmten Umständen überdeckt werden kann, wird dieses Ergebnis nach einer konsequenten Filterung der übrigen Einflüsse bestätigt. Diese Tendenz ist nicht nur an den berechneten übertragenen Gesamtenergiemengen erkennbar, sondern auch an den einzelnen Effekten wie z. B. der Fragmentation
oder der Wasserverdampfung. Aber auch die weiteren Einflüsse auf die Energieübertragung wie z. B. die
Vorvermischung von Schmelze und Wasser zeigten im Rahmen dieser Arbeit und der durchgeführten Experimente interessante Ergebnisse. Um diese Versuche durchführen zu können, waren die Einrichtung und Vorbereitung einer Versuchsanlage erforderlich.
Zum Vergleich mit dem Vulkanismus und zur besseren Untersuchung der Feinfragmentation während ärmeübertagung wurden Versuche mit magmatischer Schmelze durchgeführt. In den Ergebnissen konnten thermische Leistungen während der Schmelze-Wasser-Interaktion bestimmt werden. Außerdem konnte das aufgestellte Modell der “kühlenden Fragmente “ sinnvoll angewendet werden.
KW  - Vulkanologie
KW  - Geophysik
KW  - Thermodynamik
KW  - Statisktik
KW  - Explosion
KW  - Sprödbruch
KW  - brittle fragmentation
KW  - Temperatureinfluss
KW  - Vorvermischung
KW  - Energieübertragung
KW  - Rückkopplung
KW  - influence of temperature
KW  - premix
KW  - energy transfer
KW  - feedback
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142891
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kiermasch, David
A1  - Rieder, Philipp
A1  - Tvingstedt, Kristofer
A1  - Baumann, Andreas
A1  - Dyakonov, Vladimir
T1  - Improved charge carrier lifetime in planar perovskite solar cells by bromine doping
JF  - Scientific Reports
N2  - The charge carrier lifetime is an important parameter in solar cells as it defines, together with the mobility, the diffusion length of the charge carriers, thus directly determining the optimal active layer thickness of a device. Herein, we report on charge carrier lifetime values in bromine doped planar methylammonium lead iodide (MAPbI\(_3\)) solar cells determined by transient photovoltage. The corresponding charge carrier density has been derived from charge carrier extraction. We found increased lifetime values in solar cells incorporating bromine compared to pure MAPbI\(_3\) by a factor of ~2.75 at an illumination intensity corresponding to 1 sun. In the bromine containing solar cells we additionally observe an anomalously high value of extracted charge, which we deduce to originate from mobile ions.
KW  - devices for energy harvesting
KW  - solar cells
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147976
VL  - 6
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zusan, Andreas
A1  - Gieseking, Björn
A1  - Zerson, Mario
A1  - Dyakonov, Vladimir
A1  - Magerle, Robert
A1  - Deibel, Carsten
T1  - The Effect of Diiodooctane on the Charge Carrier Generation in Organic Solar Cells Based on the Copolymer PBDTTT-C
JF  - Scientific Reports
N2  - Microstructural changes and the understanding of their effect on photocurrent generation are key aspects for improving the efficiency of organic photovoltaic devices. We analyze the impact of a systematically increased amount of the solvent additive diiodooctane (DIO) on the morphology of PBDTTT-C:PC71BM blends and related changes in free carrier formation and recombination by combining surface imaging, photophysical and charge extraction techniques. We identify agglomerates visible in AFM images of the 0% DIO blend as PC71BM domains embedded in an intermixed matrix phase. With the addition of DIO, a decrease in the size of fullerene domains along with a demixing of the matrix phase appears for 0.6% and 1% DIO. Surprisingly, transient absorption spectroscopy reveals an efficient photogeneration already for the smallest amount of DIO, although the largest efficiency is found for 3% DIO. It is ascribed to a fine-tuning of the blend morphology in terms of the formation of interpenetrating donor and acceptor phases minimizing geminate and nongeminate recombination as indicated by charge extraction experiments. An increase in the DIO content to 10% adversely affects the photovoltaic performance, most probably due to an inefficient free carrier formation and trapping in a less interconnected donor-acceptor network.
KW  - electronic properties and materials
KW  - photonic devices
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125022
VL  - 5
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Tvingstedt, Kristofer
A1  - Malinkiewicz, Olga
A1  - Baumann, Andreas
A1  - Deibel, Carsten
A1  - Snaith, Henry J.
A1  - Dyakonov, Vladimir
A1  - Bolink, Henk J.
T1  - Radiative efficiency of lead iodide based perovskite solar cells
JF  - Scientific Reports
N2  - The maximum efficiency of any solar cell can be evaluated in terms of its corresponding ability to emit light. We herein determine the important figure of merit of radiative efficiency for Methylammonium Lead Iodide perovskite solar cells and, to put in context, relate it to an organic photovoltaic (OPV) model device. We evaluate the reciprocity relation between electroluminescence and photovoltaic quantum efficiency and conclude that the emission from the perovskite devices is dominated by a sharp band-to-band transition that has a radiative efficiency much higher than that of an average OPV device. As a consequence, the perovskite have the benefit of retaining an open circuit voltage ~0.14 V closer to its radiative limit than the OPV cell. Additionally, and in contrast to OPVs, we show that the photoluminescence of the perovskite solar cell is substantially quenched under short circuit conditions in accordance with how an ideal photovoltaic cell should operate.
KW  - solar cells
KW  - optical spectroscopy
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119360
VL  - 4
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Baumann, A.
A1  - Tvingstedt, K.
A1  - Heiber, M. C.
A1  - Väth, S.
A1  - Momblona, C.
A1  - Bolink, H. J.
A1  - Dyakonov, V.
T1  - Persistent photovoltage in methylammonium lead iodide perovskite solar cells
JF  - APL Materials
N2  - We herein perform open circuit voltage decay (OCVD) measurements on methylammonium lead iodide (CH3NH3PbI3) perovskite solar cells to increase the understanding of the charge carrier recombination dynamics in this emerging technology. Optically pulsed OCVD measurements are conducted on CH3NH3PbI3 solar cells and compared to results from another type of thin-film photovoltaics, namely, the two reference polymer–fullerene bulk heterojunction solar cell devices based on P3HT:PC60BM and PTB7:PC70BM blends. We observe two very different time domains of the voltage transient in the perovskite solar cell with a first drop on a short time scale that is similar to the decay in the studied organic solar cells. However, 65%–70% of the maximum photovoltage persists on much longer timescales in the perovskite solar cell than in the organic devices. In addition, we find that the recombination dynamics in all time regimes are dependent on the starting illumination intensity, which is also not observed in the organic devices. We then discuss the potential origins of these unique behaviors.
KW  - solar cells
KW  - illumination
KW  - dielectric oxides
KW  - carrier density
KW  - bioelectrochemistry
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119397
VL  - 2
IS  - 8
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Motyka, Marcin
A1  - Sęk, Grzegorz
A1  - Ryczko, Krzysztof
A1  - Dyksik, Mateusz
A1  - Weih, Robert
A1  - Patriarche, Gilles
A1  - Misiewicz, Jan
A1  - Kamp, Martin
A1  - Höfling, Sven
T1  - Interface Intermixing in Type II InAs/GaInAsSb Quantum Wells Designed for Active Regions of Mid-Infrared-Emitting Interband Cascade Lasers
JF  - Nanoscale Research Letters
N2  - The effect of interface intermixing in W-design GaSb/AlSb/InAs/Ga\(_{0.665}\)In\(_{0.335}\)As\(_x\)Sb\(_{1-x}\)/InAs/AlSb/GaSb quantum wells (QWs) has been investigated by means of optical spectroscopy supported by structural data and by band structure calculations. The fundamental optical transition has been detected at room temperature through photoluminescence and photoreflectance measurements and appeared to be blueshifted with increasing As content of the GaInAsSb layer, in contrast to the energy-gap-driven shifts calculated for an ideally rectangular QW profile. The arsenic incorporation into the hole-confining layer affects the material and optical structure also altering the InAs/GaInAsSb interfaces and their degree of intermixing. Based on the analysis of cross-sectional transmission electron microscopy images and energy-dispersive X-ray spectroscopy, we could deduce the composition distribution across the QW layers and hence simulate more realistic confinement potential profiles. For such smoothed interfaces that indicate As-enhanced intermixing, the energy level calculations have been able to reproduce the experimentally obtained trend.
KW  - FTIR spectroscopy
KW  - type II GaIn(As)Sb/GaSb
KW  - QW interface profile
KW  - intermixing
KW  - interband cascade lasers
KW  - EDX spectra
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-136386
VL  - 10
IS  - 471
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stichel, Thomas Günther
T1  - Die Herstellung von Scaffolds aus funktionellen Hybridpolymeren für die regenerative Medizin mittels Zwei-Photonen-Polymerisation
T1  - Fabrication of scaffolds of hybrid polymers for regenerative medicine using two photon polymerization
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurde das Verfahren der Zwei-Photonen-Polymerisation von anorganisch-organischen Hybridpolymeren (ORMOCER®e) untersucht. Untersuchungsschwerpunkte bildeten dabei die theoretischen Betrachtungen der Wechselwirkung zwischen Laser und Hybridpolymer, die experimentelle Charakterisierung unterschiedlicher ORMOCER®e sowie die Aufskalierung der Technologie im Hinblick auf die Herstellung von Scaffold-Strukturen für die regenerative Medizin. Hierbei wurde u. a. ein innovativer Belichtungsaufbau entworfen und aufgebaut, der es erlaubt makroskopische, poröse Scaffold-Strukturen mit minimalen Strukturgrößen im Bereich von wenigen Mikrometern herzustellen.
ORMOCER®e sind typischerweise für optische Anwendungen konzipiert, weisen allerdings z. T. biokompatible Eigenschaften auf. Das Material ORMOCER® MB-47 wurde von M. Beyer eigens für biologische Anwendungen synthetisiert. Es zeichnet sich durch Biokompatibilität, teilweiser Biodegradierbarkeit und hervorragende Strukturierbarkeit durch die Zwei-Photonen-Polymerisation aus.
Das in dieser Arbeit verwendete Mikrostrukturierungssystem beinhaltet im Wesentlichen einen Ultrakurzpulslaser, der 325 fs Pulse bei 1030 nm emittiert (verwendet wird die zweite Harmonische bei 515 nm), ein hochpräzises Positionierungssystem, bestehend aus drei luftgelagerten Lineartischen mit einer Reichweite von 10 cm (y-, z-Richtung) bzw. 15 cm (x-Richtung) sowie diversen Objektiven zur Fokussierung. Mit diesen Komponenten lassen sich komplexe dreidimensionale Strukturen mit minimalen Strukturgrößen von bis unter 100 nm erzeugen.
In Kapitel 5.1 wurden theoretische Untersuchungen im Hinblick auf das Wechselwirkungsverhalten zwischen der fokalen Intensitätsverteilung und dem Materialsystem zur Bildung eines Voxels durchgeführt, wobei das technische Wechselwirkungsvolumen und das chemische Wechselwirkungsvolumen samt den reaktionskinetischen Abläufen separat betrachtet wurde.
Das technische Wechselwirkungsvolumen beschreibt die Wechselwirkung zwischen der fokalen Intensitätsverteilung und dem Materialsystem im Rahmen eines Schwellwertprozesses, der es erlaubt Strukturdimensionen unterhalb des Beugungslimits zu realisieren. Die theoretischen Untersuchungen diesbezüglich ergaben, dass sphärische Aberrationen die fokale Intensitätsverteilung (Intensity-Point Spread Function (IPSF)) in Abhängigkeit der Belichtungskonfiguration z. T. sehr stark beeinflussen. Darüber hinaus wurde durch Betrachtung des Schwellwertverhaltens ein mathematischer Zusammenhang zwischen der IPSF und der Leistungsabhängigkeit der Charakteristik des technischen Wechselwirkungsvolumens geschaffen.
Das chemische Wechselwirkungsvolumen beschreibt das tatsächliche Volumen der stattfindenden Polymerisationsreaktion. Dieses geht über das des technischen hinaus, was eine Folge von raumeinnehmendem Kettenwachstum im Rahmen von reaktionskinetischen Teilprozessen ist. Durch die Simulationen dieser reaktionskinetischen Abläufe wurde das leistungsabhängige, zeitliche Verhalten der Reaktionsteilnehmer (Radikale, Monomer, Photoinitiator) und des Vernetzungsgrades ermittelt. Die Simulation wurden für sehr kurze Belichtungszeiten (< 10 ms) auf der Basis von gekoppelten Differentialgleichungen nach Uppal & Shiakolas durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss der Teilchendiffusion sowie der Temperaturentwicklung als gering erachtet und in den Berechnungen vernachlässigt.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass eine geringe Belichtungszeit nicht unbedingt durch größere Laserleistungen ausgeglichen werden kann, um einen bestimmten Vernetzungsgrad zu erzielen. Vielmehr führt eine höhere Leistung zu einem raschen Verbrauch des Photoinitiators im Reaktionsvolumen und damit einem schnelleren Erliegen der Polymerisationsreaktion. Um dennoch hohe Vernetzungsgrade erzielen zu können, sind die Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten der Propagation und der Terminierung k_P und k_T sowie eine ausreichende Photoinitiatorkonzentration von entscheidender Bedeutung. Je größer das Verhältnis k_P/k_T, desto höhere Vernetzungsgrade können auch bei kurzen Belichtungszeiten realisiert werden, wobei ein wesentlicher Teil der Polymerisation als Dunkelreaktion stattfindet. Diese Erkenntnis ist für die Aufskalierung der Technologie der Zwei-Photonen-Polymerisation von großer Bedeutung, welche mit einer Verkürzung der Belichtungszeiten einhergehen muss.
Des Weiteren zeigen die Simulationen, dass das spatiale Konversionsprofil eines Voxels ein lokales Minimum im Zentrum aufweisen kann. Dieses Phänomen tritt dann auf, wenn aufgrund der applizierten Leistung, welche gemäß des Profils der IPSF im Zentrum am höchsten ist, der Photoinitiator im Zentrum rasch verbraucht wird.
In Kapitel 5.2 wurde die Voxelbildung, das Vernetzungsverhalten sowie die mechanischen Eigenschaften belichteter ORMOCER®e bei unterschiedlichen Parametern und Materialsystemen experimentell untersucht.
An Hand von Voxelfeldern wurden die Voxelgröße, das Aspektverhältnis und das Voxelvolumen bei unterschiedlichen Laserleistungen ermittelt. Die Ergebnisse wurden mit den berechneten technischen Wechselwirkungsvolumina verglichen, wobei die Differenz von tatsächlicher Voxelgröße und technischem Wechselwirkungsvolumen als eine weitere charakteristische Größe eingeführt wurde. Dabei zeigte sich, dass besonders die Voxellänge von der Länge des technischen Wechselwirkungsvolumens derart abweicht, dass dies nicht durch raumeinnehmendes Kettenwachstum im Rahmen der Reaktionskinetik erklärt werden kann. Mögliche Erklärungsansätze basieren hierbei auf Wechselwirkungseffekte zwischen Lichtfeld und Material. Beispielsweise könnten durch den nichtlinearen optischen Kerr-Effekt oder die Polymerisation selbst Brechzahlinhomogenitäten induziert werden, welche die Voxelbildung durch Selbstfokussierung beeinflussen. Der Unterschied der Voxelbreite, also das laterale chemische Voxelwachstum, zur Breite des technischen Wechselwirkungsvolumens wurde hingegen mit Hilfe der Reaktionskinetik erklärt. Dabei zeigte sich, dass dieser Unterschied sowohl vom Material selbst als auch von der Fokussieroptik abhängt.
Des Weiteren wurde die Polymerisationsrate der unterschiedlichen Materialien aus der Auftragung des Voxelvolumens gegenüber der Laserleistung durch lineare Approximation bestimmt. Hierbei wurde festgestellt, dass die Materialsysteme z. T. erhebliche Unterschiede aufweisen. Als das Materialsystem mit der höchsten Polymerisationsrate hat sich das auf Acrylaten als vernetzbare Gruppen basierende OC-V in Kombination mit dem Irgacure® Oxe02 Photoinitiator herausgestellt. Aus diesem Grund wurde es für die Herstellung von makroskopischen Strukturen durch die Zwei-Photonen-Polymerisation bevorzugt verwendet.
Die unterschiedlichen Materialien wurden ferner mit Hilfe der µ-Raman-Spektroskopie auf ihr Vernetzungsverhalten untersucht. Konkret wurden hierbei Linienfelder unter Variation der Scan-Geschwindigkeit und der Laserleistung mit Hilfe der 2PP hergestellt und vermessen. Die Vernetzungsgrade wurden semi-quantitativ aus den Spektren ermittelt. Insgesamt wurden Vernetzungsgrade im Bereich zwischen 40 % und 60 % gemessen, wobei mit OC-V und 2 Gew.-% Irgacure® Ox02 die höchsten Vernetzungsgrade erzielt wurden. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Konversionsgrade für die jeweiligen Materialsysteme bei allen Scan-Geschwindigkeiten sich auf einem im Rahmen der Fehlergrenzen gleichem Niveau befinden. Damit kann der durch Simulationen theoretisch prognostizierte Abfall des Sättigungskonversionsgrades mit zunehmender Scan-Geschwindigkeit mit entsprechend variierenden Belichtungszeiten nicht als verifiziert angesehen werden.
Die verschiedenen Materialsysteme wurden außerdem bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Zu diesem Zweck wurden zylindrische Formkörper unter verschiedenen Bedingungen (1PP, 2PP, verschiedene Photoinitiatorkonzentrationen) hergestellt und Druckfestigkeitsmessungen durchgeführt, sowie die Dichten und die Vernetzungsgrade aus den Formkörpern bestimmt.
Insgesamt wurden Elastizitätsmodule im Bereich zwischen 0,40 und 1,37 GPa und Bruchfestigkeitswerte zwischen 117 bis 310 MPa ermittelt. Es konnte festgestellt werden, dass die Konzentration des Photoiniators das Vernetzungsverhalten und damit die mechanischen Eigenschaften der Formkörper stark beeinflusst. Während geringe Konzentrationen zu geringeren Vernetzungsgraden und niedrigen Elastizitätsmodulen führten, zeigten die Formkörper höherer Konzentration ein deutlich spröderes Verhalten mit höheren Vernetzungsgraden und Elastizitätsmodulen. Das höchste Elastizitätsmodul wurde an Hand von Formkörpern vermessen, welche aus OC-V mit 2 Gew.-% Irgacure® Ox02 hergestellt wurden.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sich die mechanischen Eigenschaften von durch 2PP hergestellten Formkörpern durch die applizierte Laserleistung beeinflussen lassen. Die Ursache hierfür ist, dass durch die Laserleistung die Voxelgröße und damit der Überlapp zwischen den Voxeln eingestellt werden kann. Im Bereich des Überlapps findet dann eine Doppelbelichtung des Materials statt, was zu höheren Vernetzungsgraden führen kann. Außerdem wurden durch die 2PP bei hinreichend großen Belichtungsleistungen auch Formkörper realisiert, welche höhere Elastizitätsmodule und Bruchfestigkeitswerte aufwiesen als Körper, welche durch UV-Belichtung hergestellt wurden.
Die Aufskalierung der Zwei-Photonen-Technologie wurde in Kapitel 5.3 behandelt. Neben einer ausführlichen Diskussion zu den Herausforderungen diesbezüglich, wurden zwei Belichtungsstrategien zur Herstellung von makroskopischen Scaffold-Strukturen eingesetzt und optimiert. Hierbei ist insbesondere der Badaufbau hervorzuheben, der es erlaubte Strukturen von prinzipiell unbegrenzter Höhe mit Hilfe der Zwei-Photonen-Polymerisation herzustellen.
Eine wesentliche Herausforderung der Aufskalierung der 2PP ist die Beschleunigung des Prozesses. Aus den Betrachtungen geht hervor, dass für eine gravierende Beschleunigung der 2PP-Strukturierung neben der Scan-Geschwindigkeit auch das Beschleunigungsvermögen des Positionierungssystems entscheidend ist. Des Weiteren sind auch Parallelisierungsmethoden mit z. B. diffraktiven optischen Elementen nötig, um ausreichende Prozessgeschwindigkeiten zu erzielen.
Der Standardaufbau mit Luftobjektiven wurde dazu verwendet millimetergroße Strukturen mit hoher Qualität aus ORMOCER®en herzustellen. Auch wenn die maximale Strukturhöhe durch den Arbeitsabstand des Objektivs beschränkt ist, hat sich gezeigt, dass dieser Aufbau sich für die einfache Herstellung von millimetergroßen Test-Scaffold-Strukturen eignet, welche z. B. für Zellwachstumsversuche oder mechanische Belastungstest eingesetzt werden können. Das biodegradierbare MB-47 wurde hierbei ebenfalls erfolgreich eingesetzt und u. a. für die Herstellung von Drug-Delivery-Strukturen verwendet.
Der Badaufbau, basierend auf einem Materialbad mit durchsichtigem Boden, einem darin befindlichen und in der Vertikalen (z-Richtung) beweglichen Substrathalter sowie einer Belichtung von unten durch eine sich in der Ebene bewegende Fokussieroptik, wurde verwendet um eine Freiheitsstatue mit 2 cm Höhe sowie millimetergroße Scaffold-Strukturen mit Porengrößen im Bereich von 40 bis 500 µm in ORMOCER-V zu realisieren. Weitere Strukturierungsresultate mit z. T. anwendungsbezogenem Hintergrund sind die Gehörknöchelchen des menschlichen Ohrs in Lebensgröße, ein Scaffold in Form eines Steigbügels des menschlichen Ohrs, Test-Scaffold-Strukturen für mechanische oder biologische Untersuchungen sowie Drug-Delivery Strukturen. Es wurden Bauraten von bis zu 10 mm^3/h erzielt.
Bezüglich der Prozessgeschwindigkeit und Strukturhöhe wurde bei Weitem noch nicht das Potential des luftgelagerten Positioniersystems ausgeschöpft. Dafür bedarf es einer Gewichtsoptimierung des bestehenden Belichtungsaufbau, um höhere Beschleunigungswerte und Scan-Geschwindigkeiten realisieren zu können. Unter Annahme einer effektiven Gewichtsoptimierung und der damit verbundenen Erhöhung der Beschleunigung auf 10 m/s^2 könnte eine Baurate bei einer Scan-Geschwindigkeit von 225 mm/s und einem Slice- und Hatch-Abstand  von 15 und 10 µm von etwa 60 mm^3/h erzielt werden.
Im Rahmen der Aufskalierung wurde ebenfalls der experimentelle Einsatz von diffraktiven optischen Elementen zur Fokus-Multiplikation untersucht. Die Experimente wurden mit Hilfe eines Elements durchgeführt, welches eine 2 x 2 Punkte-Matrix  neben der ungebeugten 0. Ordnung bereitstellt und Bestandteil eines experimentellen Setups war, welches aus Linsen, Blenden und einem Objektiv zur Fokussierung bestand. Mit Hilfe der erzeugten Spot-Matrix wurden zum einen simultan vier Drug-Delivery-Strukturen hergestellt und zum anderen einzelne Scaffold-Strukturen realisiert. In jedem Fall wurde eine Beschleunigung des Prozess bzw. eine Erhöhung der Polymerisationsrate um den Faktor 4 für die verwendeten Parameter erreicht. Bei der Herstellung der Scaffolds wurden zwei unterschiedliche Strategien verfolgt. Während zum einen die Periodizität der inneren Scaffold-Struktur auf die Fokusabstände angepasst und damit simultan vier aneinandergereihte Einheitszellen hergestellt wurden, konnte zum anderen auch demonstriert werden, dass durch die geschickte Bewegung der Fokusse eine ineinander verschobene Struktur möglich ist. Der Vorteil der letzteren Strategie ist, dass auf diese Weise eine komplette Schicht gescannt werden kann und damit hohe Scan-Geschwindigkeiten realisiert werden können. Die erzielten Bauraten waren dennoch nicht größer als die Bauraten, die mit einem einzelnen Spot im Rahmen des Standardaufbaus oder des Badaufbaus erreicht wurden. Hierfür bedarf es weiterer Optimierung der Parameter und des Setups.
Transmittiert fokussiertes Licht eine Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, dann tritt sphärische Aberration auf, welche sich durch die Verbreiterung des Fokus besonders in axiale Richtung bemerkbar macht. Da diese im Rahmen der verwendeten Belichtungsstrategien die Strukturierungsergebnisse nachweislich beeinträchtigen, wurden experimentelle Untersuchungen sowie Optimierungsroutinen diesbezüglich durchgeführt.
Im Zusammenhang mit dem Standardaufbau wurde eine Leistungsanpassung während der Strukturierung vorgenommen. Auf diese Weise wurde erreicht, dass bei variabler Fokustiefe im Material die maximale Intensität trotz sphärischer Aberration konstant gehalten wurde, wodurch sich die strukturelle Homogenität der Scaffolds entlang der axialen Richtung (optische Achse) deutlich verbesserte.
Des Weiteren wurde der Badaufbau dazu verwendet, die axiale Intensitätsverteilung in-situ für diskrete Fokustiefen unter der Verwendung eines Objektivs mit der NA von 0,60 abzubilden. Zu diesem Zweck wurde aus hergestellten Voxelfeldern eine Voxelfeldfunktion ermittelt und mit der axialen IPSF korreliert. Dabei wurde angenommen, dass sich das chemische Wechselwirkungsvolumen vernachlässigbar gering vom technischen Wechselwirkungsvolumen unterscheidet. Die experimentellen Ergebnisse zeigten deutlich die für sphärische Aberrationen typischen Nebenmaxima auf. Die Lage bzw. Abstände dieser entsprachen in guter Übereinstimmung den jeweiligen Simulationen. Schließlich wurde noch die sphärische Aberration durch den Korrekturring der Objektive für verschiedene Deckglasdicken korrigiert. Die resultierende IPSF wurde ebenfalls mit Hilfe des Badaufbaus abgebildet, wobei keinerlei Nebenmaxima gefunden werden konnten. Die Breite des Hauptmaximums konnte deutlich verringert werden.
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass im Rahmen dieser Arbeit erhebliche Fortschritte bei der Aufskalierung der 2PP zur Erzeugung von Scaffold-Strukturen für die regenerative Medizin erzielt wurden. Die erreichten Strukturdimensionen und die Bauraten übertreffen alle bis dato bekannten Ergebnisse. Dabei wurden auch durch theoretische Betrachtungen und experimentellen Methoden grundlegende Erkenntnisse über die Reaktionsdynamik der durch die Zwei-Photonen-Absorption initiierten Polymerisationsreaktion gewonnen. Nichtsdestotrotz sind einige Fragestellungen offen sowie Problematiken des Prozesses vorhanden, die für eine Realisierung von makroskopischen Scaffold-Strukturen gelöst werden müssen.
So sind die realisierten Bauraten noch zu gering, um in angemessener Zeit makroskopische Scaffolds-Strukturen herzustellen, welche deutlich größer als 1 cm^3 sind. Aus diesem Grund müssen weitere Verbesserungen bezüglich der Scan-Geschwindigkeit sowie des Einsatzes von diffraktiven optischen Elementen zur Erhöhung der Polymerisationsrate erzielt werden. Da bei der Verwendung von Multi-Spot-Arrays, welche mit Hilfe gewöhnlicher diffraktiver optischer Elemente erzeugt wurden, die Realisierung von beliebigen und detaillierten äußeren Scaffold-Formen eingeschränkt ist, empfiehlt es sich den Einsatz von Spatial Light-Modulatoren zu verfolgen. Diese fungieren als dynamisch modulierbares DOE, mit dem einzelne Spots gezielt ein- und ausgeblendet und Spotabstände dynamisch variiert werden können. Schließlich ist es vorstellbar, den Spatial Light-Modulator mit dem Badaufbau zu kombinieren, um uneingeschränkte, große Strukturen in annehmbarer Zeit mit hochaufgelösten Details herstellen zu können. Dieses Vorgehen bedarf allerdings noch der tiefgreifenden Untersuchung der Potentiale des Spatial Light-Modulators.
Darüber hinaus weisen die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Reaktionskinetik darauf hin, dass die Voxelentstehung ein komplexer Prozess ist, der möglicherweise auch durch nichtlineare optische Wechselwirkungseffekte abseits der Zwei-Photonen-Absorption beeinflusst wird. Daher sind hier weitere Untersuchungen und Berechnungen zu empfehlen, um z. B. den Einfluss einer intensitätsabhängigen Brechzahl  auf die Voxelbildung quantifizieren zu können. Entsprechende Ergebnisse könnten schließlich dazu dienen, dass im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell zur Voxelbildung, welches auf der getrennten Betrachtung von technischen und chemischen Wechselwirkungsvolumen basiert, zu verbessern. Ein leistungsfähiges Modell, welches die Voxelbildung in Abhängigkeit des Materials und der Fokussieroptik präzise vorhersagen kann, wäre für das Erzielen optimaler Strukturierungsergebnissen ein Gewinn.
N2  - In this thesis, the two photon polymerization technique using ORMOCER®s was investigated thoroughly. The main aspects of matter were the theoretical investigations of the interaction between laser and polymer, the experimental characterization of the different ORMOCER®s, and the scale-up of the photon polymerization technique in order to fabricate scaffolds for the regenerative medicine. The latter was achieved by designing and building up an innovative exposure device[38] which enables the fabrication of scaffold structures with minimal structure sizes of a view microns.
The experiments were done using UV sensitive anorganic-organic hybrid polymers, also known as ORMOCER®s. These are typically synthesized for optical applications, but some are also biocompatible. The ORMOCER® MB-47 was invented by M. Beyer for biological application and possesses biocompatibility, partial biodegradability, and advanced 2PP structuring behavior.
The micro-structuring system used contains an ultra-short pulse laser which emits 325 fs pulses at 1030 nm (applied was 515 nm using second harmonic generation), a highly precise positioning system which consists of three air-bearing stages with a travel range of 10 cm (y, z direction) and 15 cm (x direction), respectively, and some objectives for focusing. With these components, complex three-dimensional structures with minimal structure size below 1 µm can be produced.
In Capital 5.1, theoretical studies of the interaction between the focal intensity distribution and the material, which defines voxel growth, were performed. Therefore, the technical interaction volume and the chemical interaction volume were separately investigated.
The technical interaction volume describes the threshold driven interaction between the focal intensity distribution and the material system, which allows the realization of structure sizes below the resolution limit (diffraction) of the wavelength used. The theoretical investigations showed that spherical aberration influences the focal intensity distributions (Intensity-Point Spread Function (IPSF)) which were calculated for different experimental exposure configuration. The results propose a severe influence with increasing focus depth into the material. Moreover, a formal relation between the IPSF and the technical interaction volume was derived by using the threshold assumption. By using the Gaussian beam assumption as IPSF, the analogy of the derived formula to the voxel growth model of Serbin et al. was recognized.
The chemical interaction volume represents the actual volume of the polymerization reaction. Its amount exceeds the technical interaction volume due to the space-consuming chain growth during the polymerization. By the simulation of the reaction kinetics of the polymerization, the time- and power-depending behavior of the different reactants (radicals, monomer, photo initiator) as well as the degree of conversion was calculated. The simulations were done for very short exposure times (< 10 ms) by using a system of coupled differential equations which are based on a model invented by Uppal & Shiakolas. Therefore, the influence of diffusion and temperature was estimated to be small on short time scales and thus neglected.
The results of the simulations show that a short exposure time cannot be necessarily compensated by high laser powers to achieve a certain degree of conversion. Higher laser power leads rather to a swift consumption of the photo initiator and thus to a disruption of the polymerization. In order to achieve high degrees of conversions, the reactive rate coefficients of the propagation and termination k_P and k_T as well as a sufficient amount of photo initiator concentration is essential. The larger the ratio k_P/k_T the higher degree of conversion can be realized even with short exposure times whereas a significant part of the reaction takes place during the dark period. This finding is important for the scale-up of the photon polymerization technique which has to involve shorter exposure times.
Moreover, the simulations show that the spatial profile of the degree of conversion can feature a central minimum. This phenomenon occurs when the central maximum intensity of the IPSF consumes the entire photo initiators in short times which leads to a disruption of the polymerization.
In Capital 5.2, the voxel growth, the behavior of conversion as well as the mechanical properties of hardened ORMOCER®s were experimentally investigated with different parameters and material systems.
By means of voxel fields, voxel sizes, aspect ratios and voxel volumes at different laser powers were determined. The results were compared with the calculated technical interaction volume, whereas the difference was invented as a new characteristic value.  It has been shown that the voxel length deviates clearly from the length of the technical interaction volume which cannot be explained by space-consuming chain growth during the polymerization. Instead,  it was assumed that this observation is reasoned by interaction effects between light and material (optical Kerr effect, polymerization) leading to an inhomogeneous refractive index distribution and thus to self-focusing and self-trapping. In contrast to that, the difference between the voxel diameter and the diameter of the technical interaction volume was correlated with reaction kinetic influences.
Additionally, the dependency of the voxel volume on the laser power was linear approximated in order to determine the polymerization rate of different material systems. Here, strong differences between the materials were identified. The material with the highest polymerization rate was OC-V with the Irgacure® Oxe02 photo initiator which consists of acrylates as cross-linkable group. Because of this, this material system was preferred for 2PP structuring of large scale structures.
The different materials were investigated concerning their conversion behavior by means of µ-Raman spectroscopy. Therefore, fields of lines were produced by 2PP with varying scan speed and laser power and measured. The degree of conversion was then semi-quantitative extracted from the spectra. All in all, the degrees of conversion were determined to be in the range of 40 to 60 % for all materials. The material with the highest degree of conversion was the OC-V with 2 wt.-% Irgacure® Ox02. Moreover, the measurements showed that the degree of conversion for each material system does not vary with the scan speed (exposure time) within the limits of measurement error. Thus, the simulations from Capital 5.1.3, which predicted that shorter exposure times cannot be necessarily compensated by higher laser powers, could not be confirmed.
Furthermore, the mechanical properties of the different materials were characterized. Therefore, cylindrical samples were produced with different processes and parameters and tested with a compressive load. Also the densities and degrees of conversion were determined.
All in all, elastic moduli between 0,40 and 1,37 GPa and load failures between 117 and 310 MPa were measured. It was detected that the photo initiator concentration influences the conversion behavior and thus the mechanical properties of the samples. While low concentrations led to lower degrees of conversion and lower elastic moduli, the samples produced with higher concentrations were more brittle with higher degrees of conversion and elastic moduli. The highest elastic modulus was measured for samples which were produced in OC-V with 2 wt.-% Irgacure® Ox02.
Moreover, the mechanical properties of samples produced with 2PP can be influenced by the utilized laser power. This is reasoned by the voxel sizes which can be adjusted by the laser power and which determine the overlap of vicinal voxels at distinct hatch and slice distances. In the overlap area double exposure takes place which can lead to higher degrees of conversion. It was found that with sufficient laser powers the 2PP leads to higher elastic moduli and load failures than the 1PP.
Capital 5.3 deals with the scale-up of the photon polymerization technique. After the discussion of the challenges, two exposure strategies were used to produce macroscopic scaffold structures. Especially, the vat setup has to be emphasized which can be used to build structures with basically unlimited structure heights by means of the 2PP technique.
One of the major challenges concerning the scale-up of the 2PP is the speed-up of the process. Therefore, the scan speeds as well as the acceleration of the positioning system play important roles. Moreover it was detected that further parallelizing techniques as the utilization of diffraction optical elements are needed in order to achieve a sufficient speed-up of the 2PP technology.
The standard exposure setup with air objectives was used to fabricate millimeter-sized structures in ORMOCER®s which high quality. Though the maximal achievable structure height is limited by the working distance of the objective used, the setup is suitable for the fabrication of macroscopic scaffolds which can be utilized for biological or mechanical testing. Moreover, the biodegradable MB-47 was successfully used for the fabrication of Drug Delivery structures.
The vat setup bases on a vat/bath as material reservoir with transparent bottom, a sample holder moveable in the vertical (z) direction, and an upside down x-y-scanning objective. The sample can be moved upwards which enables one to build structures whose heights are not limited by the working distance of the employed objective anymore. This setup was used to fabricate a model of the statue of liberty with a height of 2 cm and millimeter-sized scaffolds with pore sizes in the area between 40 and 500 µm in ORMOCER®-V. Moreover, the human ossicles in life size, a scaffold in the shape of the human stapes, different test scaffold structures for mechanical and biological investigations and drug delivery structures were build. The achieved maximum building rate was 10 mm^3/h.
So far, the speed-up and scale-up potentials of the air-bearing positioning system haven’t been exhausted when using the vat setup. Therefore, the setup has to be optimized regarding weight and stability in order to realize higher accelerations of up to 10 m/s^2. This would enable build rates of up to 60 mm3/h with a scan speed of 224 mm/s and slice and hatch distances of 15 and 10 µm.
Moreover, the speed-up by means of diffractive optical elements was experimentally investigated. Therefore, an optical setup was constructed which includes the diffractive optical element, some lenses, an objective, and a blind to blank the zero order. By this a 2 x 2 spot matrix was generated which was used for the simultaneous fabrication of four drug delivery structures and the production of single scaffold structures. In both cases an increase of the polymerization rate was achieved regarding to structuring without diffractive optical elements. For the fabrication of the scaffold structures two different scan strategies were performed. Using the first one, a scaffold was built up by the simultaneous structuring of four scaffolds’ gyroid unit cells. After finishing these cells, more cells were stitched to them until a millimeter-sized scaffold was achieved. For this strategy, it’s important that the size of the unit cell design is adjusted to the focal matrix distances. With the second strategy a scanning of the whole spot matrix along the whole scaffold flank is performed. By this it was possible to produce a pile of interleaved beams which represents a woodpile-like scaffold. The fact that the produce lines of each layer are as long as scaffold flank leads to the advantage that higher scan speeds and thus build rates can be achieved than with the first strategy. Nevertheless, the realized maximum build rates weren’t exceeding the build rates which were reached by using the standard setup or the vat setup. Thus, more optimization of parameters and setup is needed.
If focused laser lights transmits through an interface of two materials with different refractive indices, spherical aberration occurs which leads to blurring of the focal intensity distribution especially in the axial direction. When using air objectives this blurring affects the structuring results. Hence theoretical and experimental investigations were done in order to optimize exposure routines.
When using the standard exposure setup, power adoption was performed during the structuring process which allows holding the maximum focal intensity constant at varying focal depths in the presence of spherical aberration influences. By this, a clear improvement of the scaffolds’ quality and homogeneity along the axial direction was achieved.
Furthermore, the vat setup with the NA 0.60 objective was used to perform an experimental in situ mapping of the focal axial intensity distribution for different focal depths. A voxel field function was extracted from produced voxel fields and correlated with the axial intensity distribution. Therefore, it was assumed that the chemical interaction volume is equal to the technical interaction volume. The experimental results showed clearly the presence of side maxima which are typical for spherical aberration influences. The distances between them were predicted quite exactly by theoretical simulations. Finally, the spherical aberrations were reduced by the correction collar of the objective. The resulting intensity distribution was also mapped with the vat setup and no side maxima were found for the experimental intensity distribution. Moreover the contrast of the main maximum was clearly improved.
Overall, it can be concluded that within this work a noticeable progress in the scale-up of the two-photon polymerization technique was achieved which is important for the fabrication of scaffold structures for the regenerative medicine. The realized structure dimensions and build rates exceed all, so far, known specifications of structures fabricated by two-photon polymerization. Moreover, basic knowledge of the most important aspects of the scale-up was discovered by thoroughly theoretical and experimental investigations.
Nevertheless, there is still much improvement necessary to establish the two photon polymerization technique as a competitive tool for the production of scaffold structures which are larger than 1 cm^3. Higher scan speeds and advanced setups with diffractive optical elements must be applied to achieve build rates in the range over 1 cm^3/h. Due to the lack in flexibility of usual diffractive optical elements, it is recommended to use spatial light modulators which are dynamic adjustable diffractive optical elements. With them it is possible to vary the spot intensity distribution, spot number as well as the spot distances during the process. Finally, it is imaginable that in future the vat setup combined with a spatial light modulator can be used for the fabrication of large macro structures with finest details in adequate time. But therefore, it is necessary to perform thoroughly investigations concerning the potentials of spatial light modulators.
Moreover, the theoretical and experimental investigations on the reaction kinetics show that voxel growth is a complex process which is possibly affected by nonlinear optical interactions aside from the two-photon absorption phenomenon. Thus, intensive study should be done in order to, for example, quantify the influence of an intensity-dependent refractive index on the voxel growth. Maybe, results could be used to improve the voxel growth model of this work which bases on the separate consideration of the technical and chemical interaction volumes. A powerful tool enabling the prices prediction of voxel growth characteristics depending on material and focusing optics would help to improve the detail quality of fabricated scaffolds.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Polymere
KW  - Mikrofertigung
KW  - Two-photon polymerization
KW  - Two-photon absorption
KW  - Scaffold fabrication
KW  - Zwei-Photonen-Polymerisation
KW  - Zweiphotonenabsorption
KW  - Reaktionskinetik
KW  - Raman-Spektroskopie
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-130161
ER  - 
TY  - THES
A1  - Flåten Andersen, Hanne
T1  - New Materials for Lithium-Ion Batteries
T1  - Neue Materialien für Lithium-Ionen-Batterien
N2  - Over the last decades, lithium-ion batteries have grown more important and substituted other energy storage systems. Due to advantages such as high energy density and low self-discharge, the lithium-ion battery has taken its part in the rechargeable energy storage market, and it is now found in most laptops, cameras and mobile phones. With the increasing demands for electrical vehicles and stationary energy storage systems, there is a necessity for improved lithium-ion battery materials. 

In this thesis several alternative electrode materials have been examined with a main focus on the electrochemical characterisation. As an alternative to the commercial cathode LiCoO2, the LiMn2O4 cathode has been suggested due to its reduced toxicity, material abundance, reduced costs and increased specific capacity. On the anode side, several Sn-containing anodes have been investigated and steps to overcome the main challenge, the great volume expansion upon cycling, have been taken. In addition, a novel anode material group was synthesised at the University of Marburg and two substances of the lithium chalcogenidometalate networks were successfully characterised.

The cathode material, LiMn2O4, was synthesised via the sol-gel technique and several coating methods such as dip-coating, electrophoretics and infiltration were investigated. The LiMn2O4 material was initially coated on a porous metal foam as a current collector, thus providing new possibilities as the porosity of the substrate increased, mechanical stability and adhesion improved and a 3-dimensional network was obtained. In order to compare the results of the LiMn2O4 cathode material on the novel current collector, the material was also coated on a standard metallic foil and characterised. The analysis followed via X-ray diffraction, electron microscopy, thermogravimetrical analysis and several electrochemical techniques.

Tin containing anode materials were chosen due to the doubling of the theoretical capacity compared with the commercially used graphite. However, a great challenge lies with using tin or tin-containing anode materials. Upon lithiation of Sn, the material can expand up to 300 %, therefore a stabilising effect is necessary to avoid a collapse of the material. This work shows several new concepts and attempts to overcome this challenge, including SnO2 nanowires deposited via chemical vapour deposition on both metallic foam and standard current collectors. A new improvement consisted of the tin - carbon nanofibers where the nanofibers form a
stabilising matrix that can partially buffer the volume change of the Sn particles. The synthesis of the Sn-containing anodes took place at the University of Cologne, while characterisation, cell preparation and optimising the electrode system were features of this thesis.

In addition, a lithium chalcogenidometalate network proved to be an interesting, new anode material group. Both Li4MnSn2Se7 and Li4MnGe2S7 (synthesised at Philipps-Universität Marburg) were electrochemically examined to better understand the lithiation processes. Both materials obtained very high specific capacities and were found to be possible alternatives to the state-of-the art anodes. All the examined electrode materials were found to have some advantage over the commercially used LiCoO2 and graphite electrodes, and a thorough characterization of the materials was performed to understand the processes that took place.
N2  - Lithium-Ionen Batterien sind in den letzten Jahrzehnten immer wichtiger geworden und haben mittlerweile andere Energiespeichersysteme in weiten Bereichen ersetzt. Ihre hohe Energiedichte und niedrige Selbstentladung sind Gründe dafür, dass die Lithium-Ionen Batterie einen großen Teil des Marktes für wiederaufladbare Energiespeicher einnimmt und ist in Laptops, Kameras und Handys zu finden. Mit dem zunehmenden Interesse an Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichersystemen entstand der Bedarf an verbesserten Lithium-Ionen Batteriematerialien.

Verschiedene alternative Elektrodenmaterialien mit einem Hauptfokus auf ihrer elektrochemischen Charakterisierung wurden in dieser Dissertation untersucht. Als eine Alternative zum kommerziellen LiCoO2 wurde LiMn2O4 als Kathode vorgeschlagen, hauptsächlich aufgrund der niedrigeren Toxizität, der Materialverfügbarkeit und der erhöhten spezifischen Ladung. Auf der Anodenseite wurden verschiedene Sn-haltige Anoden untersucht um das vorangige Problem der Volumenausdehnung beim Laden/Entladen zu lösen. Außerdem wurde mit den Lithium-Chalkogenidometallaten ein neuartiges Anodenmaterial synthetisiert und erfolgreich charakterisiert.

Das LiMn2O4-Kathodenmaterial wurde mittels einer Sol-Gel-Methode hergestellt und verschiedene Beschichtungsmethoden wie, Tauchbeschichtung, Elektrophorese und Infiltration, untersucht. Zunächst wurde ein hochporöser metallischer Stromableiter mit dem LiMn2O4-Material beschichtet, was neue Elektrodenbauformen ermöglicht. Die Porosität des Substrats kann erhöht und die mechanische Stabilität und Haftung verbessert werden. Außerdem ist ein 3-D Netzwerk vorhanden. Ein Vergleich mit LiMn2O4 auf einer metallischen Standardfolie wurde durchgeführt und eine allgemeine Charakterisierung mittels Röntgenbeugungsanalyse, Elektronenmikroskopie, Thermogravimetrie und elektrochemischen Methoden folgte.

Aufgrund ihrer im Vergleich zu kommerziellem Graphit verdoppelten theoretisch speicherbaren Ladung wurden zinnhaltige Anodenmaterialien gewählt. Es besteht jedoch eine große Herausforderung bei Sn-haltigen Anoden, da sich das Material bei Lithierung des Sn um bis zu 300 % ausdehnt. Ein stabilisierender Effekt ist nötig, um einen Zusammenbruch des Materials zu vermeiden. In dieser Arbeit werden neue Konzepte und Bestrebungen zur Lösung aufgezeigt. Dies umfasst die Abscheidung von SnO2-Nanodrähten auf metallische Schäume und auf glatte Stromableiter. Eine weitere Verbesserung besteht aus Sn-Kohlenstoffnanofasern, bei denen die Nanofasern ein stabilisierendes Gerüst darstellen, so dass die Volumenausdehnung der Sn-Partikel teilweise aufgenommen wird. Die Synthese der Sn-Anoden wurde an der Universität zu Köln durchgeführt, die weitere Charakterisierung, Zellpräperation und Optimierung des Elektrodensystems waren Schwerpunkte dieser Dissertation. 

Weiterhin hat sich das Lithium-Chalkogenidometallat Netzwerk als ein interessantes Anodenmaterial erwiesen. Beide Materialien, Li4MnSn2Se7 und Li4MnGe2S7 (hergestellt an der Philipps-Universität Marburg), wurden elektrochemisch analysiert, um die Lithierungsprozesse im Detail zu verstehen. Beide Materialien erreichen sehr hohe spezifische Ladungen und können als denkbare Alternativen zum Stand der Technik betrachten werden.

Alle untersuchten neuen Elektrodenmaterialien zeigen Vorteile gegenüber der kommerziellen
LiCoO2- und Graphit-Elektroden. Zum besseren Verständnis der grundlegenden Prozesse wurde eine umfassende Charakterisierung der Materialien durchgeführt.
KW  - Lithium-Ionen-Akkumulator
KW  - Anode
KW  - Kathode
KW  - lithium-ion batteries
KW  - batteries
KW  - anodes
KW  - cathodes
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101434
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lother, Steffen Reiner
T1  - Entwicklung eines 3D MR-Tomographen zur Erdfeld- und multimodalen MR-MPI-Bildgebung
T1  - Development of a 3D MRI-System for Earth Field MRI and the Combination MRI-MPI
N2  - Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und die Anfertigung eines 3D Erdfeld-NMR Tomographen, um damit die benötigte Technik der MR eines MR-MPI-Tomographen am Lehrstuhl zu etablieren. Daraufhin wurden alle nötigen Komponenten für ein komplettes 3D Erdfeld-NMR-System entwickelt, gebaut und getestet. Mit diesem Wissen wurde in enger Zusammenarbeit mit der MPI-Arbeitsgruppe am Lehrstuhl ein multimodaler MR-MPI-Tomograph angefertigt und die prinzipielle Machbarkeit der technischen Kombination dieser zwei Modalitäten (MRT/MPI) in einer einzigen Apparatur gezeigt.

Auf diesem Entwicklungsweg sind zusätzlich innovative Systemkomponenten entstanden, wie der Bau eines neuen Präpolarisationssystems, mit dem das Präpolarisationsfeld kontrolliert und optimiert abgeschaltet werden kann. Des Weiteren wurde ein neuartiges 3D Gradientensystem entwickelt, das parallel und senkrecht zum Erdmagnetfeld ausgerichtet werden kann, ohne die Bildgebungseigenschaften zu verlieren. Hierfür wurde ein 3D Standard-Gradientensystem mit nur einer weiteren Spule, auf insgesamt vier Gradientenspulen erweitert. Diese wurden entworfen, gefertigt und anhand von Magnetfeldkarten ausgemessen. Anschließend konnten diese Ergebnisse mit der hier präsentierten Theorie und den Simulationsergebnissen übereinstimmend verglichen werden.

MPI (Magnetic Particle Imaging) ist eine neue Bildgebungstechnik mit der nur Kontrastmittel detektiert werden können. Das hat den Vorteil der direkten und eindeutigen Detektion von Kontrastmitteln, jedoch fehlt die Hintergrundinformation der Probe. Wissenschaftliche Arbeiten prognostizieren großes Potential, die Hintergrundinformationen der MRT mit den hochauflösenden Kontrastmittelinformationen mittels MPI zu kombinieren. Jedoch war es bis jetzt nicht möglich, diese beiden Techniken in einer einzigen Apparatur zu etablieren. Mit diesem Prototyp konnte erstmalig eine MR-MPI-Messung ohne Probentransfer durchgeführt und die empfindliche Lokalisation von Kontrastmittel mit der Überlagerung der notwendigen Hintergrundinformation der Probe gezeigt werden. Dies ist ein Meilenstein in der Entwicklung der Kombination von MRT und MPI und bringt die Vision eines zukünftigen, klinischen, multimodalen MR-MPI-Tomographen ein großes Stück näher.
N2  - Developement of an 3D MRI System for Earth Field MRI and the Kombination with MPI
KW  - NMR-Spektroskopie
KW  - Erdmagnetismus
KW  - Kernspintomografie
KW  - 3D Erdfeld-NMR Tomograph
KW  - MR-MPI-Tomograph
KW  - Präpolarisationssystems
KW  - Gradientensystem
KW  - Magnetresonanztomographie
KW  - Systembau
KW  - Erdfeld
KW  - Magnetpartikelbildgebung
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-99181
ER  -