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Sonstige beteiligte Institutionen
- Technische Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm (2)
- Experimental Radiation Oncology, Department of Radiation Oncology, University Medical Center Mannheim (1)
- Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) (1)
- Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC (1)
- Hochschule Wismar (1)
- Institut für Medizintechnik Schweinfurt (IMeS) (1)
EU-Project number / Contract (GA) number
- 320377 (1)
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.
It is the aim of this thesis to present a visual body weight estimation, which is suitable for medical applications. A typical scenario where the estimation of the body weight is essential, is the emergency treatment of stroke patients: In case of an ischemic stroke, the patient has to receive a body weight adapted drug, to solve a blood clot in a vessel. The accuracy of the estimated weight influences the outcome of the therapy directly. However, the treatment has to start as early as possible after the arrival at a trauma room, to provide sufficient treatment. Weighing a patient takes time, and the patient has to be moved. Furthermore, patients are often not able to communicate a value for their body weight due to their stroke symptoms. Therefore, it is state of the art that physicians guess the body weight. A patient receiving a too low dose has an increased risk that the blood clot does not dissolve and brain tissue is permanently damaged. Today, about one-third gets an insufficient dosage. In contrast to that, an overdose can cause bleedings and further complications. Physicians are aware of this issue, but a reliable alternative is missing.
The thesis presents state-of-the-art principles and devices for the measurement and estimation of body weight in the context of medical applications. While scales are common and available at a hospital, the process of weighing takes too long and can hardly be integrated into the process of stroke treatment. Sensor systems and algorithms are presented in the section for related work and provide an overview of different approaches.
The here presented system -- called Libra3D -- consists of a computer installed in a real trauma room, as well as visual sensors integrated into the ceiling. For the estimation of the body weight, the patient is on a stretcher which is placed in the field of view of the sensors. The three sensors -- two RGB-D and a thermal camera -- are calibrated intrinsically and extrinsically. Also, algorithms for sensor fusion are presented to align the data from all sensors which is the base for a reliable segmentation of the patient.
A combination of state-of-the-art image and point cloud algorithms is used to localize the patient on the stretcher. The challenges in the scenario with the patient on the bed is the dynamic environment, including other people or medical devices in the field of view.
After the successful segmentation, a set of hand-crafted features is extracted from the patient's point cloud. These features rely on geometric and statistical values and provide a robust input to a subsequent machine learning approach. The final estimation is done with a previously trained artificial neural network.
The experiment section offers different configurations of the previously extracted feature vector. Additionally, the here presented approach is compared to state-of-the-art methods; the patient's own assessment, the physician's guess, and an anthropometric estimation. Besides the patient's own estimation, Libra3D outperforms all state-of-the-art estimation methods: 95 percent of all patients are estimated with a relative error of less than 10 percent to ground truth body weight. It takes only a minimal amount of time for the measurement, and the approach can easily be integrated into the treatment of stroke patients, while physicians are not hindered.
Furthermore, the section for experiments demonstrates two additional applications: The extracted features can also be used to estimate the body weight of people standing, or even walking in front of a 3D camera. Also, it is possible to determine or classify the BMI of a subject on a stretcher. A potential application for this approach is the reduction of the radiation dose of patients being exposed to X-rays during a CT examination.
During the time of this thesis, several data sets were recorded. These data sets contain the ground truth body weight, as well as the data from the sensors. They are available for the collaboration in the field of body weight estimation for medical applications.
There is great interest in affordable, precise and reliable metrology underwater:
Archaeologists want to document artifacts in situ with high detail.
In marine research, biologists require the tools to monitor coral growth and geologists need recordings to model sediment transport.
Furthermore, for offshore construction projects, maintenance and inspection millimeter-accurate measurements of defects and offshore structures are essential.
While the process of digitizing individual objects and complete sites on land is well understood and standard methods, such as Structure from Motion or terrestrial laser scanning, are regularly applied, precise underwater surveying with high resolution is still a complex and difficult task.
Applying optical scanning techniques in water is challenging due to reduced visibility caused by turbidity and light absorption.
However, optical underwater scanners provide significant advantages in terms of achievable resolution and accuracy compared to acoustic systems.
This thesis proposes an underwater laser scanning system and the algorithms for creating dense and accurate 3D scans in water.
It is based on laser triangulation and the main optical components are an underwater camera and a cross-line laser projector.
The prototype is configured with a motorized yaw axis for capturing scans from a tripod.
Alternatively, it is mounted to a moving platform for mobile mapping.
The main focus lies on the refractive calibration of the underwater camera and laser projector, the image processing and 3D reconstruction.
For highest accuracy, the refraction at the individual media interfaces must be taken into account.
This is addressed by an optimization-based calibration framework using a physical-geometric camera model derived from an analytical formulation of a ray-tracing projection model.
In addition to scanning underwater structures, this work presents the 3D acquisition of semi-submerged structures and the correction of refraction effects.
As in-situ calibration in water is complex and time-consuming, the challenge of transferring an in-air scanner calibration to water without re-calibration is investigated, as well as self-calibration techniques for structured light.
The system was successfully deployed in various configurations for both static scanning and mobile mapping.
An evaluation of the calibration and 3D reconstruction using reference objects and a comparison of free-form surfaces in clear water demonstrate the high accuracy potential in the range of one millimeter to less than one centimeter, depending on the measurement distance.
Mobile underwater mapping and motion compensation based on visual-inertial odometry is demonstrated using a new optical underwater scanner based on fringe projection.
Continuous registration of individual scans allows the acquisition of 3D models from an underwater vehicle.
RGB images captured in parallel are used to create 3D point clouds of underwater scenes in full color.
3D maps are useful to the operator during the remote control of underwater vehicles and provide the building blocks to enable offshore inspection and surveying tasks.
The advancing automation of the measurement technology will allow non-experts to use it, significantly reduce acquisition time and increase accuracy, making underwater metrology more cost-effective.
Dementia is a complex neurodegenerative syndrome that by 2050 could affect about 135 Million people worldwide. People with dementia experience a progressive decline in their cognitive abilities and have serious problems coping with activities of daily living, including
orientation and wayfinding tasks. They even experience difficulties in finding their way in a familiar environment. Being lost or fear of getting lost may consequently develop into other psychological deficits such as anxiety, suspicions, illusions, and aggression. Frequent results are social isolation and a reduced quality of life. Moreover, the lives of relatives and
caregivers of people with dementia are also negatively affected.
Regarding navigation and orientation, most existing approaches focus on outdoor environment and people with mild dementia, who have the capability to use mobile devices. However, Rasquin (2007) observe that even a device with three buttons may be too complicated for
people with moderate to severe dementia. In addition, people who are living in care homes mainly perform indoor activities. Given this background, we decided to focus on designing a system for indoor environments for people with moderate to severe dementia, who are unable
or reluctant to use smartphone technology.
Adopting user-centered design approach, context and requirements of people with dementia were gathered as a first step to understand needs and difficulties (especially in spatial disorientation and wayfinding problems) experienced in dementia care facilities. Then, an "Implicit Interactive Intelligent (III) Environment" for people with dementia was proposed emphasizing implicit interaction and natural interface. The backbone of this III Environment is based on supporting orientation and navigation tasks with three systems: a Monitoring system, an intelligent system, and a guiding system. The monitoring system and intelligent system automatically detect and interpret the locations and activities performed by the users i.e. people with dementia. This approach (implicit input) reduces cognitive workload as well as physical workload on the user to provide input. The intelligent system is also aware of context, predicts next situations (location, activity), and decides when to provide an appropriate service to the users. The guiding system with intuitive and dynamic environmental cues (lighting with color) has the responsibility for guiding the users to the places they need to be.
Overall, three types of a monitoring system with Ultra-Wideband and iBeacon technologies, different techniques and algorithms were implemented for different contexts of use.
They showed a high user acceptance with a reasonable price as well as decent accuracy and precision. In the intelligent system, models were built to recognize the users’ current activity, detect the erroneous activity, predict the next location and activity, and analyze the
history data, detect issues, notify them and suggest solutions to caregivers via visualized web interfaces. About the guiding systems, five studies were conducted to test and evaluate the effect of lighting with color on people with dementia. The results were promising. Although
several components of III Environment in general and three systems, in particular, are in place (implemented and tested separately), integrating them all together and employing this in the dementia context as a fully properly evaluation with formal stakeholders (people with
dementia and caregivers) are needed for the future step.
Motivated by the perceived great potential of chiral polymers, the presented work aimed at the investigation of synthesis, solubility and optical activity of chiral poly(2,4-disubstituted-2-oxazoline)s. A novel polymeric carrier based on ABA-type triblock copolymers poly(2-oxazoline)s with chiral and racemic hydrophobic blocks was developed for the formulation of chiral and achiral drugs (Fig. 5.1). Poly(2-methyl-2-oxazoline) (pMeOx) was used as hydrophilic A block, and poly(2-ethyl-4-ethyl-2-oxazoline) (pEtEtOx) and poly(2-propyl-4-methyl-2-oxazoline) (pPrMeOx) were used as hydrophobic B blocks. Curcumin (CUR), paclitaxel (PTX) and chiral/racemic ibuprofen (R/S/RS-IBU) were applied as model drugs. Nanoformulations were prepared consisting of these triblock copolymers and model drugs. ...
Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese, die Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und Eigenschaftsmodifikationen von Komplexen und Koordinationspolymeren basierend auf den 3d-Übergangsmetallchloriden von Mn, Fe, Co sowie Zn und N-heterozyklischen Liganden.
Durch die Kombination von mechanochemische Umsetzungen, mikrowellenassistierten Synthesen, solvensassistierten, solvothermalen und solvensfreien Reaktionen zu verschiedenen Synthesestrategien wurden 23 neue Koordinationsverbindungen synthetisiert und charakterisiert.
Ausgehend von den auf mechanochemischem Weg synthetisierten, monomeren Precursor-Komplexen [MCl2(TzH)4] (M = Mn und Fe) konnten die höhervernetzten Koordinationspolymere 1∞[FeCl(TzH)2]Cl und 1∞[MCl2(TzH)] (M = Fe und Mn) durch thermische und mikrowelleninduzierte Konversionsreaktionen als phasenreine Bulkprodukte erhalten werden. Die sukzessive Abgabe organischer Liganden und die damit verbundene Umwandlung in die höhervernetzten Spezies wurden dabei mittels temperaturabhängiger Pulverdiffraktometrie und simultanem DTA/TG-Verfahren analysiert.
Durch gezielte Variation der Lösungsmittel beim Liquid-assisted grinding, der mechanochemischen Synthese unter Zugabe einer flüssigen Phase, konnten die beiden polymorphen Koordinationspolymere α-1∞[MnCl2(BtzH)2] und β-1∞[MnCl2(BtzH)2] erhalten werden, die im monoklinen bzw. orthorhombischen Kristallsystem kristallisieren.
Solvensassistierte Umsetzungen von MnCl2 mit 1,2,4-1H-Triazol (TzH) unter Zugabe von Hilfsbasen resultierten unter anderem in der Bildung der dreidimensionalen Koordinationspolymere 3∞[MnCl(Tz)(TzH)] und 3∞{[Mn5Cl3(Tz)7(TzH)2]}2·NEt3HCl.
Die Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Korrelationen erfolgte systematisch an ausgewählten Verbindungen hinsichtlich ihrer dielektrischen Eigenschaften. Dabei wurden die Einflüsse intra- und intermolekularer Wechselwirkungen auf die strukturelle Rigidität und die daraus folgenden Polarisierbarkeitseigenschaften analysiert und miteinander verglichen. Die gemessenen dielektrischen Konstanten erstrecken sich von Werten im high-k-Bereich für monomere Komplexe bis hin zu den nahezu frequenzunabhängigen low-k-Werten der eindimensionalen Koordinationspolymere 1∞[MnCl2(TzH)] und 1∞[MnCl2(BtzH)2] sowie der Komplexe [ZnCl2(TzH)2] und [ZnCl2(BtzH)2]·BtzH.
Eigenschaftsmodifikationen und -optimierungen der synthetisierten Verbindungen er-folgten zum einen durch Erzeugung flexibler Kunststofffilme, in welche die eindimensionalen Koordinationspolymere 1∞[MCl2(TzH)] (M = Fe und Mn) eingebettet wurden. Zum anderen konnten in mechanochemischen Umsetzungen superparamagnetische Kompositpartikel bestehend aus einem Fe3O4/SiO2-Kern und einer kristallinen [ZnCl2(TzH)2]-Hülle erhalten werden, die in situ aus den Edukten ZnCl2 und TzH synthetisiert wurde.
Die vorliegende Arbeit untersucht mit Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS) die Korrelation von strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften auf metallischen Oberflächen. Zuerst wird der spin-aufgespaltene Oberflächenzustand des Ni(111) analysiert. Anschließend geht der Fokus über auf dünne Eisenfilme, die auf Rh(001) gewachsen
wurden. Zuletzt wird die CePt$_5$/Pt(111)-Oberflächenlegierung untersucht. Nickel ist ein bekannter Ferromagnet und die (111)-Oberfläche war in der Vergangenheit schon mehrfach das Objekt theoretischer und experimenteller Studien. Trotz intensiver Bemühungen wurden inkonsistente Ergebnisse veröffentlicht und ein klares, konsistentes Bild ist noch nicht vorhanden. Aus diesem Grund wird die Ni(111)-Oberfläche mittels RTM und RTS erforscht, die den Zugang sowohl zu besetzten als auch unbesetzten Zuständen ermöglicht. Mit der Methode der Quasiteilcheninterferenz wird eine detailierte Beschreibung der Banddispersion erhalten. Die Austauschaufspaltung zwischen Minoritäts- und Majoritätsoberflächenzustands wird zu ∆E$_{ex}$ = (100 ± 8) meV ermittelt. Der Ansatzpunkt des Majoritätsbandes liegt bei E − E$_F$ = −(160 ± 8)meV und die effektive Masse beträgt m^* = +(0,14 ± 0,04)me. Des Weiteren liegt der Ansatzpunkt der Oberflächenresonanz der Majoritätladungsträger energetisch bei E−E$_F$ = −(235±5)meV mit einer effektiven Masse von m^* = +(0,36±0,05)m$_e$. Um unmissverständlich den dominierenden Spin-Kanal in der RTS zu identifizieren, wurden hexagonale Quantentröge durch reaktives Ionenätzen hergestellt und mit der Hilfe eines eindimensionalen Quantentrogmodells interpretiert. Die sechs Kanten eines Hexagons erscheinen unterschiedlich. Atomar aufgelöste Messungen zeigen, dass gegenüberliegende Kanten nicht nur eine unterschiedliche Struktur haben sondern auch unterschiedliche spektroskopische Eigenschaften, die durch einen alternierend auftauchenden oder abwesenden spektroskopischen Peak charakterisiert sind. Magnetische Messungen ergeben allerdings keine endgültigen Ergebnisse bezüglich des Ursprungs des Beobachtungen.
Das zweite experimentelle Kapitel dreht sich um dünne Eisenfilme, die auf eine saubere Rh(001)-Oberfläche aufgebracht und diese dann mit RTM, RTS und spin-polarisierter (SP- )RTM untersucht werden. Eine nahezu defektfreie Rh(001)-Oberfläche ist notwendig, um ein Wachstum der Eisenfilme mit wenigen Defekten zu erhalten. Dies ist relevant, um das magnetische Signal korrekt interpretieren zu können und den möglichen Einfluss von Adsorbaten auszuschließen. Die erste atomare Lage Fe ordnet sich antiferromagnetisch in einer c(2 × 2)-Struktur an mit der leichten Magnetisierungsachse senkrecht zur Probenoberfläche. Die zweite und dritte Lage verhält sich ferromagnetisch mit immer kleiner werdenden Domänen für steigende Bedeckung. Ab 3,5 atomaren Lagen kommt es vermutlich zu einer Änderung der leichten Magnetisierungsrichtung von vertikal zu horizontal zur Probenebene. Dies wird durch kleiner werdende Domänengrößen und den gleichzeitig breiter werdenden Domänenwänden signalisiert. Temperaturabhängige spin-polarisierter RTM erlaubt es die Curietemperatur der zweiten Lage auf 80 K zu schätzen. Zusätzlich wurde bei dieser Bedeckung eine periodische Modulation der lokalen Zustandsdichte gemessen, die mit steigender Periodizität auch auf der dritten und vierten Lage erscheint. Temperatur- und spannungsabhängige Messungen unterstützen eine Interpretation der Daten auf der Grundlage einer Ladungsdichtewelle. Ich zeige, dass die beiden für gewöhnlich konkurrierende Ordnungen (Ladungs- und magnetische Ordnung) koexistieren und sich gegenseitig beeinflussen, was theoretische Rechnungen, die in Zusammenarbeit mit F. P. Toldin und F. Assaad durchgeführt wurden, bestätigen können.
Im letzten Kapitel wurde die Oberflächenlegierung CePt$_5$/Pt(111) analysiert. Diese System bildet laut einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung ein schweres Fermionengitter. Von der sauberen Pt(111)-Oberfläche ausgehend wurde die Oberflächenlegierung CePt$_5$/Pt(111) hergestellt. Die Dicke der Legierung (t in u.c.) lässt sich durch die aufgedampfte Menge an Cer variieren und die erzeugte Oberfläche wurde mit RTM und RTS für verschiedene Dicken unter- sucht. RTM-Bilder und LEED (engl.: low energy electron diffraction)-Daten zeigen konsistente Ergebnisse, die in Zusammenarbeit mit C. Praetorius analysiert wurden. Für Bedeckungen unter einer atomaren Lage Cer konnte keine geordnete Struktur mit dem RTM beobachtet werden. Für 2 u.c. wurde eine (2 × 2)-Rekonstruktion an der Oberfläche gemessen und für 3 u.c. CePt$_5$ wurde eine (3√3×3√3)R30◦-Rekonstruktion beobachtet. Der Übergang von 3 u.c. CePt5 zu 5 u.c. CePt$_5$ wurde untersucht. Mit Hilfe eines Strukturmodells schließe ich, dass es weder zu einer Rotation des atomaren Gitters noch zu einer Rotation des Übergitters kommt. Ab einer Bedeckung von 6 u.c. CePt5 erscheint eine weitere Komponente der CePt$_5$-Oberflächenlegierung, die keine Rekonstruktion mehr besitzt. Das atomare Gitter verläuft wieder entlang der kris- tallographischen Richtungen des Pt(111)-Kristalls und ist somit nicht mehr um 30^° gedreht. Für alle Bedeckungen wurden Spektroskopiekurven aufgenommen, die keinen Hinweis auf ein kohärentes schweres Fermionensystem geben. Eine Erklärung hierfür kommt aus einer LEED-IV Studie, die besagt, dass jede gemessene Oberfläche mit einer Pt(111)-Schicht terminiert ist. Das RTM ist sensitiv für die oberste Schicht und somit wäre der Effekt eines kohärenten schweren Fermionensystems nicht unbedingt messbar.
In der vorliegenden Arbeit werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften verschiedener 3d-Übergangsmetalloxidketten (TMO-Ketten) auf Ir(001) und Pt(001) untersucht. Diese weisen eine (3 × 1) Struktur mit periodisch angeordneten Ketten auf, die nur über die Sauerstoffbindung an das Substrat gekoppelt sind. Während die Struktur durch experimentelle und theoretische Untersuchungen bestätigt ist, liegen für die magnetischen Eigenschaften ausschließlich Rechnungen vor. Zur Überprüfung dieser theoretischen Vorhersagen wird die Methode der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) verwendet, die die Abbildung der magnetischen Ordnung mit atomarer Auflösung erlaubt.
Die Untersuchungen beginnen mit der Vorstellung der Ir(001) Oberfläche, die eine (5 × 1) Rekonstruktion aufweist. Eine Aufhebung dieser Rekonstruktion erreicht man durch das Heizen des Ir-Substrats in Sauerstoffatmosphäre unter Bildung einer (2 × 1) Sauerstoffrekonstruktion. Die Qualität der Oberfläche hängt dabei von der Wachstumstemperatur T und dem verwendeten Sauerstoffdruck pOx ab. Die bei T = 550°C und pOx = 1 × 10^−8 mbar hergestellte Sauerstoffrektonstruktion dient als Ausgangspunkt für die folgenden Präparationen von CoO2, FeO2 und MnO2-Ketten. Dazu wird jeweils eine drittel Monolage (ML) des Übergangsmetalls auf die Oberfläche des Substrates gedampft und die Probe unter Sauerstoffatmosphäre ein weiteres Mal geheizt. Auf diese Weise kann die (3 × 1) Struktur der bekannten Ketten bestätigt und die Gruppe der TMO-Ketten um die CrO2-Ketten erweitert werden.
In der einschlägigen Fachliteratur wurden Vorhersagen bezüglich der magnetischen Struktur der TMO-Ketten publiziert, wonach entlang und zwischen CoO2-Ketten eine ferromagnetische (FM) und für FeO2 und MnO2-Ketten eine antiferromagnetische (AFM-) Kopplung vorliegt.Während die Überprüfung dieser Vorhersagen mit SP-STM für CoO2 und CrO2-Ketten keine Hinweise auf magnetische Strukturen liefert, liegen bei FeO2 und MnO2-Ketten unterschiedliche magnetische Phasen vor. In der Tat kann
mit den experimentell gefundenen Einheitszellen die AFM-Kopplung entlang beider Ketten bestätigt werden. Im Gegensatz widersprechen die Kopplungen zwischen den Ketten den Berechnungen. Bei FeO2-Ketten liegt eine stabile FM Ordnung vor, die zu einer magnetischen (3 × 2) Einheitszelle mit einer leichten Magnetisierung in Richtung der Oberflächennormalen führt (out-of-plane). Die MnO2-Ketten weichen ebenfalls von der berechneten magnetischen kollinearen Ordnung zwischen benachbarten Ketten ab und zeigen eine chirale Struktur. Durch die Rotation der Mn-Spins um 120° in der Probenebenen (in-plane) entsteht eine magnetische (9 × 2) Einheitszelle, deren Periode durch neue DFT-Rechnungen bestätigt wird. Nach diesen Berechnungen handelt es sich um eine Spinspirale, die durch die Dzyaloshinskii-Moriya (DM-) Wechselwirkung bei einem Energiegewinn von 0,3 meV pro Mn-Atom gegenüber den kollinearen FM Zustand stabilisiert wird. Diese wird ähnlich wie bei bereits publizierten Clustern und Adatomen auf Pt(111) durch die Rudermann-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY-) Wechselwirkung vermittelt und erklärt den experimentell gefundenen einheitlichen Drehsinn der Spiralen.
Die RKKY-Wechselwirkung zeigt eine starke Abhängigkeit von der Fermi-Oberfläche des Substrats. Im folgenden Kapitel werden deshalb mit TMO-Ketten auf Pt(001) die strukturellen und magnetischen Eigenschaften auf einem weiteren Substrat analysiert, wobei zum Zeitpunkt der Arbeit nur die Existenz der CoO2-Ketten aus der Literatur bekannt war. Vergleichbar mit Ir(001) besitzt auch Pt(001) eine rekonstruierte Oberfläche, die sich aber stabil gegenüber Oxidation zeigt. Dadurch muss die drittel ML des Übergangsmetalls direkt auf die Rekonstruktion aufgedampft werden. Das Wachstum des Übergangsmetalls ist dabei von der Temperatur des Substrats abhängig und beeinflusst
das Ergebnis der nachfolgenden Oxidation. Diese erfolgt analog zum Wachstum der Ketten auf Ir(001) durch das Heizen der Probe in Sauerstoffatmosphäre und resultiert nur für das Aufdampfen des Übergangsmetalls auf kalte Pt(001) Oberflächen in Ketten mit der Periode von 3aPt. Auf diese Weise kann nicht nur die (3 × 1) Struktur der CoO2-Ketten bestätigt werden, sondern auch durch atomare Auflösung die Gruppe der TMO-Ketten um MnO2-Ketten auf Pt(001) erweitert werden. Im Gegensatz dazu sind die nicht magnetischen Messungen im Fall von Fe nicht eindeutig. Zwar liegen
auch hier Ketten im Abstand des dreifachen Pt Gittervektors vor, trotzdem ist die (3 × 1) Struktur nicht nachweisbar. Dies liegt an einer Korrugation mit einer Periode von 2aPt entlang der Ketten, was ein Hinweis auf eine Peierls Instabilität sein kann.
Entsprechend dem Vorgehen für Ir(001) werden für die TMO-Ketten auf Pt(001) SP-STM Messungen durchgeführt und die Vorhersage einer AFM-Kopplung für CoO2-Ketten überprüft. Auch hier können, wie im Fall von CoO2-Ketten und im Widerspruch zur Vorhersage, für beide Polarisationsrichtungen der Spitze keine magnetischen Strukturen gefunden werden. Darüber hinaus verhalten sich die MnO2-Ketten auf Pt(001) mit ihrer chiralen magnetischen Struktur ähnlich zu denen auf Ir(001). Dies bestätigt die Annahme einer indirekten DM-Wechselwirkung, wobei durch die 72° Rotation der Mn-Spins eine längere Periode der zykloidalen Spinspirale festgestellt wird. Die Erklärung dafür liegt in der Abhängigkeit der RKKY-Wechselwirkung vom Fermi-Wellenvektor des Substrats, während sich die DM-Wechselwirkung beim Übergang von Ir zu Pt nur wenig ändert.
Time-resolved spectroscopy allows for analyzing light-induced energy conversion and
chromophore–chromophore interactions in molecular systems, which is a prerequisite in
the design of new materials and for improving the efficiency of opto-electronic devices.
To elucidate photo-induced dynamics of complex molecular systems, transient absorption
(TA) and coherent two-dimensional (2D) spectroscopy were employed and combined
with additional experimental techniques, theoretical approaches, and simulation models
in this work.
A systematic series of merocyanines, synthetically varied in the number of chromophores
and subsitution pattern, attached to a benzene unit was investigated in cooperation with
the group of Prof. Dr. Frank Würthner at the University of Würzburg. The global analysis
of several TA experiments, and additional coherent 2D spectroscopy experiments, provided
the basis to elaborate a relaxation scheme which was applicable for all merocyanine
systems under investigation. This relaxation scheme is based on a double minimum on the
excited-state potential energy surface. One of these minima is assigned to an intramolecular
charge-transfer state which is stabilized in the bis- and tris-chromophoric dyes by
chromphore–chromophore interactions, resulting in an increase in excited-state lifetime.
Electro-optical absorption and density functional theory (DFT) calculations revealed a
preferential chromophore orientation which compensates most of the dipole moment of
the individual chromophores. Based on this structural assignment the conformationdependent
exciton energy splitting was calculated. The linear absorption spectra of the
multi-chromophoric merocyanines could be described by a combination of monomeric and
excitonic spectra.
Subsequently, a structurally complex polymeric squaraine dye was studied in collaboration
with the research groups of Prof. Dr. Christoph Lambert and Prof. Dr. Roland Mitric
at the University of Würzburg. This polymer consists of a superposition of zigzag and
helix structures depending on the solvent. High-level DFT calculations confirmed the previous
assignment that zigzag and helix structures can be treated as J- and H-aggregates,
respectively. TA experiments revealed that in dependence on the solvent as well as the
excitation energy, ultrafast energy transfer within the squaraine polymer proceeds from
initially excited helix segments to zigzag segments or vice versa. Additionally, 2D spectroscopy
confirmed the observed sub-picosecond dynamics. In contrast to other conjugated
polymers such as MEH-PPV, which is investigated in the last chapter, ultrafast
energy transfer in squaraine polymers is based on the matching of the density of states
between donor and acceptor segments due to the small reorganization energy in cyanine-like
chromophores.
Finally, the photo-induced dynamics of the aggregated phase of the conjugated polymer
MEH-PPV was investigated in cooperation with the group of Prof. Dr. Anna Köhler at the University of Bayreuth. Our collaborators had previously described the aggregation of MEH-PPV upon cooling by the formation of so-called HJ-aggregates based on exciton
theory. By TA measurements and by making use of an affiliated band analysis distinct
relaxation processes in the excited state and to the ground state were discriminated. By
employing 2D spectroscopy the energy transfer between different conjugated segments
within the aggregated polymer was resolved. The initial exciton relaxation within the
aggregated phase indicates a low exciton mobility, in contrast to the subsequent energy
transfer between different chromophores within several picoseconds.
This work contributes by its systematic study of structure-dependent relaxation dynamics
to the basic understanding of the structure-function relationship within complex
molecular systems. The investigated molecular classes display a high potential to increase
efficiencies of opto-electronic devices, e.g., organic solar cells, by the selective choice of
the molecular morphology.
This publication is dedicated to investigate strong light-matter coupling with excitons in 2D materials. This work starts with an introduction to the fundamentals of excitons in 2D materials, microcavities and strong coupling in chapter 2. The experimental methods used in this work are explained in detail in chapter 3. Chapter 4 covers basic investigations that help to select appropriate materials and cavities for the following experiments. In chapter 5, results on the formation of exciton-polaritons in various materials and cavity designs are presented. Chapter 6 covers studies on the spin-valley properties of exciton-polaritons including effects such as valley polarization, valley coherence and valley-dependent polariton propagation. Finally, the formation of hybrid-polaritons and their condensation are presented in chapter 7.