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Item Open Access Precipitation of nitrides in iron-based binary and ternary alloys; influence of defects and transformation-misfit stresses(2015) Akhlaghi, Maryam; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)The initial microstructure of the unnitrided specimen has a significant influence on the nitriding response of binary Fe-Me (Me: Mo or Al) alloys specimens. This effect was not investigated until now for the case of nitrided ternary Fe-Me1-Me2 alloys, the role of the initial microstructure was studied upon nitriding Fe-4.1 at.% Cr-7.9 at.% Al specimens. To this end, the recrystallized and cold-rolled specimens were nitrided at low nitriding temperature of 400 °C. Upon precipitation of misfitting coherent nitrides during nitriding of thin-foils of binary Fe-Me (Me: Cr and V) alloys, a hydrostatic tensile lattice-stain component results from the elastic accommodation of volume misfit of nitrides and ferrite matrix. The change of the ferrite-matrix lattice parameter can be traced upon precipitation of the nitrides by X-ray diffraction measurements. The theory originally developed for the case of imperfections (by Eshelby) in solids can be applied for quantitatively describing the lattice-parameter changes of the matrix, the nitrides and the aggregate (matrix+ nitrides) as function of volume fraction and type of nitrides.Item Open Access Referenzmodell zur Gestaltung der Serviceorganisation in Unternehmen der Raumfahrtbranche zum Betrieb bemannter Raumfahrtsysteme(2013) Forster, Christoph; Westkämper, Engelbert (Univ. Prof. em. Dr.-Ing. Prof. e. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. mult.)Aufgrund der stark fortschreitenden industriellen und kommerziellen Nutzung des Weltraums, der Verlagerung von bemannten Raumfahrtaktivitäten auf Industrieunternehmen und aufgrund von Trends wie dem Weltraumtourismus gewinnt in Unternehmen der Raumfahrtbranche der Service für Betrieb und Nutzung bemannter Raumfahrtsysteme neben dem ursprünglichen Kerngeschäft der Entwicklung und Herstellung dieser Systeme zunehmend an Bedeutung. Zugleich aber stellt dies die Unternehmen vor große Herausforderungen. Bei der praktischen Umsetzung der Gestaltung einer serviceorientierten Prozessorganisation und der Serviceprozesse für den Betrieb von bemannten Raumfahrtsystemen sind erhebliche Probleme in den Raumfahrtunternehmen zu beobachten, da derzeit keine methodischen Hilfsmittel für die operative Gestaltung des Service zum Betrieb bemannter Raumfahrtsysteme existieren. Das in dieser Arbeit entwickelte und realisierte Referenzmodell schließt diese bestehende methodische Lücke und stellt die allgemeingültigen und unternehmensübergreifenden Serviceprozesse sowie die prozess- und kundenorientierte Serviceablauforganisation für den Betrieb bemannter Raumfahrtsysteme dar. Das Referenzmodell ist durch die End-to-End-Betrachtung der Serviceprozesse ein konsistentes Modell, das durch einen modularen hierarchischen Aufbau sowie eine Dekomposition in die Funktionssicht und die Prozesssicht auf der Fachebene gekennzeichnet ist. Entsprechend dem prozessfokussierten Anwendungszweck ist das Modell in 6 Prozesskategorien, 18 Prozessbausteine und 225 Basisfunktionen aufgegliedert und strukturiert. Das Referenzmodell ist dazu geeignet, Unternehmen der Raumfahrtbranche bei der Gestaltung und Verbesserung der Serviceprozesse sowie der Gestaltung einer serviceorientierten Prozessorganisation für den Betrieb bemannter Raumfahrtsysteme während der gesamten Nutzungsphase zu unterstützen. Dabei steht die Effektivitätsverbesserung der Serviceprozesse im Vordergrund. Für die Wiederverwendung des Referenzmodells wird eine Vorgehensweise zur Gestaltung unternehmensspezifischer Serviceprozessmodelle auf Basis des entwickelten Referenzmodells und der wiederverwendbaren Referenzmodellelemente (Prozesskategorien, Prozessbausteine, Basisfunktionen) entwickelt. Das Referenzmodell und die Methode zu seiner Wiederverwendung werden in zwei Anwendungsfällen zur Gestaltung spezifischer Serviceprozessmodelle in Unternehmen der Raumfahrtbranche für den Betrieb eines bemannten Raumfahrtsystems verifiziert. Dabei wird die die Eignung des Referenzmodells zur Gestaltung effektiver und effizienter Serviceprozesse für den Betrieb bemannter Raumfahrtsysteme nachgewiesen.Item Open Access Formation of lath martensite(2015) Löwy, Sarah; Mittemeijer, Eric Jan (Prof. Dr. Ir.)In this thesis the formation of different lath martensites was investigated upon cooling, particularly with regard to the mechanisms contributing to the transformation process. Upon very slow cooling of different Fe-Ni alloys and a maraging steel, all forming lath martensite, a discontinuous transformation behaviour was observed. This modulation of the transformation rate is ascribed to the interplay of chemical driving force, developing strain energy and its relaxation upon slow cooling. It is proposed that the modulation is caused by simultaneous formation of blocks in different martensite packages. Additionally, the influence of the Ni content on the transformation behaviour is presented as well as the influence of an externally applied force.Item Open Access Polymer electrolyte membrane degradation and mobility in fuel cells : a solid-state NMR investigation(2010) Ghassemzadeh Khoshkroodi, Lida; Müller, Klaus (Prof. Dr.)It is generally believed that fuel cells will play an important role in energy technology already in the near future. Operating polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) at temperatures higher than 100 °C and reduced humidity is anticipated to avoid most of the shortcomings associated with the low-temperature fuel cell operation, such as CO poisoning of the electrode catalysts, slow electrode kinetics of the oxygen reduction reaction and expensive water/thermal management. To date, the operation temperature of PEMFCs is limited to about 90 °C, and this limit is given by the properties of the perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer, Nafion, which is commonly used as a separator material. Apart from the proton conductivity decay at higher temperature and lower humidification, it is also the limited stability of Nafion preventing it from long term operation. Despite the high stability of the PTFE backbone in Nafion, severe deterioration is observed during fuel cell operation. Formation of pinholes and cracks, thinning of the membranes and decrease of ion exchange capacity were reported. The fluorine release indicated that the bond cleavage process takes place under fuel cell operating conditions. Bond cleavage was initially believed to proceed from radical attacks to the carboxyl groups terminating the PTFE backbone of Nafion, and it was claimed to be controlled by the endcapping of the polymer backbone with a CF3 group. However, the release of fluoride was reported even after endcapping of the materials. The observations proved that bond cleavage limits the stability of PFSA membranes, but the elementary reactions and consequences on the membrane microstructure are not fully understood yet. In this work, it has been tried to get new insights into the problems of long term stability of polymer electrolytes for low temperature fuel cells. The aim was to identify the changes in the chemical structure of the membrane after operating in a fuel cell. This understanding is essential for extending the operation limit of PFSA-type membranes by either improving the membrane properties or adjusting the conditions within the running fuel cell. In the present work, therefore the changes taking place in PFSA membranes after applying in-situ and ex-situ aging protocols have been investigated. While the in-situ experiments provide a global picture, the analysis of membranes after ex-situ tests, with various conditions, allows the separation of different types of reactions. In previous studies the degradation changes were mainly monitored by analyzing the released water of the fuel cell or by using the liquid ionomers. In this work with the help of solid-state NMR spectroscopy, the direct study of the chemical structure and dynamics of the polymer membranes before and after the degradation tests became possible. The structural changes in different parts of the PFSA membranes were first inspected after an in-situ aging test. These examined membranes (Nafion and Hyflon Ion) differed by the length of the side chains. The comparison of the solid-state 13C and 19F NMR data of polymers before and after the in-situ degradation test showed that changes can take place not only in the main chain of the polymer, but also within the polymer side chains, as reflected by changes of NMR signals associated with CFSO3, CF3, OCF2 and CF groups. The degree of degradation is found to decrease with increasing membrane thickness while for a given thickness the short side chain polymer, Hyflon Ion, appears to degrade less than Nafion. In order to understand the reason for these observations, a new ex-situ method has been developed to mimic the degradation of polymer electrolyte membranes in PEM fuel cells (caused by the cross-leakage of H2 and O2). In this ex-situ setup, it was possible to expose membranes to flows of different gases with controlled temperature and humidity. H+-form Nafion films with and without electrode layer (Pt) have been treated in the presence of different gases in order to simulate the anode and cathode side of a PEMFC. The changes of the chemical structure occurring during the degradation tests were primarily examined by solid-state 19F NMR spectroscopy. For completion, liquid-state NMR studies and ion exchange capacity measurements were performed. It was found that degradation occurs only when both H2 and O2 are present (condition of gas cross-leakage), and when the membrane is coated with Pt catalyst. The chemical degradation rate is found to be highest for H2-rich mixtures of H2 and O2, which corresponds to the conditions at the anode under OCV. It is further shown that side chain disintegration is very important for chemical degradation, although backbone decomposition also might take place. The fact that in-situ degradation effects were reproduced by the present ex-situ experiments, suggest that membrane degradation in a running fuel cell is mainly the consequence of chemical aging. Detecting the degradation for the membranes coated with Pt in the presence of both gases, H2 and O2, points toward the importance of radicals in the degradation process, which in a running fuel cell (in-situ conditions) may only form in the presence of some gas cross-over, allowing H2 and O2 to react at the Pt catalyst of the anode or cathode structure. Since the gas cross-over increases for the thinner Nafion membrane, these results indirectly explain the higher degradation rate of thin Nafion in the in-situ degradation test. The chemical degradation and stability of PFSA membranes against radical attacks was also investigated in a Fenton ex-situ degradation test. Liquid and solid-state NMR as well as ATR-FTIR spectroscopy were applied to the samples before and after the Fenton reaction. A Comparison of the degradation rate of Nafion and Hyflon Ion in the ex-situ Fenton test again proved that the Hyflon Ion membrane is more stable than Nafion. Comparing the degradation rate of the side chain in these two polymers showed that the stability of Hyflon Ion is mainly due to the shortening of the side chain in this polymer. Hence, the absence of one ether group and the tertiary carbon reduces the degradation rate of the side chain and makes this polymer less sensitive to the radical attacks than Nafion. For the performance of a membrane not only the chemical structure but also the polymer dynamics is important. Therefore the molecular mobility of the ionomer was investigated by variable temperature 19F NMR lineshape, T1 and T1ρ relaxation experiments. The decrease of the temperature dependent linewidth was explained by the reduction of static disorder in the Nafion membrane. From the relaxation data there was evidence for structural annealing, which is independent of the chemical degradation. Chemical degradation is considered to reduce the chain flexibility (i.e. the motional amplitudes), which may be explained by chain cross-linking and condensation reaction for the side chains. To overcome the problem of Nafion's low conductivity at temperatures above 100 °C and low relative humidity, also composite membranes were introduced. These membranes consist of Nafion modified by inorganic oxide additives. It has been reported that under dry conditions, these membranes show enhanced water uptake and water diffusion when compared with filler-free Nafion. In order to understand the reason for the better performance of these polymers, the impact of the oxide particles on the polymer dynamics has been investigated. [Nafion/(SiO2)x] composite membranes in the dry and wet state with x ranging from 0 to 15 w/w% were investigated by variable temperature solid-state 19F NMR spectroscopy. 19F T1 and T1ρ relaxation times and NMR lineshapes were analyzed in order to get details about the polymer mobility. It is concluded that solid oxide SiO2 particles play an important role in stabilizing the chemical structure and morphology of the polymer especially in the dry state. The filler particles lead to higher mobility of polymer chains, if the filler content has an optimized value of about 9 w/w%. The results were further supported by comparing the sideband intensity as well as the linewidth in 19F NMR and recording the 19F{1H} CP/MAS NMR spectra. Furthermore, it has been shown that the structure of composite membranes is more stable after dehydration and possible condensation reactions are less likely in these membranes. The presence of filler particles decrease the chance for morphology changes and close packing of polymer chains in the dry state. Also the decrease of ionic exchange capacity after dehydration is less severe for the composite membrane as compared to filler-free Nafion. In conclusion, the present results provide a complete picture of solid membrane before and after degradation and of possible mechanisms for radical formation and radical attacks to the polymer. In addition, it is shown which changes can occur in the morphology of polymer chains in low humidification and high temperature. Some general suggestions for the better performance of polymer electrolyte membrane are therefore: For improving the performance of polymer electrode membrane, the sources for the radical formation in the fuel cell should be controlled. This can be possible to some extend by avoiding the use of iron end plates in the fuel cells. Also the chance for the gas crossover through the membrane should be decreased. Thicker membranes show less gas cross-over. By taking into account the higher resistivity of thicker membranes, an optimized membrane thickness should be selected. Hydrocarbon sulfonated polyetherketones possess narrower hydrophilic channels which significantly reduce electroosmotic drag, water permeation as well as gas cross-over. Also the short side chain perfluorinated polymer, Hyflon Ion, with lower electroosmotic drag of water should possess a reduced gas cross-over though the membrane. The more efficient way for decreasing degradation is to use membranes which are stable against radical attacks. At this point the perfluorinated polymers are still the best available membranes. Endcapping of the backbone in these polymers and decreasing the concentration of reactive end groups like COOH during the polymer manufacturing process can significantly decrease degradation. To minimize degradation of the side chains in perfluorinated polymers, short side chain polymers are suggested because of less reactive groups for the radical attacks and higher concentration of acidic groups. When higher operation temperatures are required, composite Nafion membranes might be used. The higher stability of these membranes makes them advantageous for operating at evaluated temperatures and low relative humidity. The novel results from the present work lead to a better understanding of membrane degradation, which still represents a serious problem for fuel cells under operation conditions, and provide important indications for future developments of membranes with improved performance for alternative energy conversion devices.Item Open Access Vortex-Kern-Korrelation in gekoppelten Systemen(2014) Jüllig, Patrick; Schütz, Gisela (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wurden strukturierte ferromagnetische Dreischichtsysteme zum einen auf ihre statische in-plane- sowie out-of-plane-Magnetisierungsverteilung als auch auf deren dynamisches Verhalten hin untersucht. Die sowohl quadratischen als auch kreisförmigen Strukturen bestanden aus zwei ferromagnetischen Lagen mit einer Dicke von jeweils 50nm, welche durch eine nicht magnetische Cu-Zwischenschicht getrennt waren. Die Dicke dieser Zwischenschicht variierte schrittweise von t(Cu)=3nm bis 15nm. Als Magnetmaterialien kamen für die untere Schicht Kobalt (Co) und für die obere Schicht das magnetisch isotrope Permalloy (Ni80Fe20) zum Einsatz. Die lateralen Abmessungen sowie das Aspektverhältnis der beiden Einzelschichten wurden so gewählt, dass der Vortexzustand die stabile Domänenkonfiguration ist. Somit resultierten zwei vertikal übereinander angeordnete Vortexkonfigurationen, sodass deren Wechselwirkung sowohl im statischen als auch im dynamischen Fall untersucht werden konnte. Aufgrund der gewählten Cu-Schichtdicke von mindestens 3nm war gewährleistet, dass die Kopplung der in-plane-Schichtmagnetisierung hauptsächlich durch die elektrostatische Streufeldenergie beeinflusst wurde und somit der Beitrag der Oszillatorischen Zwischenschichtaustauschwechselwirkung vernachlässigt werden konnte. Im Falle zweier vertikal übereinander angeordneter Vortexstrukturen kann man bezüglich der Zirkulation C (beschreibt die Orientierung der in-plane-Magnetisierung) und der Polarisation P (beschreibt die Orientierung der out-of-plane-Komponente des Vortexkerns) unter Berücksichtigung der Symmetrie vier verschiedene Konfigurationen voneinander unterscheiden: Die beiden Fälle, bei denen C und P jeweils bzw. orientiert sind, sowie die beiden Fälle, bei denen lediglich C oder P parallel ausgerichtet ist. Der erste Schritt dieser Arbeit bestand in der Probenpräparation. Als Strukturierungsverfahren kamen zum einen das Ionenstrahlätzen und zum anderen die Elektronenstrahllithographie zum Einsatz. Anhand von Röntgenbeugungsexperimenten konnte herausgefunden werden, dass beide Schichtmaterialien, sowohl das Permalloy als auch das Kobalt, eine polykristalline, fasertexturierte Schichtstruktur mit einer fcc-Gitterstruktur aufwiesen. Diese Erkenntnisse waren vor allem für die korrekte Parameterwahl für die nachfolgend durchgeführten mikromagnetischen Simulationen von großer Bedeutung. Messungen der Oberflächenrauigkeiten mittels des AFM ließen darauf schließen, dass neben dem Beitrag der Streufeldenergie ebenso korrelierte bzw. unkorrelierte Zwischenschichtrauigkeiten zur gegenseitigen Ausrichtung der in-plane-Schichtmagnetisierungen beitrugen. Mit Hilfe von SQUID-Messungen bei T=40K an unstrukturierten Co/Cu/Py-Dreischichtsystemen konnte nachgewiesen werden, dass erst für Proben mit Cu-Schichtdicken ab t(Cu)=2,0nm beide ferromagnetische Materialien chemisch voneinander getrennt vorlagen und keine direkte ferromagnetische Kopplung aufgrund von sogenannten Pinholes auftrat. Somit konnte geschlussfolgert werden, dass erst ab einer Dicke von t(Cu) größer gleich 2,0nm eine vollständig geschlossene Cu-Schicht vorlag. Die ersten statischen in-plane-Messungen am STXM zeigten, dass Proben, welche im as-sputtered Zustand eine undefinierte metastabile Mehrdomänenkonfigurationen aufwiesen, durch einen Entmagnetisierungsprozess in den stabilen Vortexzustand überführt werden konnten. Neben antiparallel gekoppelten Systemen bezüglich der Zirkulation C wurden mit einer ähnlich hohen Wahrscheinlichkeit Proben mit einer parallelen Ausrichtung der in-plane-Magnetisierung gefunden. Dies zeigte, dass die Kopplung der Schichtmagnetisierungen nicht allein durch die Streufelder realisiert wurde, sondern ein weiterer Beitrag hinzukam, dessen Ursache mit hoher Wahrscheinlichkeit in den Zwischenschichtrauigkeiten zu finden war. Statische mikromagnetische Simulationen an quadratischen Co/Spalt/Py-Strukturelementen haben gezeigt, dass die in-plane-Magnetisierungsverteilung der Systeme mit C=parallel eine merklich verzerrte Landaustruktur aufwies. Zudem lag bei Konfigurationen mit P=antiparallel ein lateraler Shift bezüglich der Gleichgewichtspositionen der Kerne vor, was aufgrund der Interaktion der out-of-plane-Streufelder zu erwarten war. Dies spiegelte sich auch in der Energiebetrachtung wieder, wobei die beiden Systeme mit der Konfiguration C=parallel deutlich höhere Gesamtenergien aufwiesen als diejenigen mit C=antiparallel. Allgemein lagen im Falle von parallelen Kernpolarisationen die Energiewerte etwas niedriger als bei antiparallel ausgerichteten Kernen. Die dynamische Anregung der ferromagnetischen Schichtsysteme wurde experimentell mittels eines in-plane-Magnetfeldpulses realisiert, welcher durch die lineare Stripline generiert wurde. Die Pulsdauer betrug je nach Element 0,5 bis 1,6ns, und bezüglich der Pulsamplitude mussten Feldstärken von B(Puls)=3,1mT bis zu 6,0mT angelegt werden, um eine Gyrationsbewegung beobachten zu können.Item Open Access Herstellung, Charakterisierung und Weiterverarbeitung von Carbon Nanotube Dispersionen(2013) Moller, Björn P.; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat)Ziel dieser Arbeit ist es, das Dispergierverhalten von Carbon Nanotubes systematisch zu untersuchen, und die Einflussgrößen zur Herstellung optimierter sowohl wässriger als auch lösemittelbasierter Dispersionen zu bewerten. Aus diesen Dispersionen wurden dann sowohl reine CNT-Membranen als auch Polymer-Komposit-Membranen entwickelt und charakterisiert. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in sechs Hauptkapitel. Nach einer Einführung, die die Moti-vation und Zielsetzung der Arbeit darlegt, werden in Kapitel 2 die zum Verständnis notwendigen theoretischen Grundlagen und in Kapitel 3 der aktuelle Stand der Wissenschaft dargestellt. Kapitel 4 beschreibt die in dieser Arbeit verwendeten Materialien und Methoden. Hierbei werden neben den unterschiedlichen Carbon Nanotubes und den physikalischen Prinzipien der ver-wendeten Messmethoden auch die einzelnen Verfahrenschritte zur Herstellung von CNT-Sheets sowie CNT-Polymer-Komposit Flachmembranen erläutert. Die in Kapitel 5 vorgestellten Ergebnisse gliedern sich in drei wesentliche Aspekte. Erstens die Herstellung von CNT-Dispersionen und die Bewertung der Einflussgrößen. Hierbei zeigt sich bei der Untersuchung unterschiedlicher Dispergiermethoden wie Hochdruckdispergierung, Ultra-Turrax oder Kugelmühle, dass nur die Ultraschalldispergierung in der Lage ist, die Kräfte aufzubringen, die für das Aufbrechen von CNT-Agglomeraten sowie zur homogene Verteilung isolierter Nanotubes notwendig sind. Beim Vergleich unterschiedlicher Lösemittel wurde die Dispergierfähigkeit in herkömmlichen Lösemitteln wie Ethanol, Aceton oder Dimethylformamid (DMF) mit weiteren Lösemitteln wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und ionischen Flüssigkeiten verglichen. Es zeigt sich, dass neben NMP und NEP (N-Ethyl-2-pyrrolidon) auch Pyrrolidon und Pyridin gute CNT-Dispersionen ergeben. Grund hierfür ist möglicherweise die Ähnlichkeit der chemische Struktur der Stoffe. So weisen NEP, NMP und Pyrrolidon einen Ring aus vier Koh-lenstoff und einem Stickstoffatom auf, im Fall von Pyridin handelt es sich um einen Benzolring, bei dem ein Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom subsituiert. Untersuchungen zum Einfluss der Oberflächenenergie konnten die in der Literatur postulierte These bestätigen, dass sich CNTs besser dispergieren lassen, je ähnlicher sich die Oberflä-chenenergien von CNT und Lösemittel sind. Eine Annäherung der Oberflächenenergie von CNTs an die Oberflächenenergie des Lösemittels wurde mittels Plasmamodifkation durchgeführt, und somit eine verbesserte Dispergierbarkeit erreicht. Als zweiter Aspekt wurde die Einsatzmöglichkeit von reinen CNT-Sheets (Bucky Papern) als Membran untersucht. Hierzu wurden drei Ansätze verfolgt: Schaltbare Membranen, Adsorpti-onsmembranen und heizbare Membranen. Während im Fall der Adsorptionsmembranen sowie der heizbaren Membranen die grundsätzliche Machbarkeit gezeigt werden konnte, muss der Einsatz von CNT-Sheets als schaltbare Membranen als nicht realisierbar angesehen werden. In keiner Messung konnte ein Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Filtrationseigenschaften nachgewiesen werden. Der dritte Aspekt setzt den Schwerpunkt auf die Herstellung und Charakterisierung von CNT-Polymer-Kompositen für den Einsatz als Flachmembranen. Die Erkenntnisse der Dispergierversuche wurden genutzt, um aus optimierten CNT-Dispersionen Polymer-Komposite in Form von Polysulfon-Flachmembranen herzustellen. Optische Messungen zeigten, dass auch bei einer optimalen Vereinzelung und homogenen Verteilung von CNTs, ein Füllgrad von 1 Gew.-% ausreicht, um ein Absenken der Transmission von 80% auf 50% zu bewirken. Durch geeignete Wahl der Dispergierparameter konnte jedoch eine elektrische Leitfähigkeit von bis zu 1 S/m erreicht werden. Die hergestellten Membranen zeigen vielversprechende erste Ergebnisse, z.B. in ihren Seperationseigenschaften. Ein systematischer Zusammenhang zwischen Füllgrad und Membraneigenschaften, wie elektrischer Leitfähigkeit oder mittlerem Porendurchmesser, konnte jedoch noch nicht experimentell bestätigt werden. Kapitel 6 schließt diese Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick ab. Dank der durchgeführten Experimente sowie der gewonnenen Erkenntnisse und Schlussfolgerungen können in Zukunft optimierte CNT-Dispersionen aus unterschiedlichem MWCNT-Rohmaterial hergestellt werden. Es ist dadurch möglich, Polymer-Komposite herzustellen, die eine homogene Verteilung vereinzelter CNTs zeigen und somit bereits bei geringen Füllgraden signifikante Veränderungen in physikalischen Eigenschaften wie z.B. der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. Eine Optimierung sollte jedoch auf das Polymersystem angepasst werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse können genutzt werden, um den „bottleneck“ der schlechten Dispergierbarkeit von Carbon Nanotubes teilweise zu beseitigen. Dies ist ein wichtiger Schritt, um in Zukunft die Eigenschaften dieses außergewöhnlichen Materials in industriellem Maßstab nutzen zu können.Item Open Access Ab-initio modeling of ultrafast demagnetization after laser irradiation in nickel, iron and cobalt(2013) Illg, Christian Michael; Fähnle, Manfred (Prof. Dr.)This work deals with ultrafast demagnetization within few hundred femtoseconds after laser pulse irradiation in nickel, iron and face-centered cubic (fcc) cobalt. It is examined with ab-initio density-functional theory and physical modeling whether the electron-phonon spin-flip scattering can be considered as underlying mechanism for ultrafast demagnetization.Item Open Access Ab initio thermodynamic study of defective strontium titanate(2013) Blokhin, Evgeny; Maier, Joachim (Prof. Dr.)In the presented thesis the perfect and defective SrTiO3 bulk crystals and their (001) surfaces are considered on ab initio level. Since the experimental study of the complex defective systems is comparatively expensive and difficult, and the computer performance has been greatly increased in the last years, the ab initio modeling became very efficient tool to be applied in this field. Additionally, there is a significant industrial demand for the investigation and improvements of the performance of the perovskite-based electrochemical devices, e.g. solid oxide fuel cells and permeation membranes. Finally, there is a lack of methodological studies on defect thermodynamics. The oxygen vacancies and iron impurities, as well as their complexes, are the characteristic defects in SrTiO3 perovskite material. The understanding of basic defect properties and defect-induced phenomena under realistic external conditions requires calculation of thermodynamic properties (the free energy and entropy effects). Thus, thesis is focused on atomic vibrations, i.e. phonons, which are necessary to go beyond standard 0°K approximation and to provide a link to the thermodynamic properties at finite temperatures. This is necessary for a realistic treatment of electrochemical devices. The chosen ab initio modeling scheme is found to ensure the most accurate description simultaneously for the structural, electron and phonon properties of the perfect SrTiO3. Namely, the splitting of the phonon frequencies due to the antiferrodistortive phase transition at 105°K is confirmed to be very small (2–12 cm-1). The experimental temperature dependence of the SrTiO3 heat capacity is also successfully reproduced. Further, the modeling scheme is applied for thermodynamic treatment of oxygen vacancies and iron impurities in SrTiO3 at finite temperatures. The calculated phonon densities of states and group-theoretical study of the defect-induced phonon frequencies are used for the experiment analysis. Several defect-induced local phonon modes are identified, and the experimental Raman- and IR-spectroscopy data are interpreted. The Jahn-Teller-type local lattice distortion around both Fe4+ impurity and oxygen vacancy VO is shown to result in Raman- and IR-active phonons. In particular, the experimentally observed Raman frequency near 700 cm-1 is shown to arise for both defects due to a local O ion stretching vibration nearby the Jahn-Teller defect. However, an absence of such a frequency in an experimental phonon spectrum is found to be a manifestation of formation of Fe3+–VO complexes with oxygen vacancies in the first coordination sphere of iron impurities. The Gibbs formation energy calculated for the neutral oxygen vacancies in bulk SrTiO3 taking into account the phonon contribution is found to be in excellent agreement with the experiment. The phonon contribution to the formation energy is shown to increase with temperature, to about 5% above 1000°K. The predicted relative stability of several structural complexes of oxygen vacancy and iron impurity in SrTiO3 is confirmed by known experimental measurements. Several structural models of such Fe3+–VO complexes in SrTiO3 are discriminated according to the XANES and EXAFS experiments. On an example of SrO-terminated SrTiO3 ultrathin films, the one-dimensional confinement effect on the vacancy formation energy is found to be inconsiderable at 0°K. The phonon contribution to the Gibbs free energy of VO formation in such ultrathin films at finite temperatures is shown to be minor. This suggests the further account of anharmonic effects is required. The workflow developed in thesis is proposed for the modeling of wide class of defects in non-metallic solids. Several auxiliary computer tools were designed in order to simplify such possible studies.Item Open Access Ultrafast spectroscopy of single quantum dots(2012) Wolpert, Christian; Lippitz, Markus (Juniorprofessor Dr.)In this thesis, the coherent interaction of single semiconductor quantum dots and ultrafast optical pulses is studied. Under certain conditions, localized exciton transitions in quantum dots can be seen as semi-isolated two-level systems. While this description is sufficient for the explanation of some observations in coherent experiments, it is sometimes necessary to explicitly consider coupling of the discreet quantum states confined to the dot with the environment. We start out from simple, classical examples of coherent spectroscopy and then turn towards experiments where the interaction with the vicinity of the dot becomes an important factor. First, a novel method for transient differential reflectivity spectroscopy of single quantum systems is introduced. It is a pure far-field optical technique which does not require any sophisticated sample preparation steps which makes it applicable to a broad range of structures. Pump pulses excite the sample structure and probe pulses read out the pump-induced changes in the system after a variable delay time. In the case of a single dipole, the signal is given in the form of the spectral inteferogram between the backscattered wave from the particle and the probe light which is reflected at the sample surface. This form of homodyne detection amplifies the weak scattered wave from the particle and thus makes this kind of spectroscopy for single quantum dots feasible. In the remainder of this thesis our spectroscopic method is applied to either characterize the coherent properties of single quantum dots, to prepare and read-out a desired quantum state or to deliberately manipulate them. Coherence times and oscillator strengths are determined for localized exciton transitions. Arbitrary population states can be written by driving coherent population oscillations using resonant pulses, while entangled superpositions of two exciton states in a single dot are investigated by quantum beats on transient differential spectra. We finally exploit the interaction between the dot and a nearby absorbing layer to switch the dot's absorption spectrum on ultrafast timescales via light-induced transient electric fields.Item Open Access Mixed-conducting (Ba,Sr)(Co,Fe,Zn)O3-δ as cathode material for proton-conducting ceramic fuel cells : defect chemistry and oxygen reduction mechanism(2014) Pötzsch, Daniel; Maier, Joachim (Prof. Dr.)In the present study mixed-conducting solid oxides with perovskite structure are investigated regarding their applicability as oxygen electrode (cathode) in solid oxide fuel cells based on proton-conducting electrolyte membranes. This type of high temperature fuel cells is a promising device as it may allow one to decrease the operating temperature. At reduced temperatures the overpotential of the cathode dominants over all contributions to the performance of the fuel cell. Hence, it is mandatory to systematically and purposefully enhance the catalytic activity of the cathode, for which a fundamental understanding of the electrochemical properties of the materials is key. These properties are inter alia determined by the defect chemistry of the material's mobile charge carriers. In humid, oxidizing atmosphere at elevated temperature three defects have to be considered: Oxygen vacancies, interstitial protonic defects associated with a regular oxygen site and electron holes. A mixed proton/hole conductivity in the cathode is highly desired as to make the whole electrode surface catalytically active for water formation. The bulk thermodynamic and transport behavior regarding three mobile charge carriers are significantly more complex than for systems with only'' two mobile defects. Numerical simulations are necessary to describe and understand the bulk thermodynamic and transport properties. The proton concentration of mixed-conducting perovskites was ex-situ determined by Karl-Fischer titration and thermogravimetry analyzing the mass spectrometer signal, and in-situ by dynamic, thermogravimetric relaxation experiments upon step-wise changes in the water partial pressure. BSFZ was found to be the most promising candidate of the four and, therefore, selected for further investigations. From a thermodynamic point of view two limiting possibilities incorporating protons are identified: Incorporating a water molecule occupying an oxygen vacancy and forming two protonic defects (acid-base thermodynamics) and taking up water releasing simultaneously oxygen, i.e. hydration-deoxygenation, formally equivalent to pure hydrogen incorporation (redox thermodynamics). Depending on temperature, oxygen and water partial pressure any combination of both mechanisms is possible. With the help of numerically simulating the transport behavior at different conditions, measuring the mass relaxation upon water partial pressure changes at two different oxygen partial pressures and determining the thermodynamic properties in dry conditions, the proton concentration could be calculated applying the thermodynamic model. For BSFZ the mass relaxation transients upon pH2O change were measured for two different p2O values. Interestingly, the mechanism of proton uptake was found to change from predominantly acid-base water uptake to predominantly redox hydrogen uptake. The transients could be fitted through the known solution of Fick's second law of one-dimensional diffusion into a plane sheet (with sufficiently fast surface equilibration) obtaining chemical diffusivities. The proton conductivity is calculated using its concentration and diffusivity. The obtained values are up to one and a half orders of magnitude below the proton conductivity of 15% Y-doped BaZrO3 being one of the best known high temperature proton conductors. Nevertheless, even the estimate of the lower limit of proton conductivity in BSFZ is orders of magnitude larger than a required minimum to make the whole electrode surface catalytically active. This is to the best of my knowledge the first study providing quantitative values for the proton conductivity in those mixed-conducting perovskites typically used as cathode material in solid oxide fuel cells. The electrochemical activity of BSFZ and BSCF was investigated by impedance spectroscopy. For microelectrodes the low frequency contribution typically dominates the overall impedance, and its resistance is inversely proportional to the reaction rate determining the overall oxygen to water reaction. The inverse dependence of the surface reaction resistance to the area of the microelectrode confirms that the whole electrode surface is catalytically active. Its dependency on oxygen and water partial pressure provides important information about the oxygen reduction mechanism. The exponents of the oxygen and water partial pressure dependency indicate that molecular oxygen and oxygen vacancies are participating in the rate determining step of the oxygen reduction reaction.