Universität Stuttgart
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Item Open Access The fast multipole boundary element method and its application to structure acoustic field interaction(2004) Fischer, Matthias; Gaul, Lothar (Prof. Dr.-Ing. habil.)The goal of the thesis is to provide an efficient simulation tool for the prediction of sound radiation from vibrating structures. Acoustic simulations are an important step to optimize the properties of a new product early in the design phase rather than curing mistakes afterwards. The boundary element method (BEM) is widely used in acoustics, since it allows the simulation of fields in unbounded domains. Only the surface of the sound radiating structure must be discretized with a very low cost for mesh generation and preprocessing. The limiting factor for the application of the BEM to large-scale simulations is its fully populated system matrix. It implies that computing time and memory requirements increase quadratically with the number of elements which cannot be handled even for moderately sized problems. The fast multipole BEM allows the computation of the BEM matrix-vector products at a quasi-linear numerical cost. The reduction is achieved by multilevel clustering of the boundary elements and the use of the multipole series expansion for the evaluation of the fundamental solution. In combination with an efficient iterative solver, multipole BEM simulations can be performed on large models consisting of more than 100,000 boundary elements. The generalized minimal residual method (GMRES) and multigrid solvers are most suitable for the solution of the BEM systems of equations. An approximate inverse preconditioner is developed for both approaches that restricts the number of required iterations and thus allows efficient multipole BEM simulations on fine discretizations and high frequencies. For the simulation of structure-acoustic field interaction problems, the coupled field equations must be solved. The structure is commonly discretized using finite elements, whereas for the acoustic field the BEM is favorable. A mortar FEM-BEM coupling algorithm is developed that allows the combination of non-conforming meshes. The high flexibility for the choice of discretizations offers a high efficiency, since specialized shape functions and adaptive mesh refinement can be used in the subdomains. The mortar coupling algorithm yields a saddle point problem that is solved using an inexact Uzawa algorithm. The iterative solver enables the use of the multipole BEM and thus coupled simulations on large boundary element models.Item Open Access Dynamic properties of fluids from molecular simulations and entropy scaling(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Technische Thermodynamik und Thermische Verfahrenstechnik, 2022) Fischer, Matthias; Groß, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)The design of most processes in chemical industry depends on reliable estimates of the transport properties of fluids. Various approaches exist for the prediction of these quantities, which can be used to compensate for insufficient experimental data. The present work deals with two of the approaches: Molecular simulations and entropy scaling. According to the latter approach, transport coefficients, such as shear viscosity, thermal conductivity or self diffusion coefficients, defined as dimensionless quantities using a suitable reference, are univariant functions of only the residual entropy of the fluid. The two methods, molecular simulations and entropy scaling are used jointly in order to achieve synergistic effects. A suitable mixture-model for entropy scaling models was investigated in molecular simulations as part of this work. Mixtures of simple model fluids, namely Lennard-Jones mixtures, are regarded and it is found that the principle of entropy scaling holds also for mixtures, to excellent approximation. Entropy scaling, in turn, is used to more efficiently design and evaluate molecular simulations. In this context, the TAMie force field developed in Stuttgart is assessed with respect to the accuracy of predicted transport coefficients. The TAMie model, like many other force fields developed for thermodynamic properties, uses rigid bond lengths between interaction sites within a molecule. In order to ensure a meaningful assessment of transport coefficients in Molecular Dynamic simulations, an analysis of bond-length models is conducted: what is the influence of the model for intramolecular atomic bonds on the predicted static and dynamic fluid properties? It is shown that it is possible to obtain the same results for transport coefficients with flexible atomic bonds, within statistical accuracy, as with the same force field but using a rigid description of the bonds. Within the context of the simulation studies carried out in this thesis, a workflow has been developed that enables efficient evaluation of simulations for determining transport properties. In combination with entropy scaling, this work presents a methodology that can be used to efficiently determine transport quantities from molecular simulations, thus enabling extensive simulation studies for either predicting fluid properties or to enable force field development where transport coefficients are considered in the objective function.Item Open Access Elektrische und optische Transportmessungen an einkristallinen organischen Feldeffekt-Transistoren(2007) Fischer, Matthias; Dressel, Martin (Prof. Dr.)In dieser Arbeit wird der Ladungstransport in organischen Halbleitern untersucht. Es gelang mit Infrarotspektroskopie quasi-freie Ladungsträger bei Raumtemperatur nachzuweisen und Werte für die effektive Masse sowie die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger zu bestimmen. Als Proben dienten plattenförmige Einkristalle aus Tetracen (2,3-Benzanthracen) und Rubren (5,6,11,12-Tetraphenylnaphthacen), die in einem Rohrofen im Wasserstoffstrom gezogen wurden. Auf den Kristallen wurden organische Feldeffekt-Transistoren (OFET) präpariert, mit Drain- und Source-Elektroden aus Leitsilber, dem Gate-Isolator aus Poly-para-Xylylen (PPX) und der Gate-Elektrode aus aufgedampften Gold oder Nickel-Chrom. Aus der Messung raumladungsbegrenzter Ströme (space charge limited currents, SCLC) in der (ab)-Ebene an der Oberfläche der Kristalle wurde in Tetracen ein diskretes Fallenniveau für Löcher mit einer Fallentiefe von etwa 340 meV und einer mittleren Flächen-Fallendichte von 4*10^10 cm^-2 nachgewiesen. Einkristalle aus Rubren zeigen ein Fallenniveau mit der Fallentiefe 380 meV und einer Flächen-Fallendichte um 2*10^9 cm^-2. Die untere Grenze für die Löcherbeweglichkeit bei Raumtemperatur in der (ab)-Ebene aus den Feldeffektmessungen in Zweipunktgeometrie liegt in Tetracen bei 0,8 cm^2/Vs und in Rubren bei 6 cm^2/Vs. Mit Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie wurden differentielle Transmissionsspektren durch Rubren-OFETs im Frequenzbereich von 100 cm^-1 bis 6000 cm^-1 aufgenommen. Diese Infrarot-Spektren der angesammelten Ladungsträger in einem Rubren-OFET zeigen neben einer Drude-Anregung, zwei breite Maxima (bei 2190 cm^-1 und 2940 cm^-1) sowie viele schmale Maxima von den eines um 475 cm^-1 in der Intensität heraussticht. Die breiten Maxima lassen sich dem Fallenniveau aus den SCLC-Messungen und einem von Mitrofanov et al. (PRL 97, p. 166601, 2006) beschriebenen Niveau zuordnen. Die schmalen Maxima können auf Vibrationsmoden in Molekülen zurückgeführt werden. Das Maximum um 475 cm^-1 wird möglicherweise durch eine Anregung aus dem polaronischen Zustand verursacht. Die frequenzabhängige Leitfähigkeit nach dem Drude-Modell kann mit einer Plasmafrequenz von 415 cm^-1 und eine Streurate von etwa 590 cm^-1 an das Spektrum angepasst werden. Aus der Plasmafrequenz und der Ladungsträgerdichte im OFET ergibt sich für die effektive Masse der Löcher ein Wert von etwa 1,9 Elektronenmassen. Die Streurate entspricht einer Lebensdauer des Transportzustandes von 9 fs. Lebensdauer und die Bandbreite von 341 meV (da Silva, Adv Mater 17, p. 1072, 2005) ergeben abgeschätzt eine mittlere freie Weglänge von über zwei Gitterkonstanten. Die spektroskopisch bestimmte Leitfähigkeit bei niedrigen Frequenzen stimmt mit der Leitfähigkeit aus DC-Messungen überein. Folglich beschreibt das Drude-Modell für quasi-freie Ladungsträger die Spektren sehr gut. Auf Basis der spektroskopischen Messungen werden Einwände gegen die Annahme von Bandtransport diskutiert und es wird gefolgert, dass Löcher in der (ab)-Ebene von Rubren-Einkristallen bei Raumtemperatur sich quasi-frei in Energiebändern bewegen (Bandtransport).