Universität Stuttgart
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Über die Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit Hilfe der Moore-Penrose-Inversen des Laplace-Operators im Vektorraum der Polynomkoeffizienten(2024) Große-Wöhrmann, Bärbel; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Die bekannten numerischen Standard-Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichungen basieren auf einer räumlichen Diskretisierung des Berechnungsgebiets. Ihre Performance und Skalierbarkeit auf modernen massiv-parallelen Höchstleistungsrechnern ist von der Verfügbarkeit effizienter numerischer Verfahren zur Lösung linearer Gleichungssysteme abhängig. Angesichts grundlegender Herausforderungen erscheint die Entwicklung neuer Lösungsansätze sinnvoll. Ich stelle in dieser Arbeit einen Polynomansatz zur Lösung partieller Differentialgleichungen vor, der nicht auf einer räumlichen Diskretisierung beruht und mit Hilfe der Moore-Penrose-Inversen des Laplace-Operators die Entkopplung der Navier-Stokes-Gleichungen ermöglicht. Dabei ist der Grad der Polynome nicht grundsätzlich beschränkt, so dass eine hohe räumliche Auflösung erreicht werden kann.Item Open Access The benefit of muscle-actuated systems : internal mechanics, optimization and learning(Stuttgart : Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme, Computational Biophysics and Biorobotics, 2023) Wochner, Isabell; Schmitt, Syn (Prof. Dr.)We are facing the challenge of an over-aging and overweight society. This leads to an increasing number of movement disorders and causes the loss of mobility and independence. To address this pressing issue, we need to develop new rehabilitation techniques and design innovative assistive devices. Achieving this goal requires a deeper understanding of the underlying mechanics that control muscle-actuated motion. However, despite extensive studies, the neural control of muscle-actuated motion remains poorly understood. While experiments are valuable and necessary tools to further our understanding, they are often limited by ethical and practical constraints. Therefore, simulating muscle-actuated motion has become increasingly important for testing hypotheses and bridge this knowledge gap. In silico, we can establish cause-effect relationships that are experimentally difficult or even impossible to measure. By changing morphological aspects of the underlying musculoskeletal structure or the neural control strategy itself, simulations are crucial in the quest for a deeper understanding of muscle-actuated motion. The insights gained from these simulations paves the way to develop new rehabilitation techniques, enhance pre-surgical planning, design better assistive devices and improve the performance of current robots. The primary objective of this dissertation is to study the intricate interplay between musculoskeletal dynamics, neural controller and the environment. To achieve this goal, a simulation framework has been developed as part of this thesis, enabling the modeling and control of muscle-actuated motion using both model-based and learning-based methods. By utilizing this framework, musculoskeletal models of the arm, head-neck complex and a simplified whole-body model are investigated in conjunction with various concepts of motor control. The main research questions of this thesis are therefore: 1. How does the neural control strategy select muscle activation patterns to generate the desired movement, and can we use this knowledge to design better assistive devices? 2. How does the musculoskeletal dynamics facilitate the neural control strategy in accomplishing this task of generating desired movements? To address these research questions, this thesis comprises a total of five journal and conference articles. More specifically, contributions I-III of this thesis focus on addressing the first research question which aims to understand how voluntary and reflexive movements can be predicted. First, we investigate various optimality principles using a musculoskeletal arm model to predict point-to-manifold reaching tasks. By using predictive simulations, we demonstrate how the arm would move towards a goal if, for example, our neural control strategy would minimize energy consumption. The main finding of this contribution shows that it is essential to include muscle dynamics and consider tasks with more openly defined targets to draw accurate conclusions about motor control. Through our analysis, we show that a combination of mechanical work, jerk and neuronal stimulation effort best predicts point-reaching when compared to human experiments. Second, we propose a novel method to optimize the design of exoskeleton power units taking into account the load cycle of predicted human movements. To achieve this goal, we employ a forward dynamic simulation of a generic musculoskeletal arm model, which is first scaled to represent different individuals. Next, we predict individual human motions and employ the predicted human torques to scale the electrical power units employing a novel scalability model. By considering the individual user needs and task demands, our approach achieves a lighter and more efficient design. In conclusion, our framework demonstrates the potential to improve the design of individual assistive devices. The third contribution focuses on predicting reflexive movements in response to sudden perturbations of the head-neck complex. To achieve this, we conducted experiments in which volunteers were placed on a table while supporting their heads with a trapdoor. This trapdoor was then suddenly released leading to a downward movement of the head until the reflexive reaction of the muscles stops the head from falling. We analyzed the results of these experiments, presenting characteristic parameters and highlighting differences between separate age and gender groups. Using this data, we also set up benchmark validations for a musculoskeletal head-neck model, including reflex control strategies. Our main findings are that there are large individual differences in reflexive responses between participants and that the perturbation direction significantly affects the reflexive response. Furthermore, we show that this data can be used as a benchmark test to validate musculoskeletal models and different muscle control strategies. While the first three contributions focus on the research question (1), contributions IV-V focus on (2) whether and how the musculoskeletal dynamics facilitate the learning and control task of various movements. We utilize a recently introduced information-theoretic approach called control effort to quantify the minimally required information to perform specific movements. By applying this concept, we can for example quantify how much biological muscles reduce the neuronal information load compared to technical DC-motors. We present a novel optimization algorithm to find this control effort and apply it to point-reaching and walking tasks. The main finding of this contribution is that the musculoskeletal dynamics reduce the control effort required for these movements compared to torque-driven systems. Finally, we hypothesize that the highly nonlinear muscle dynamics not only facilitate the control task but also provide inherent stability that is beneficial for learning from scratch. To test this, we employed various learning strategies for multiple anthropomorphic tasks, including point-reaching, ball-hitting, hopping, and squatting. The results of this investigation demonstrate that using muscle-like actuators improves the data-efficiency of the learning tasks. Additionally, including the muscle dynamics improves the robustness towards hyperparameters and allows for a better generalization towards unknown and unlearned perturbations. In summary, this thesis enhances existing methods to control and learn muscle-actuated motion, quantifies the control effort needed to perform certain movements and demonstrates that the inherent stability of the muscle dynamics facilitates the learning task. The models, control strategies, and experimental data presented in this work aid researchers in science and industry to improve their predictions in various fields such as neuroscience, ergonomics, rehabilitation, passive safety systems, and robotics. This allows us to reverse-engineer how we as humans control movement, uncovering the complex relationship between musculoskeletal dynamics and neural controller.Item Open Access Experimental multi-scale characterization using micro X-ray computed tomography(Stuttgart : Institute of Applied Mechanics, 2023) Ruf, Matthias; Steeb, Holger (Prof. Dr.-Ing.)The effective mechanical and hydro-mechanical behavior of porous media, granular solids, and related materials with complex morphologies is intimately linked to their internal microstructure on the pore/grain scale. For microstructural characterization, transmission micro X-Ray Computed Tomography (µXRCT) has emerged as a crucial three-dimensional (3D) imaging technique that can provide structural information from the micrometer to centimeter scale. Due to its non-destructive nature, it can be excellently combined with time-dependent investigations, either ex situ or in situ. In particular, the possibility of coupling mechanical or hydro-mechanical characterization with µXRCT-based 3D imaging in situ allows many physical phenomena to be studied in more detail and consequently understood more comprehensively. For example, the microstructure evolution can be observed under various controlled boundary conditions and linked to measured effective quantities. New insights and improved understanding can ultimately positively influence modeling approaches. In order to be able to perform such multi-scale studies, a modular, open, and versatile lab-based µXRCT system was developed within the scope of this work. It provides a spatial resolution of down to less than 10 µm. The developed system has an integrated universal testing machine that enables in situ compressive, tensile, and torsional studies as well as their combinations, parallel or sequential. Furthermore, hydro-mechanical coupled phenomena can be investigated using appropriate equipment, such as triaxial flow cells. Thanks to the open and modular concept, the developed system can be used in the future for a wide variety of multiphysics research questions and can be considered as an open experimental platform. Employing the established system, various multi-scale phenomena from different material classes are motivated and partly investigated in more detail within this work. For this purpose, classical experimental characterization methods are combined with µXRCT-based 3D imaging ex situ as well as in situ. Among others, 3D imaging is combined with ultrasound wave propagation measurements to investigate the influence of artificially generated crack networks in Carrara marble by different thermal treatment protocols. Load-sequence effects are demonstrated on an open-cell foam sample. An in situ workflow is shown to investigate the not-well-understood effective stiffness behavior of biphasic monodisperse granular packings of stiff and soft particles of different volume fractions at different stress states. The fracturing of a rock sample in a triaxial flow cell shows possibilities of application in the context of fracture mechanics. All resulting data sets, including metadata, are available via the Data Repository of the University of Stuttgart (DaRUS).Item Open Access Nanomechanische und nanoelektrische rasterkraftmikroskopische Analyse von Polymerelektrolytbrennstoffzellen(2022) Morawietz, Tobias; Friedrich, K. Andreas (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Brennstoffzellenkomponenten. Dabei wird der Fokus dieser Arbeit auf die Analyse der katalytischen Schichten mit dem Rasterkraftmikroskop gelegt. Das Rasterkraftmikroskop kann Strukturen mit wenigen Nanometern auflösen und dabei die materialspezifischen Eigenschaften aufzeichnen. Der Einsatz und die Weiterentwicklung von Rasterkraftmikroskop basierten Messmethoden für diesen Anwendungszweck wird in dieser Arbeit dargelegt. Die (Nano)-Struktur von vielen Brennstoffzellenkomponenten konnte mit den bisherigen verwendeten Methoden nicht vollständig aufgeklärt werden. Vor allem die Struktur des Ionomers innerhalb der Elektrode ist eine Unbekannte. Über das materialsensitive Rasterkraftmikroskop kann die Identifikation und Strukturanalyse der einzelnen Komponenten der katalytischen Schichten erfolgen. Die Struktur und die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Ionomers in der Elektrode ist für den Massentransport und die ionische/elektronische Leitfähigkeit von Bedeutung. Um die Eigenschaften des Ionomers in den Elektroden zu beschreiben, wurde die Nanostruktur des Polymerelektrolyten auf verschiedenen Größenskalen untersucht. Es werden in dieser Arbeit ultra-dünne Schichten und deren Eigenschaften, sowie die Ausbildung von Grenzschichten zur Gasphase beschrieben. Ausgegangen wird von der Struktur einzelner Ionomerbündel welche auf verschiedene Substrate abgesetzt wurden. Die Struktur dieser Primärstrukturen und die Ausbildung erster Schichten werden für Ionomere mit unterschiedlichem Äquivalentgewicht beschrieben. Es wurden eine minimale Bündelhöhe von 1,5 nm und ein lamellarer Aufbau von den Schichten gemessen. Die Bündelhöhe wird in Abhängigkeit von Temperatur und relativen Luftfeuchte dargestellt. Ultra-dünne Ionomerschichten wurden als Model für Schichten in den Elektroden hergestellt. Als Ultra-dünne Schichten werden Schichten bezeichnet, welche eine Dicke kleiner als 100 nm besitzen. Sehr dünne Schichten (< 12 nm) zeigten in den Messungen keine oder nur sehr geringe ionische Leitfähigkeit durch die Schicht. Mit katalytisch aktiven AFM Spitzen wurde eine Querleitfähigkeit dieser sehr dünnen Schichten und eine Schichtdickenabhänigkeit der Ionenleitfähigkeit nachgewiesen. Dickere Schichten über einen Mikrometer wurden über ein Tauchziehverfahren erzeugt, um die Ausbildung der kristallinen Bereiche sowie der Grenzphase zur Gasphase von Membranen mit bekannter Vorgeschichte zu beschreiben. In den Messungen zeigten sich Bereiche mit erhöhter Steifigkeit. Die Messungen der Steifigkeit konnte eine Proportionalität zur mit Dynamische Differenzkalorimetrie gemessenen Kristallinität der Ionomere gezeigt werden. Die Kristallinität nahm mit zunehmendem Äquivalentgewicht und Alter der Schichten zu. Die Untersuchungen der katalytischen Schichten mit dem Rasterkraftmikroskop zeigten einen deutlichen Kontrast in den Materialeigenschaften der katalytischen Schichten zwischen dem Ionomer und dem Katalysator. Dabei kann die Struktur sehr hoch aufgelöst vermessen werden. Je nach verwendeter Spitze liegt die laterale Auflösung zwischen 1-25 nm. Das Ionomer konnte durch höhere Adhäsion und Deformation, eine niedrigere Steifigkeit sowie keinen elektronischen Strom identifiziert werden. An Messungen der Oberfläche wurden die Bereiche, die den Katalysator umhüllen, sowie größere zusammenhängende Ionomerbereiche gemessen. An Mikrotom-Querschnitten, wurden in den katalytischen Schichten Ionomerschichten in einer Größe gefunden, die auch durch die ultra-dünnen Schichten als Modellelektroden erzeugt werden konnten. Diese Ionomerschichten umhüllen die Katalysatorpartikel. Die Dicke der Schichten lag im Bereich von ~2,5 nm - 15 nm und war abhängig von der Temperatur und relativen Luftfeuchte. Außerdem scheint die Ionomerschichtdicke von dem Herstellungsverfahren abhängig zu sein. Nach Betrieb der Brennstoffzellen wurde eine Abnahme der Schichtdicke festgestellt. Ein Zusammenhang zwischen Ausgangsschichtdicke und irreversibler Degradationsrate durch den Brennstoffzellenbetrieb wurde gezeigt. Nach Betrieb wurde über Rasterelektronenmikroskop-Messungen unterstützend eine Abnahme der Elektroden- und Membrandicke gemessen. Eine Abnahme des Gesamtionomers konnte über das Rasterkraftmikroskop, Energiedispersive Röntgenspektroskopie und Infrarotspektroskopie gezeigt werden. In der Membran bildete sich nach Betrieb ein Platinband, welches von der Position der Probe in der Membran Elektroden Einheit abhängig war. Eine Korrelation zwischen Degradationsrate und Ablagerung von Platin in der Membran konnte gezeigt werden. Die Ablagerung kann in sehr großem Ausmaß stattfinden, dass Kurzschlüsse durch die Membran festgestellt werden konnten, welche mit dem Rasterkraftmikroskop nachgewiesen werden konnten. In der Bildanalyse Software GeoDict wurden Modelle von den Elektroden nach den gemessenen Daten erstellt und verschiedene Faktoren, wie Ionomerschichtdicke, Katalysatordurchmesser und Bedeckung des Katalysators mit Ionomer auf die resultierende ionische und elektronische Leitfähigkeit untersucht. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zur Aufklärung der Struktur und Eigenschaften von Polymerelektrolytbrennstoffzellen bei und zeigt Degradationsmechanismen auf.Item Open Access Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen(2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.Item Open Access Nonlinear dynamics of the tippedisk : a holistic analysis(2023) Sailer, Simon; Leine, Remco I. (Prof. Dr. ir. habil.)This dissertation deals with the tippedisk which is a new mechanical-mathematical archetype for friction-induced instabilities and exhibits an energetically counterintuitive inversion phenomenon. In a holistic analysis, the dynamics of the tippedisk is investigated numerically in the field of multibody simulation, theoretically in the field of nonlinear dynamics, and experimentally in the focus of applied physics. Based on different nonsmooth rigid body models with set-valued force laws, the main physical mechanisms inducing the inversion behavior are identified and the governing system equations are derived. Subsequent model reduction results in a reduced system in the form of an ordinary differential equation, which is suited to be studied in the context of nonlinear dynamics. Both the local stability behavior of the non-inverted and inverted stationary spinning motions as well as the global proof of an existing heteroclinic saddle connection allow the dynamic behavior of the tippedisk to be captured analytically. The particular structure of the mathematical model reveals a singularly perturbed dynamics that evolves on multiple time scales and is characterized by slow rolling and fast sliding motions of the tippedisk. Utilizing perturbation expansions and an analysis in dimensionless quantities, the qualitative dynamics is characterized by closed-form expressions, from which a global stability map is deduced. Based on this complete stability map, three different bifurcation scenarios are identified, which correspond to different geometric and inertia properties, defining three qualitatively different types of tippedisks. Finally, the mathematical investigation is complemented by high-speed experiments on a real test specimen. Qualitative comparison of experimental measurements with simulations at different levels of abstraction completes the holistic approach to the dynamic analysis of the tippedisk.Item Open Access Neuromusculoskeletal modeling of human bipedal gaits : exploring the role of reflexes in locomotion(Stuttgart : Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme, Computational Biophysics and Biorobotics, 2025) Bunz, Elsa K.; Schmitt, Syn (Prof. Dr. rer. nat.)Item Open Access Development of a passively Q-switched microchip laser operating at 914 nm for automotive lidar applications(2022) Nägele, Marco; Dekorsy, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Die meisten Festkörperlaser besitzen Emissionswellenlängen oberhalb eines Mikrometers und können deshalb nicht für moderne Lidarsysteme in Kombination mit günstiger und weit etablierter siliziumbasierten Detektortechnologie verwendet werden. Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung und Realisierung eines passiv gütegeschalteten Nd3+:YVO4 Lasers bei einer Wellenlänge von 914nm für die Anwendung in einem automobilen Lidar Sensor. Zur Untersuchung der für die Lidaranwendung relevanten Laserparameter werden insgesamt drei experimentelle Resonatorkonfigurationen verwendet. Die Konfigurationen sind dabei so gewählt, dass die Laserparameter möglichst entkoppelt vom Gesamtsystem analysiert werden können. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass der quasikontinuierlich gepumpte Nd3+:YVO4 Laser Pulsdauern im einstelligen Nanosekundenbereich und Pulsenergien von knapp 40 μJ erreichen kann. Zudem lässt sich für eine mögliche Lidaranwendung die Repetitionsrate bis ungefähr 60 kHz über die verwendete Pumpleistung skalieren. Der Vergleich mit der Theorie basierend auf Ratengleichungen zeigt eine gute Übereinstimmung zum Experiment, woraus sich das zukünftige Potential des Lasers für mögliche Anwendungen abschätzen lässt. Über alle Untersuchungen hinweg konnte eine sehr gute Strahlqualität beobachtet werden, was in der Lidaranwendung ein hervorragendes Auflösevermögen verspricht. Neben der Betrachtung verschiedener Systemzusammenhänge mittels experimenteller Konfigurationen wird ein kompakter, monolithischer, passiv gütegeschalteter Demonstratoraufbau im Einzelpulsbetrieb bei einer Wiederholrate von 200 Hz präsentiert. Hierbei kommt als Pumplaser ein 808nm Breitstreifen-Diodenlaser zum Einsatz, welcher verglichen mit einem fasergekoppelten Laserdiodenmodul nicht nur ein deutlich kompakteres Gesamtsystem verspricht, sondern ebenfalls eine schmalere Linienbreite besitzt. Folglich kann das Gesamtsystem allein durch Anpassung des Pumplaserstroms und ohne aktive Temperaturstabilisierung in einem Temperaturbereich von 20-50 °C stabil betrieben werden. Zudem liefert der kurze Resonator des monolithischen Laserkristalls nicht nur kurze Pulsdauern, sondern ermöglicht ebenfalls den Betrieb auf einer einzelnen longitudinalen Mode und folglich spektrale Emissionsbandbreiten von wenigen Pikometern. Hierdurch ergibt sich für Langzeitmessungen über 60 Minuten eine hervorragende Stabilität der spektralen Eigenschaften, der Pulsenergie und der Pulsdauer.