Universität Stuttgart
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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 Depth from axial differential perspective(2022) Faulhaber, Andreas; Krächan, Clara; Haist, TobiasWe introduce an imaging-based passive on-axis technique for measuring the distance of individual objects in complex scenes. Two axially separated pupil positions acquire images (can be realized simultaneously or sequentially). Based on the difference in magnification for objects within the images, the distance to the objects can be inferred. The method avoids some of the disadvantages of passive triangulation sensors (e.g., correspondence, shadowing), is easy to implement and offers high lateral resolution. Due to the principle of operation it is especially suited for applications requiring only low to medium axial resolution. Theoretical findings, as well as follow-up experimental measurements, show obtainable resolutions in the range of few centimeters for distances of up to several meters.Item Open Access Novel X-ray lenses for direct and coherent imaging(2019) Sanli, Umut Tunca; Schütz, Gisela (Prof. Dr.)Item Open Access Hydrogen transport in thin films : Mg-MgH2 and Ti-TiH2 systems(2018) Hadjixenophontos, EfiHydrogen storage has become progressively important due to increasing energy demand. Magne-sium (Mg/MgH2) is one of the most promising elements of hydrogen uptake, however, the slow kinetics and need for high temperatures during dehydrogenation make this material challenging for mobile applications. Meanwhile, Titanium (Ti/TiH2/TiO2) draws attention due to its catalytic effect in hydrogenation of other metals with higher capacities. A comprehensive way to quantitatively char-acterize the kinetics of hydride formation in both systems (Mg and Ti) is shown here. A technique allowing a large range of pressures and temperatures (room temperature to 300 °C and from 0.05 bar up to 100 bar) is developed successfully. Thin films (50-1000 nm), deposited by ion beam sput-tering (PVD), are used because of their smooth surface and defined structure. In order to study hydrogen transport precisely, X-ray diffraction (XRD), electron microscopy (SEM/FIB/TEM) and electric resistance measurements are used. In the case of Mg, while a Pd coating is used as catalyst, the hydride is formed from the surface towards the substrate and transformation in the morpholo-gy is observed. Parabolic law is followed and the diffusion coefficient of hydrogen in MgH2 is ob-tained at room temperature (2.67 · 10-17 cm2/s). Additionally, a model is created to fit the experi-mental change in resistance during hydrogen loading and shows the changes in the behavior of thicker layers. The interface between Pd/Mg is discussed, since Mg5Pd2 and Mg6Pd are formed at high temperatures and are most dominant over dehydrogenation. However, at room temperature, this interface appears to be more stable. The activation energy of hydrogenation is calculated ex-perimentally from an Arrhenius plot to be equal to Ea = 22.6 ± 2.0 kJ/mol and the pre-factor D0 = 3904 cm2/s. Additional attention is given to magnesium hydride as an anode electrode in Li-ion bat-teries. TEM investigations of thin film electrodes demonstrate the complete lithiation of the mate-rial however, with drastic volume changes, leading to bad reversibility. In Ti the thin oxide layer naturally formed on the surface, appears to play a dominant role in the kinetics of hydrogen transport leading to a linear kinetics. A pressure dependency is observed, while an experimental evaluation of the permeation coefficient in the oxide is also discussed. Important information on the hydrogen transport is obtained in both systems, giving an input for further improvements of such hydrides.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 3D printing of sub-micrometer accurate ultra-compact free-form optics(2016) Gissibl, Timo; Giessen, Harald (Prof. Dr.)Additive manufacturing enables novel and unprecedented engineering and production possibilities, which are predicted to have an enormous impact in the 21st century. The technology allows for the straightforward three-dimensional printing of volumetric objects as designed. In this thesis, we present a novel concept in optics, which overcomes many difficulties in the fabrication of micro-optics and opens the new field of 3D printed micro- and nano-optics with complex lens designs. Our work is just at the interface between micro- and nano-optics and represents a paradigm shift for micro-optics. It takes only a few hours from lens design, to production, testing, and the final working optical device. Using dip-in femtosecond two-photon direct laser writing, our method goes far beyond state-of-the art attempts to manufacture simple micro-lenses by lithography. We prove the versatility of this method by writing different optics. Collimation optics, toric lenses, free-form surfaces with polynomials of up to 10th order for intensity beam shaping, as well as chiral photonic crystals for circular polarization filtering, all aligned onto the core of single mode fibers are shown. In addition, we show that three-dimensional direct laser writing is a suitable tool for the fabrication of complex multi-lens optical systems that show high quality optical imaging, beam shaping performance, and tremendous compactness with sizes below 300 µm. We determine the accuracy of our optics by analyzing the imaging and beam shaping quality as well as characterizing the surfaces by atomic force microscope measurements and interferometric measurements. The method yields high fabrication accuracy and allows to manufacture of lenses with a rms (root mean square) surface roughness of less than 15 nm. The surfaces deviate from their designs by less than ±1 µm. Our 3D printed compound lenses feature resolving powers of up to 500 line pairs per millimeter. Our printed micro-optical elements can thus achieve sufficient performance in order to enable compound lenses for high quality imaging. In addition, we show the performance of diffractive optical elements with diameters of just 4.4 µm, which enable beam shaping at the end facet of an optical fiber. The intensity is shaped into a uniform or into a donut-shaped intensity distribution. For this purpose, the diffractive optics are directly fabricated onto the end facet of the optical fiber and show unprecedented performance for optical beam shaping. Our method allows for a plethora of novel applications with tremendous impact on optical trapping of atoms and in-vivo imaging in the human body. In addition, applications for imaging and illumination in endoscopy, multiple sensors, and eyes for micro-robots can be realized.Item Open Access Experimental analysis on CPA-free thin-disk multipass amplifiers operated in a helium-rich atmosphere(2022) Bienert, Florian; Loescher, André; Röcker, Christoph; Graf, Thomas; Abdou Ahmed, MarwanEs wird der Einfluss von Helium als atmosphärisches Gas in Scheibenlaser-multipass-Ultrakurzpulsverstärkern untersucht.Item Open Access PFG-NMR studies of ATP diffusion in PEG-DA hydrogels and aqueous solutions of PEG-DA polymers(2018) Majer, Günter; Southan, AlexanderAdenosine triphosphate (ATP) is the major carrier of chemical energy in cells. The diffusion of ATP in hydrogels, which have a structural resemblance to the natural extracellular matrix, is therefore of great importance to understand many biological processes. In continuation of our recent studies of ATP diffusion in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEG-DA) hydrogels by pulsed field gradient nuclear magnetic resonance (PFG-NMR), we present precise diffusion measurements of ATP in aqueous solutions of PEG-DA polymers, which are not cross-linked to a three-dimensional network. The dependence of the ATP diffusion on the polymer volume fraction in the hydrogels, φ, was found to be consistent with the predictions of a modified obstruction model or the free volume theory in combination with the sieving behavior of the polymer chains. The present measurements of ATP diffusion in aqueous solutions of the polymers revealed that the diffusion coefficient is determined by φ only, regardless of whether the polymers are cross-linked or not. These results seem to be inconsistent with the free volume model, according to which voids are formed by a statistical redistribution of surrounding molecules, which is expected to occur more frequently in the case of not cross-linked polymers. The present results indicate that ATP diffusion takes place only in the aqueous regions of the systems, with the volume fraction of the polymers, including a solvating water layer, being blocked for the ATP molecules. The solvating water layer increases the effective volume of the polymers by 66%. This modified obstruction model is most appropriate to correctly describe the ATP diffusion in PEG-DA hydrogels.Item Open Access Growth and characterization of transition metal oxide heterostructures with a tailored work function(2018) Rastegar Alam, Iman; Mannhart, Jochen (Prof. Dr.)Item Open Access X-ray and Raman scattering studies of novel phases in 3d and 4d transition metal oxides(2020) Fürsich, Katrin; Keimer, Bernhard (Prof. Dr.)