Universität Stuttgart
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Item Open Access Nanoscale magnetic resonance spectroscopy with nitrogen-vacancy centers in diamond(2021) Paone, Domenico; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant bilden interessante Quantensysteme, welche für Quanten-Sensing Protokolle genutzt werden können. In der vorliegenden Arbeit, werden NV-Zentren genutzt, um einzelne Molekülsysteme auszulesen und supraleitende Proben lokal zu charakterisieren. Zusätzlich werden Methoden entwickelt, um die Spineigenschaften der NV-Zentren zu optimieren, welche dann Einfluss auf das Sensorikverhalten des Systems haben.Item Open Access Finite-temperature interplay of structural stability, chemical complexity, and elastic properties of bcc multicomponent alloys from ab initio trained machine-learning potentials(2021) Gubaev, Konstantin; Ikeda, Yuji; Tasnádi, Ferenc; Neugebauer, Jörg; Shapeev, Alexander V.; Grabowski, Blazej; Körmann, FritzAn active learning approach to train machine-learning interatomic potentials (moment tensor potentials) for multicomponent alloys to ab initio data is presented. Employing this approach, the disordered body-centered cubic (bcc) TiZrHfTax system with varying Ta concentration is investigated via molecular dynamics simulations. Our results show a strong interplay between elastic properties and the structural ω phase stability, strongly affecting the mechanical properties. Based on these insights we systematically screen composition space for regimes where elastic constants show little or no temperature dependence (elinvar effect).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 The role of dimensionality and geometry in quench-induced nonequilibrium forces(2021) Nejad, Mehrana Raeisian; Khalilian, Hamidreza; Rohwer, Christian M.; Moghaddam, Ali GhorbanzadehWe present an analytical formalism, supported by numerical simulations, for studying forces that act on curved walls following temperature quenches of the surrounding ideal Brownian fluid. We show that, for curved surfaces, the post-quench forces initially evolve rapidly to an extremal value, whereafter they approach their steady state value algebraically in time. In contrast to the previously-studied case of flat boundaries (lines or planes), the algebraic decay for curved geometries depends on the dimension of the system. Specifically, steady-state values of the force are approached in time as t-d/2 in d-dimensional spherical (curved) geometries. For systems consisting of concentric circles or spheres, the exponent does not change for the force on the outer circle or sphere. However, the force exerted on the inner circles or sphere experiences an overshoot and, as a result, does not evolve to the steady state in a simple algebraic manner. The extremal value of the force also depends on the dimension of the system, and originates from curved boundaries and the fact that particles inside a sphere or circle are locally more confined, and diffuse less freely than particles outside the circle or sphere.Item Open Access Top‐down approach to study chemical and electronic properties of perovskite solar cells : sputtered depth profiling versus tapered cross‐sectional photoelectron spectroscopies(2021) Das, Chittaranjan; Zia, Waqas; Mortan, Claudiu; Hussain, Navid; Saliba, Michael; Ingo Flege, Jan; Kot, MałgorzataA study of the chemical and electronic properties of various layers across perovskite solar cell (PSC) stacks is challenging. Depth‐profiling photoemission spectroscopy can be used to study the surface, interface, and bulk properties of different layers in PSCs, which influence the overall performance of these devices. Herein, sputter depth profiling (SDP) and tapered cross‐sectional (TCS) photoelectron spectroscopies (PESs) are used to study highly efficient mixed halide PSCs. It is found that the most used SDP‐PES technique degrades the organic and deforms the inorganic materials during sputtering of the PSCs while the TCS‐PES method is less destructive and can determine the chemical and electronic properties of all layers precisely. The SDP‐PES dissociates the chemical bonding in the spiro‐MeOTAD and perovskite layer and reduces the TiO2, which causes the chemical analysis to be unreliable. The TCS‐PES revealed a band bending only at the spiro‐MeOTAD/perovskite interface of about 0.7 eV. Both the TCS and SDP‐PES show that the perovskite layer is inhomogeneous and has a higher amount of bromine at the perovskite/TiO2 interface.Item Open Access Tuning charge order in (TMTTF)2X by partial anion substitution(2021) Pustogow, Andrej; Dizdarevic, Daniel; Erfort, Sebastian; Iakutkina, Olga; Merkl, Valentino; Untereiner, Gabriele; Dressel, MartinIn the quasi-one-dimensional (TMTTF)2X compounds with effectively quarter-filled bands, electronic charge order is stabilized from the delicate interplay of Coulomb repulsion and electronic bandwidth. The correlation strength is commonly tuned by physical pressure or chemical substitution with stoichiometric ratios of anions and cations. Here, we investigate the charge-ordered state through partial substitution of the anions in (TMTTF)2[AsF6]1-x[SbF6]x with x≈0.3, determined from the intensity of infrared vibrations, which is sufficient to suppress the spin-Peierls state. Our dc transport experiments reveal a transition temperature TCO = 120 K and charge gap ΔCO=430 K between the values of the two parent compounds (TMTTF)2AsF6 and (TMTTF)2SbF6. Upon plotting the two parameters for different (TMTTF)2X, we find a universal relationship between TCO and ΔCO yielding that the energy gap vanishes for transition temperatures TCO≤60 K. While these quantities indicate that the macroscopic correlation strength is continuously tuned, our vibrational spectroscopy results probing the local charge disproportionation suggest that 2δ is modulated on a microscopic level.Item Open Access Heterodyne sensing of microwaves with a quantum sensor(2021) Meinel, Jonas; Vorobyov, Vadim; Yavkin, Boris; Dasari, Durga; Sumiya, Hitoshi; Onoda, Shinobu; Isoya, Junichi; Wrachtrup, JörgDiamond quantum sensors are sensitive to weak microwave magnetic fields resonant to the spin transitions. However, the spectral resolution in such protocols is ultimately limited by the sensor lifetime. Here, we demonstrate a heterodyne detection method for microwaves (MW) leading to a lifetime independent spectral resolution in the GHz range. We reference the MW signal to a local oscillator by generating the initial superposition state from a coherent source. Experimentally, we achieve a spectral resolution below 1 Hz for a 4 GHz signal far below the sensor lifetime limit of kilohertz. Furthermore, we show control over the interaction of the MW-field with the two-level system by applying dressing fields, pulsed Mollow absorption and Floquet dynamics under strong longitudinal radio frequency drive. While pulsed Mollow absorption leads to improved sensitivity, the Floquet dynamics allow robust control, independent from the system’s resonance frequency. Our work is important for future studies in sensing weak microwave signals in a wide frequency range with high spectral resolution.Item Open Access The effects of airfoil thickness on dynamic stall characteristics of high‐solidity vertical axis wind turbines(2021) Bangga, Galih; Hutani, Surya; Heramarwan, HenidyaThe flow physics of high solidity vertical axis wind turbines (VAWTs) is influenced by the dynamic stall effects. The present study is aimed at investigating the effects of airfoil thickness on the unsteady characteristics of high solidity VAWTs. Seven different national advisory committee for aeronautics (NACA) airfoils (0008, 0012, 0018, 0021, 0025, 0030, 0040) are investigated. A high fidelity computational fluid dynamics (CFD) approach is used to examine the load and flow characteristics in detail. Before the study is undertaken, the CFD simulation is validated with experimental data as well as large eddy simulation results with sound agreement. The investigation demonstrates that increasing the airfoil thickness is actually beneficial not only for suppressing the dynamic stall effects but also to improve the performance of high solidity turbines. Interestingly this is accompanied by a slight reduction in thrust component. The strength and radius of the dynamic stall vortex decrease with increasing airfoil thickness. The airfoil thickness strongly influences the pressure distributions during dynamic stall process, which is driven by the suction peak near the leading edge. The knowledge gained might be used by blade engineers for designing future turbines and for improving the accuracy of engineering models.Item Open Access Simulation of Electron Bernstein Waves in FLiPS with various numerical methods(2021) Rumiantsev, Kirill; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)The plasma generation and heating by microwaves is an important research topic in the field of controlled nuclear fusion. All modern fusion plasma devices such as Wendelstein 7-X use microwave heating. The microwave plasma-heating primarily occurs at the resonances, where the microwaves are efficiently absorbed. The heating scenario must be designed such that the microwaves can reach the resonance. When the plasma exceeds the cutoff density, the microwaves will be reflected, and the resonance becomes inaccessible. However, it is possible to perform heating by Electron Bernstein Waves (EBWs), since these electrostatic waves propagate even in overdense plasmas, unlike the electromagnetic plasma waves. EBWs cannot propagate in the vacuum and must be created through a coupling process. Both O- and X-mode can couple to EBWs. The thesis investigates the coupling of the O- and X-mode to EBWs as well as the EBW propagation with various numerical methods. The application of only one numerical method is not sufficient as the coupling involves very different wavelength scales. The optimal coupling scheme for the expected plasma parameters was determined using a Finite-Difference Time-Domain (FDTD) code. Since EBWs are not included in the code, a Boundary-Value Problem (BVP) code was developed. Using the BVP code, the effect of the collisions on EBWs was studied. The field amplification at the upper-hybrid resonance (UHR), where EBWs couple to the electromagnetic waves, and the effect of the magnetic field on EBWs could be directly visualized. The propagation of the EBW was investigated using the novel ray-tracing code RiP. The ray-tracing simulations provided a clear picture of the essential features of the wave propagation. For the O- and X-mode coupling, the importance of the axial plasma inhomogeneity was shown. For the first time, the method of the Wigner function was applied to calculate the intensity distribution of EBWs. Both, ray-tracing and the Wigner function simulations showed that the inhomogeneous magnetic can cause focusing of EBWs. The focusing effect can have practical applications e.g. for controlled local heating of the plasma. Additionally, the focusing effect can cause a parametric decay due to the field enhancement in the focal regions. In this thesis, the simulations were focused on excitation and propagation of EBWs in the geometry of the linear plasma device FLiPS located at the University of Stuttgart. Measurements were carried out to study the predicted focusing of the EBWs in the FLiPS plasma with monopole antennas. The measurements provided the density profile used in the simulations. The expected amplification of the signal at the UHR was not detected, indicating either the complete collisional absorption of the X-mode at the upper-hybrid resonance, or the turbulent plasma density oscillations that reduce the coupling efficiency to EBWs. These effects can be studied further using the developed tools since they provide a complete toolbox to study the full coupling process to EBWs in an actual experimental geometry.Item Open Access Nonlinear optics in hybrid plasmon-fiber cavities(2021) Ai, Qi; Giessen, Harald (Prof. Dr.)