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Research on thermal modification of African alpine bamboo (Yushania alpina [K. Schumann] Lin) in terms of woven strand board (WSB) product development in EthiopiaStarke, Robert 11 September 2014 (has links)
’African Bamboo PLC’ has the vision to become the first and the leading bamboo-based floorboard producer in Africa with export markets in Europe and America. African alpine bamboo (Yushania alpina), common in the highlands of Ethiopia, was used to develop woven strand board (WSB) products. Research on thermal modification was part of the product development.
Samples were mainly collected in Tetechia (6°33‘ 34‘‘ N 38°32‘25‘‘ W, 2,650-2,700 m a.s.l.), located in the Sidama region. Three culms each of two, three, four and five years of age were harvested. Samples were taken from the middle of each internode to determine the moisture content and density. Samples used to assess the effects of thermal modification were cut next to them. Further test specimens from different areas and other species such as the lowland bamboo (Oxytenanthera abyssinica) were also investigated.
The thermal treatment was applied in a kiln with steam as an inert blanket to reduce oxidative processes. Eight modifications were performed at temperatures of 160 °C, 180 °C, 200 °C and 220 °C, at durations of three or five hours each. Mass loss, sorption behaviour, impact resistance, resistance to indentation and contents of chemical components were analysed for the modified and unmodified samples.
Yushania alpina is a thin-walled bamboo with a maximum diameter of 6 cm, moisture content of up to 150 % and densities of between 0.5 g/cm² and 0.8 g/cm². Moisture content, diameter and wall thickness decreased from the bottom to the top of the culms, whereas density increased. Two year old bamboo had the lowest and three year the highest density.
The mass loss followed an exponential trend, with about 2 % loss at 160 °C and 16 % at 220 °C. This mainly reflected the degradation of hemicellulose, which was fully removed at 220 °C. Extractive contents, at less than 5 %, fluctuated. Lignin amounted to 30 % and increased appreciably. Cellulose reached contents of about 45 % and decreased slightly at high temperatures. The chemical change, which was based more on the temperature than on the duration of treatment, influenced the sorption behaviour and mechanical properties most of all. The equilibrium moisture content was reduced by between 10 % to 40 %, depending on the climate and modification temperature chosen. This reduction stabilised between temperatures of 200 °C and 220 °C. The impact resistance of untreated bamboo was 3.8 J/cm², compared to only 1.4 J/cm² for modified samples. Resistance also differed between samples from the outer and inner part of the culm in the transverse section. The resistance to indentation declined also. Unmodified samples had 47 N/mm², compared to only 20 N/mm² for strongly modified samples.
The results of the analysis and the experience gained indicate that temperatures between 180 °C and 200 °C, held for three hours, lead to the best results for woven strand board production using Ethiopian highland bamboo. / ’African Bamboo PLC’ setzt sich zum Ziel, als erstes Unternehmen Holzwerkstoffe aus Bambus nach Europa und Amerika zu exportieren. Afrikanischer Hochgebirgsbambus (Yushania alpina), welcher vor allem im Hochland von Äthiopien vorkommt, wurde dazu verwendet ”woven strand boards” (WSB) zu entwickeln. Untersuchungen zur thermischen Modifizierung waren dabei Bestandteil der Produktentwicklung.
Die dafür notwendigen Bambusproben wurden hauptsächlich in Tetechia (6°33‘34‘‘ N 38°32‘25‘‘ W, 2650-2700 m ü. NN), einem Dorf in Sidama, entnommen. Es wurden dazu je drei Bambushalme der Altersklassen zwei, drei, vier und fünf Jahre geerntet. Proben für die Bestimmung von Holzfeuchte und Dichte wurden in der Mitte jedes Internodiums entnommen. Diese spielten als Referenzprobe eine große Rolle. Neben den Referenzprobekörpern wurden die jeweiligen Stücke für die thermische Behandlung heraus gesägt, wobei dies nach einer bestimmten Systematik erfolgte. Neben den Proben aus Tetechia wurden für die Untersuchungen zudem Proben aus anderen Gebieten und von einer anderen Art, dem Tieflandbambus (Oxytenanthera abyssinica), hinzugefügt.
Die thermische Modifizierung erfolgte unter Wasserdampf, welcher oxidative Prozesse verhinderte. Insgesamt erfolgten acht Modifizierungen bei Temperaturen von 160 °C, 180 °C, 200 °C und 220 °C und einer jeweiligen Haltezeit von drei oder fünf Stunden. In Anbetracht der unbehandelten und behandelten Proben wurden der Masseverlust, die Bruchschlagarbeit, der Eindruckswiderstand und die chemische Zusammensetzung analysiert.
Yushania alpina ist ein dünnwandiger Bambus mit Durchmessern bis zu 6 cm, Holzfeuchten bis 150 % und Dichten zwischen 0,5 g/cm² und 0,8 g/cm². Holzfeuchte, Durchmesser und Wandstärke verringerten sich mit der Halmhöhe, wobei die Dichte hingegen anstieg. Zweijähriger Bambus hatte die geringsten und dreijähriger Bambus die höchsten Dichten.
Der Masseverlust folgte einem expontiellem Verlauf mit Werten von 2 % bei 160 °C und 16 % bei 220 °C. Er widerspiegelte den Abbau der Hemicellulose, welche bei 220 °C schon nicht mehr vorhanden war. Exktraktgehalte fluktuierten mit Werten unter 5 %. Der Ligningehalt lag bei ungefähr 30 % und stieg merklich an. Der Cellulosegehalt erreichte Werte von etwa 45 %, wobei die Cellulose bei höheren Temperaturen leicht abgebaut wurde. Die chemischen Veränderungen, welche maßgeblich von der angewandten Temperatur statt der Behandlungsdauer beeinflusst wurden, wirkten sich auf das Sorptionsverhalten und mechanische Eigenschaften aus. Je nach ausgesetztem Klima und erfolgter Modifikation wurde die Ausgleichsfeuchte der Proben um 10 % bis 40 % reduziert. Die Abnahme der Ausgleichsfeuchte stabilisierte sich im Temperaturbereich von 200 °C bis 220 °C. Die Bruchschlagarbeit des unbehandelten Bambus betrug 3,8 J/cm², die des behandelten nur 1,4 J/cm². Die Bruchschlagarbeit variierte unabhängig von der Modifikation zwischen dem inneren und äußeren Abschnittes innerhalb des Halmquerschnitts. Der Eindruckswiderstand nahm mit der thermischen Behandlung ebenfalls ab. Unbehandelte Proben hatten 47 N/mm², während die modifizierten Proben nur noch 20 N/mm² aufwiesen.
Anhand der Ergebnisse und erworbenen Erfahrungen lies sich schlussfolgern, dass Temperaturen zwischen 180 °C und 200 °C bei einer Haltezeit von drei Stunden für die thermische Modifizierung von Äthiopischem Hochlandbambus in Bezug auf die Entwicklung von ”woven strand boards” empfehlenswert waren.
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Advanced Cluster Methods for Correlated-Electron SystemsFischer, André 27 October 2015 (has links)
In this thesis, quantum cluster methods are used to calculate electronic properties of correlated-electron systems. A special focus lies in the determination of the ground state properties of a 3/4 filled triangular lattice within the one-band Hubbard model. At this filling, the electronic density of states exhibits a so-called van Hove singularity and the Fermi surface becomes perfectly nested, causing an instability towards a variety of spin-density-wave (SDW) and superconducting states. While chiral d+id-wave superconductivity has been proposed as the ground state in the weak coupling limit, the situation towards strong interactions is unclear.
Additionally, quantum cluster methods are used here to investigate the interplay of Coulomb interactions and symmetry-breaking mechanisms within the nematic phase of iron-pnictide superconductors. The transition from a tetragonal to an orthorhombic phase is accompanied by a significant change in electronic properties, while long-range magnetic order is not established yet. The driving force of this transition may not only be phonons but also magnetic or orbital fluctuations. The signatures of these scenarios are studied with quantum cluster methods to identify the most important effects.
Here, cluster perturbation theory (CPT) and its variational extention, the variational cluster approach (VCA) are used to treat the respective systems on a level beyond mean-field theory. Short-range correlations are incorporated numerically exactly by exact diagonalization (ED). In the VCA, long-range interactions are included by variational optimization of a fictitious symmetry-breaking field based on a self-energy functional approach. Due to limitations of ED, cluster sizes are limited to a small number of degrees of freedom.
For the 3/4 filled triangular lattice, the VCA is performed for different cluster symmetries. A strong symmetry dependence and finite-size effects make a comparison of the results from different clusters difficult. The ground state in the weak-coupling limit is superconducting with chiral d+id-wave symmetry, in accordance to previous renormalization group approaches. In the regime of strong interactions SDW states are preferred over superconductivity and a collinaer SDW state with nonuniform spin moments on a quadrupled unit cell has the lowest grand potential. At strong coupling, inclusion of short-range quantum fluctuations turns out to favor this collinear state over the chiral phase predicted by mean-field theory. At intermediate interactions, no robust conclusion can be drawn from the results.
Symmetry-breaking mechanisms within the nematic phase of the iron-pnictides are studied using a three-band model for the iron planes on a 4-site cluster. CPT allows a local breaking of the symmetry within the cluster without imposing long-range magnetic order. This is a crucial step beyond mean-field approaches to the magnetically ordered state, where such a nematic phase cannot easily be investigated. Three mechanisms are included to break the fourfold lattice symmetry down to a twofold symmetry. The effects of anisotropic magnetic couplings are compared to an orbital ordering field and anisotropic hoppings. All three mechanisms lead to similar features in the spectral density. Since the anisotropy of the hopping parameters has to be very large to obtain similar results as observed in ARPES, a phonon-driven transition is unlikely.
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The role of different modes of interactions among neighbouring plants in driving population dynamicsLin, Yue 22 January 2013 (has links)
The general aim of my dissertation was to investigate the role of plant interactions in driving population dynamics. Both theoretical and empirical approaches were employed. All my studies were conducted on the basis of metabolic scaling theory (MST), because the complex, spatially and temporally varying structures and dynamics of ecological systems are considered to be largely consequences of biological metabolism. However, MST did not consider the important role of plant interactions and was found to be invalid in some environmental conditions. Integrating the effects of plant interactions and environmental conditions into MST may be essential for reconciling MST with observed variations in nature. Such integration will improve the development of theory, and will help us to understand the relationship between individual level process and system level dynamics.
As a first step, I derived a general ontogenetic growth model for plants which is based on energy conservation and physiological processes of individual plant. Taking the mechanistic growth model as basis, I developed three individual-based models (IBMs) to investigate different topics related to plant population dynamics:
1. I investigated the role of different modes of competition in altering the prediction of MST on plant self-thinning trajectories. A spatially-explicit individual-based zone-of-influence (ZOI) model was developed to investigate the hypothesis that MST may be compatible with the observed variation in plant self-thinning trajectories if different modes of competition and different resource availabilities are considered. The simulation results supported my hypothesis that (i) symmetric competition (e.g. belowground competition) will lead to significantly shallower self-thinning trajectories than asymmetric competition as predicted by MST; and (ii) individual-level metabolic processes can predict population-level patterns when surviving plants are barely affected by local competition, which is more likely to be in the case of asymmetric competition.
2. Recent studies implied that not only plant interactions but also the plastic biomass allocation to roots or shoots of plants may affect mass-density relationship. To investigate the relative roles of competition and plastic biomass allocation in altering the mass-density relationship of plant population, a two-layer ZOI model was used which considers allometric biomass allocation to shoots or roots and represents both above- and belowground competition simultaneously via independent ZOIs. In addition, I also performed greenhouse experiment to evaluate the model predictions. Both theoretical model and experiment demonstrated that: plants are able to adjust their biomass allocation in response to environmental factors, and such adaptive behaviours of individual plants, however, can alter the relative importance of above- or belowground competition, thereby affecting plant mass-density relationships at the population level. Invalid predictions of MST are likely to occur where competition occurs belowground (symmetric) rather than aboveground (asymmetric).
3. I introduced the new concept of modes of facilitation, i.e. symmetric versus asymmetric facilitation, and developed an individual-based model to explore how the interplay between different modes of competition and facilitation changes spatial pattern formation in plant populations. The study shows that facilitation by itself can play an important role in promoting plant aggregation independent of other ecological factors (e.g. seed dispersal, recruitment, and environmental heterogeneity).
In the last part of my study, I went from population level to community level and explored the possibility of combining MST and unified neutral theory of biodiversity (UNT). The analysis of extensive data confirms that most plant populations examined are nearly neutral in the sense of demographic trade-offs, which can mostly be explained by a simple allometric scaling rule based on MST. This demographic equivalence regarding birth-death trade-offs between different species and functional groups is consistent with the assumptions of neutral theory but allows functional differences between species. My initial study reconciles the debate about whether niche or neutral mechanisms structure natural communities: the real question should be when and why one of these factors dominates.
A synthesis of existing theories will strengthen future ecology in theory and application. All the studies presented in my dissertation showed that the approaches of individual-based and pattern-oriented modelling are promising to achieve the synthesis.
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Ultra-dense co-integration of FeFETs and CMOS logic enabling very-fine grained Logic-in-MemoryBreyer, Evelyn T., Mulaosmanovic, Halid, Trommer, Jens, Melde, Thomas, Dünkel, Stefan, Trentzsch, Martin, Beyer, Sven, Mikolajick, Thomas, Slesazeck, Stefan 23 June 2022 (has links)
Ferroelectric field-effect transistors (FeFET) based on hafnium oxide offer great opportunities for Logic-in-Memory applications, due to their natural ability to combine logic (transistor) and memory (ferroelectric material), their low-power operation, and CMOS compatible integration. Besides aggressive scaling, dense integration of FeFETs is necessary to make electronic circuits more area-efficient. This paper investigates the impact of ultra-dense co-integration of a FeFET and an n-type selector FET, sharing the same active area, arranged in a 2TNOR memory array. The examined FeFETs exhibit a very similar switching behavior as FeFETs arranged in a standard AND-type array, indicating that the ultra-dense co-integration does not degrade the FeFET performance, and thus, paves the path to a very fine-grained, ultra-dense Logic-in-Memory implementation. Based on this densely integrated 2TNOR array we propose a very compact design of a 4-to-1 multiplexer with a build-in look-up table, thus directly merging logic and memory.
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Die Neigung zu Schwarzfleckigkeit bei Kartoffeln (Solanum tuberosum) unter besonderer Berücksichtigung der Knollenphysiologie / Blackspot susceptibility in potato (Solanum tuberosum) tubers with regards to tuber physiologyWulkow, Antje 28 May 2009 (has links)
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Insights, Ideen und Innovationen: Ethnografische Nutzerforschung als Methode der InnovationsentwicklungSchulz, Jörn 17 October 2017 (has links)
Ein Blick in die Innovationsabteilungen international agierender Konzerne wie z.B. Intel, Google, Nokia, IBM oder die Deutsche Telekom verrät: große Unternehmen setzen auf ethnografische Forschung bei der Innovationsentwicklung. Unter Fachbezeichnungen wie Business Anthropology, Corporate Ethnography, Commercial Ethnography und anderen ist dabei ein Wissenschaftszweig der Ethnologie und Kulturanthropologie entstanden, der sich mit dem Einsatz von Ethnografie im privatwirtschaftlichen Bereich auseinandersetzt. In diesem Diskurs über Ethnografie im Dienste der Privatwirtschaft ist diese Dissertation zu verorten. Dabei geht es um Ethnografie, die eingesetzt wird, um latente Bedürfnisse und Wünsche sowie Alltagsprobleme von Nutzern zu identifizieren und daraus Ideen für innovative Produkte und Services entwickeln zu können, die in die Lebenswirklichkeiten der Nutzer passen. Anhand der Fallstudienbeschreibung einer ethnografischen Nutzerforschung für das Projekt FLEX 2.0 beim Team User Driven Innovation (UDI) in den Telekom Innovation Laboratories (T-Labs) soll exemplarisch illustriert werden, wie Ethnografie in der Privatwirtschaft verstanden wird und wie sie durchgeführt werden kann. Einer der zentralen Aspekte dieser Dissertation ist es zu erörtern, ob der Einsatzkontext Auswirkungen auf die Ethnografie hat und welche das gegebenenfalls sind.
Entstanden ist dabei eine Dissertation, die dreierlei Punkte erfüllen soll: 1. Der Text möchte eine bei UDI durchgeführte ethnografische Nutzerforschung möglichst transparent und nachvollziehbar machen und durch eine szenische Darstellung Schritt für Schritt zeigen, wie ethnografische Forschung in der Privatwirtschaft aussehen kann. 2. Diese Arbeit ist auch als eine Anleitung für das Durchführen einer eigenen ethnografischen Nutzerforschung zu lesen. Praxistipps, Kontextinformationen und einige Dokumentenvorlagen sollen helfen, die Organisation einer ethnografischen Nutzerforschung zu vereinfachen. 3. Auf methodologischer Ebene erörtert der Text, was der Einsatz von Ethnografie in der Privatwirtschaft für die Methodologie bedeutet und welche Implikationen dies hat. / A look at the innovation divisions of internationally active corporations such as Intel, Google, Nokia, IBM or Deutsche Telekom reveals that large companies rely on ethnographic research for their innovation development. Under names such as Business Anthropology, Corporate Ethnography, Commercial Ethnography, and others, a branch of ethnology and cultural anthropology has emerged, dealing with the use of ethnography in the private sector. This dissertation is situated in the discourse on ethnography in the service of the private economy. It is about ethnography that is used to identify latent needs and desires as well as everyday problems of users and to develop ideas for innovative products and services that fit into the life experiences of the users. With the help of the case study of an ethnographic user research for the project FLEX 2.0 at the team User Driven Innovation (UDI) in the Telekom Innovation Laboratories (T-Labs), an example is presented of how ethnography is understood in the private sector and how it can be carried out. One of the central aspects of this dissertation is to discuss whether the use in this context has an impact on ethnography.
The dissertation covers three major points: 1. The text aims to make the ethnographic user research carried out at UDI as transparent and comprehensible as possible and to show step by step how ethnographic research can look in the private economy. 2. The text can also be read as a how to guide for carrying out ethnographic user research. Practical advices, contextual information, and some document templates will help to simplify the conduction of ethnographic user research. 3. At the methodological level, the text discusses what the use of ethnography in the private economy means for the methodology and what implications this has.
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Charge transport and energy levels in organic semiconductors / Ladungstransport und Energieniveaus in organischen HalbleiternWidmer, Johannes 25 November 2014 (has links) (PDF)
Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design.
In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor.
For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary.
The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES).
These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices. / Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung.
Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters.
Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist.
Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt.
Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile.
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Charge transport and energy levels in organic semiconductorsWidmer, Johannes 02 October 2014 (has links)
Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design.
In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor.
For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary.
The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES).
These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices.:1. Introduction
2. Organic semiconductors and devices
2.1. Organic semiconductors
2.1.1. Conjugated π system
2.1.2. Small molecules and polymers
2.1.3. Disorder in amorphous materials
2.1.4. Polarons
2.1.5. Polaron hopping
2.1.6. Fermi-Dirac distribution and Fermi level
2.1.7. Quasi-Fermi levels
2.1.8. Trap states
2.1.9. Doping
2.1.10. Excitons
2.2. Interfaces and blend layers
2.2.1. Interface dipoles
2.2.2. Energy level bending
2.2.3. Injection from metal into semiconductor, and extraction
2.2.4. Excitons at interfaces
2.3. Charge transport and recombination in organic semiconductors
2.3.1. Drift transport
2.3.2. Charge carrier mobility
2.3.3. Thermally activated transport
2.3.4. Diffusion transport
2.3.5. Drift-diffusion transport
2.3.6. Space-charge limited current
2.3.7. Recombination
2.4. Mobility measurement
2.4.1. SCLC and TCLC
2.4.2. Time of flight
2.4.3. Organic field effect transistors
2.4.4. CELIV
2.5. Organic solar cells
2.5.1. Exciton diffusion towards the interface
2.5.2. Dissociation of CT states
2.5.3. CT recombination
2.5.4. Flat and bulk heterojunction
2.5.5. Transport layers
2.5.6. Thin film optics
2.5.7. Current-voltage characteristics and equivalent circuit
2.5.8. Solar cell efficiency
2.5.9. Limits of efficiency
2.5.10. Correct solar cell characterization
2.5.11. The \"O-Factor\"
3. Materials and experimental methods
3.1. Materials
3.2. Device fabrication and layout
3.2.1. Layer deposition
3.2.2. Encapsulation
3.2.3. Homogeneity of layer thickness on a wafer
3.2.4. Device layout
3.3. Characterization
3.3.1. Electrical characterization
3.3.2. Sample illumination
3.3.3. Temperature dependent characterization
3.3.4. UPS
4. Simulations
5.1. Design of single carrier devices
5.1.1. General design requirements
5.1.2. Single carrier devices for space-charge limited current
5.1.3. Ohmic regime
5.1.4. Design of injection and extraction layers
5.2. Advanced evaluation of SCLC – potential mapping
5.2.1. Potential mapping by thickness variation
5.2.2. Further evaluation of the transport profile
5.2.3. Injection into and extraction from single carrier devices
5.2.4. Majority carrier approximation
5.3. Proof of principle: POEM on simulated data
5.3.1. Constant mobility
5.3.2. Field dependent mobility
5.3.3. Field and charge density activated mobility
5.3.4. Conclusion
5.4. Application: Transport characterization in organic semiconductors
5.4.1. Hole transport in ZnPc:C60
5.4.2. Hole transport in ZnPc:C60 – temperature variation
5.4.3. Hole transport in ZnPc:C60 – blend ratio variation
5.4.4. Hole transport in ZnPc:C70
5.4.5. Hole transport in neat ZnPc
5.4.6. Hole transport in F4-ZnPc:C60
5.4.7. Hole transport in DCV-5T-Me33:C60
5.4.8. Electron transport in ZnPc:C60
5.4.9. Electron transport in neat Bis-HFl-NTCDI
5.5. Summary and discussion of the results
5.5.1. Phthalocyanine:C60 blends
5.5.2. DCV-5T-Me33:C60
5.5.3. Conclusion
6. Organic solar cell characteristics: the influence of temperature
6.1. ZnPc:C60 solar cells
6.1.1. Temperature variation
6.1.2. Illumination intensity variation
6.2. Voc in flat and bulk heterojunction organic solar cells
6.2.1. Qualitative difference in Voc(I, T)
6.2.2. Interpretation of Voc(I, T)
6.3. BHJ stoichiometry variation
6.3.1. Voc upon variation of stoichiometry and contact layer
6.3.2. V0 upon stoichiometry variation
6.3.3. Low donor content stoichiometry
6.3.4. Conclusion from stoichiometry variation
6.4. Transport material variation
6.4.1. HTM variation
6.4.2. ETM variation
6.5. Donor:acceptor material variation
6.5.1. Donor variation
6.5.2. Acceptor variation
6.6. Conclusion
7. Summary and outlook
7.1. Summary
7.2. Outlook
A. Appendix
A.1. Energy pay-back of this thesis
A.2. Tables and registers / Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung.
Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters.
Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist.
Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt.
Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile.:1. Introduction
2. Organic semiconductors and devices
2.1. Organic semiconductors
2.1.1. Conjugated π system
2.1.2. Small molecules and polymers
2.1.3. Disorder in amorphous materials
2.1.4. Polarons
2.1.5. Polaron hopping
2.1.6. Fermi-Dirac distribution and Fermi level
2.1.7. Quasi-Fermi levels
2.1.8. Trap states
2.1.9. Doping
2.1.10. Excitons
2.2. Interfaces and blend layers
2.2.1. Interface dipoles
2.2.2. Energy level bending
2.2.3. Injection from metal into semiconductor, and extraction
2.2.4. Excitons at interfaces
2.3. Charge transport and recombination in organic semiconductors
2.3.1. Drift transport
2.3.2. Charge carrier mobility
2.3.3. Thermally activated transport
2.3.4. Diffusion transport
2.3.5. Drift-diffusion transport
2.3.6. Space-charge limited current
2.3.7. Recombination
2.4. Mobility measurement
2.4.1. SCLC and TCLC
2.4.2. Time of flight
2.4.3. Organic field effect transistors
2.4.4. CELIV
2.5. Organic solar cells
2.5.1. Exciton diffusion towards the interface
2.5.2. Dissociation of CT states
2.5.3. CT recombination
2.5.4. Flat and bulk heterojunction
2.5.5. Transport layers
2.5.6. Thin film optics
2.5.7. Current-voltage characteristics and equivalent circuit
2.5.8. Solar cell efficiency
2.5.9. Limits of efficiency
2.5.10. Correct solar cell characterization
2.5.11. The \"O-Factor\"
3. Materials and experimental methods
3.1. Materials
3.2. Device fabrication and layout
3.2.1. Layer deposition
3.2.2. Encapsulation
3.2.3. Homogeneity of layer thickness on a wafer
3.2.4. Device layout
3.3. Characterization
3.3.1. Electrical characterization
3.3.2. Sample illumination
3.3.3. Temperature dependent characterization
3.3.4. UPS
4. Simulations
5.1. Design of single carrier devices
5.1.1. General design requirements
5.1.2. Single carrier devices for space-charge limited current
5.1.3. Ohmic regime
5.1.4. Design of injection and extraction layers
5.2. Advanced evaluation of SCLC – potential mapping
5.2.1. Potential mapping by thickness variation
5.2.2. Further evaluation of the transport profile
5.2.3. Injection into and extraction from single carrier devices
5.2.4. Majority carrier approximation
5.3. Proof of principle: POEM on simulated data
5.3.1. Constant mobility
5.3.2. Field dependent mobility
5.3.3. Field and charge density activated mobility
5.3.4. Conclusion
5.4. Application: Transport characterization in organic semiconductors
5.4.1. Hole transport in ZnPc:C60
5.4.2. Hole transport in ZnPc:C60 – temperature variation
5.4.3. Hole transport in ZnPc:C60 – blend ratio variation
5.4.4. Hole transport in ZnPc:C70
5.4.5. Hole transport in neat ZnPc
5.4.6. Hole transport in F4-ZnPc:C60
5.4.7. Hole transport in DCV-5T-Me33:C60
5.4.8. Electron transport in ZnPc:C60
5.4.9. Electron transport in neat Bis-HFl-NTCDI
5.5. Summary and discussion of the results
5.5.1. Phthalocyanine:C60 blends
5.5.2. DCV-5T-Me33:C60
5.5.3. Conclusion
6. Organic solar cell characteristics: the influence of temperature
6.1. ZnPc:C60 solar cells
6.1.1. Temperature variation
6.1.2. Illumination intensity variation
6.2. Voc in flat and bulk heterojunction organic solar cells
6.2.1. Qualitative difference in Voc(I, T)
6.2.2. Interpretation of Voc(I, T)
6.3. BHJ stoichiometry variation
6.3.1. Voc upon variation of stoichiometry and contact layer
6.3.2. V0 upon stoichiometry variation
6.3.3. Low donor content stoichiometry
6.3.4. Conclusion from stoichiometry variation
6.4. Transport material variation
6.4.1. HTM variation
6.4.2. ETM variation
6.5. Donor:acceptor material variation
6.5.1. Donor variation
6.5.2. Acceptor variation
6.6. Conclusion
7. Summary and outlook
7.1. Summary
7.2. Outlook
A. Appendix
A.1. Energy pay-back of this thesis
A.2. Tables and registers
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