This study focuses on realization of a Brain Computer Interface (BCI)for the paralyzed to control assistive environmental devices. For this purpose, different motor imagery tasks are classified using different signal processing methods. Specifically, band-pass filtering, Laplacian filtering, and common average reference (CAR) filtering areused to enhance the EEG signal. For feature extraction / Common Spatial Pattern (CSP), Power Spectral Density (PSD), and Principal Component Analysis (PCA) are tested. Linear Feature Normalization (LFN), Gaussian Feature Normalization (GFN), and Unit-norm Feature Vector Normalization (UFVN) are studied in Support Vector Machine (SVM) and Artificial Neural Network (ANN) classification. In order to evaluate and compare the performance of the methodologies, classification accuracy, Cohen&rsquo / s kappa coefficient, and Nykopp&rsquo / s information transfer are utilized. The first experiments on classifying motor imagery tasks are realized on the 3-class dataset (V) provided for BCI Competition III. Also, a 4-class problem is studied using the dataset (IIa) provided for BCI Competition IV. Then, 5 different tasks are studied in the METU Brain Research Laboratory to find the optimum number and type of tasks to control a motor imagery based BCI. Thereafter, an interface is designed for the paralyzed to control assistive environmental devices. Finally, a test application is implemented and online performance of the design is evaluated.

This thesis describes the syntheses, the crystal structures, and the physical properties of some new ternary and quaternary rare-earth coinage metal arsenides, selenides and oxides. All ternary compounds LnCu1+[delta]As2 (Ln = Y, La, Ce, Nd, Sm, Gd - Lu), LnAg1+[delta]As2 (Ln = La - Nd, Sm), and LnAuAs2 (Ln = Pr, Sm, Gd, Tb) adopt structures closely related to the HfCuSi2 type consisting of PbO-like layers of T and As atoms, square layers of As atoms and layers of Ln atoms separating the former two building units. All copper compounds of this series contain regular square nets of As atoms, whereas the respective nets in the silver and gold compounds are distorted. Two principally different patterns of distortion have been found: [As] zigzag chains in LnAgAs2 (Ln = Pr, Nd, Sm) and [As] cis-trans chains in LaAg1.01(1)As2, CeAgAs2, and PrAuAs2. Both patterns can undergo a further reduction of symmetry to end up with a pattern of As2 dumb-bells as can be seen in SmAuAs2, GdAuAs2, and TbAuAs2. Stoichiometric samples LnCuAs2 (Ln = Y, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Er) have been used for measurements of the conductivity [rho], magnetic susceptibility [chi] and heat capacity cp. All investigated compounds exhibit metallic conductivity and, except for Y, order antiferromagnetically at temperatures below 10 K. In contrast to LnCuAs2 compounds, the silver compound CeAgAs2 shows semiconducting behavior throughout the temperature range from 4 to 350 K, whereas in PrAgAs2 metallic conductivity is preserved. The crystal structure of Sm2CuAs3O contains two different PbO-like layers formed either by Sm and O or Cu and As atoms. Both PbO-type layers are separated by sheets of Sm and distorted square nets of As atoms. The As atoms are arranged in planar zigzag chains, like those found in NdAgAs2. Sm2CuAs3O is thus the first quaternary rare-earth pnictide oxide with a distorted As net. The quaternary potassium rare-earth copper selenides KGd2CuSe4, KLn2Cu3Se5 (Ln = Ho, Er, Tm), and K2Ln4Cu4Se9 (Ln = Dy, Y) extend three series of previously described sulfide and selenide compounds. All three series adopt a three-dimensional tunnel structure built up by [LnSe6] octahedra and [CuSe4] tetrahedra. The K atoms reside in the tunnels with a bicapped trigonal prismatic coordination of eight Se atoms for KGd2CuSe4 and KLn2Cu3Se5 (Ln = Ho, Er, Tm), while for K2Ln4Cu4Se9 (Ln = Dy, Y), the K atoms are coordinated by seven Se atoms in monocappped trigonal prisms.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkung von Verarbeitung und Gefüge Mn-Al basierter hartmagnetischer Werkstoffe sowie die Auswirkung des Gefüges auf deren Eigenschaften. Dabei wurde das Gefüge der metastabilen tau-Phase im Anschluss an die Phasenbildung aus der Hochtemperaturphase epsilon-MnAl und die Auswirkung einer anschließenden Umformung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Analyse der Evolution verschiedener Gefügebestandteile, wie Grenzflächenverteilung, Versetzungen und Korngröße unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung. Die epsilon-tau Umwandlung kann auf 2 verschiedene Routen erfolgen. In beiden Fällen wird die Bildung von 3 kristallographisch unterschiedlichen zwillingsähnlichen Defekten beobachtet, die als wahre Zwillinge, Ordnungszwillinge und Pseudozwillinge bezeichnet werden. Sie lassen sich als Rotationen um einen kristallographischen {111}-Pol beschreiben. Der Anteil der Zwillingsdefekte nach der Umwandlung, aber auch die Korngröße und Versetzungsdichte sind von der gewählten Umwandlungsroute abhängig. Während die Sättigungspolarisation annähernd gleich ist, reagiert die Koerzitivfeldstärke sensitiv auf den Gefügezustand. Eine niedrige Korngröße und hohe Versetzungsdichte tragen zu ihrer Erhöhung bei. Eine anschließende Kaltumformung erzeugt ein vielfach verzwillingtes Verformungsgefüge mit hoher Koerzitivfeldstärke. Wärmebehandlungen und die Analyse der Schärfe von Kikuchi-Beugungsbildern haben gezeigt, dass nicht die hohe Zwillingsdichte, sondern primär Versetzungen im Verformungsgefüge die Koerzitivfeldstärke steigern. Warmumformung von tau-MnAl führt zur dynamischen Rekristallisation. Die Kinetik der Gefügeneubildung und die resultierende Korngröße sind stark von der Umformtemperatur abhängig. Durch Umformung lässt sich eine kristallographische Texturierung von tau-MnAl erreichen. Die Orientierung der magnetisch leichten [001]-Richtung ist dabei vom gewählten Umformverfahren und gegebenenfalls von der Nachbehandlung abhängig. Statische und dynamische Rekristallisation reduzieren den Anteil der Zwillingsdefekte signifikant und besonders Pseudozwillinge und Ordnungszwillinge werden im Gefüge beseitigt. Das Rekristallisationsgefüge weist gegenüber dem Umwandlungsgefüge einen geringeren Widerstand gegen die mit der Zersetzungsreaktion verbundene Bildung von beta-Mn auf. Die Ursache liegt in einer selektiven beta-Mn-Bildung an allgemeinen Korngrenzen, während die Zwillingsdefekte einen erhöhten Widerstand gegen sie Zersetzung aufweisen.

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Die vorliegende Arbeit behandelt die Wechselwirkung von Verarbeitung und Gefüge Mn-Al basierter hartmagnetischer Werkstoffe sowie die Auswirkung des Gefüges auf deren Eigenschaften. Dabei wurde das Gefüge der metastabilen tau-Phase im Anschluss an die Phasenbildung aus der Hochtemperaturphase epsilon-MnAl und die Auswirkung einer anschließenden Umformung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Analyse der Evolution verschiedener Gefügebestandteile, wie Grenzflächenverteilung, Versetzungen und Korngröße unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung. Die epsilon-tau Umwandlung kann auf 2 verschiedene Routen erfolgen. In beiden Fällen wird die Bildung von 3 kristallographisch unterschiedlichen zwillingsähnlichen Defekten beobachtet, die als wahre Zwillinge, Ordnungszwillinge und Pseudozwillinge bezeichnet werden. Sie lassen sich als Rotationen um einen kristallographischen {111}-Pol beschreiben. Der Anteil der Zwillingsdefekte nach der Umwandlung, aber auch die Korngröße und Versetzungsdichte sind von der gewählten Umwandlungsroute abhängig. Während die Sättigungspolarisation annähernd gleich ist, reagiert die Koerzitivfeldstärke sensitiv auf den Gefügezustand. Eine niedrige Korngröße und hohe Versetzungsdichte tragen zu ihrer Erhöhung bei. Eine anschließende Kaltumformung erzeugt ein vielfach verzwillingtes Verformungsgefüge mit hoher Koerzitivfeldstärke. Wärmebehandlungen und die Analyse der Schärfe von Kikuchi-Beugungsbildern haben gezeigt, dass nicht die hohe Zwillingsdichte, sondern primär Versetzungen im Verformungsgefüge die Koerzitivfeldstärke steigern. Warmumformung von tau-MnAl führt zur dynamischen Rekristallisation. Die Kinetik der Gefügeneubildung und die resultierende Korngröße sind stark von der Umformtemperatur abhängig. Durch Umformung lässt sich eine kristallographische Texturierung von tau-MnAl erreichen. Die Orientierung der magnetisch leichten [001]-Richtung ist dabei vom gewählten Umformverfahren und gegebenenfalls von der Nachbehandlung abhängig. Statische und dynamische Rekristallisation reduzieren den Anteil der Zwillingsdefekte signifikant und besonders Pseudozwillinge und Ordnungszwillinge werden im Gefüge beseitigt. Das Rekristallisationsgefüge weist gegenüber dem Umwandlungsgefüge einen geringeren Widerstand gegen die mit der Zersetzungsreaktion verbundene Bildung von beta-Mn auf. Die Ursache liegt in einer selektiven beta-Mn-Bildung an allgemeinen Korngrenzen, während die Zwillingsdefekte einen erhöhten Widerstand gegen sie Zersetzung aufweisen.

Im binären Mn-Ga-System wurde für Legierungen mit 55 at.% bis 65 at.% Mangan die Phasenbildung der L10-Phase mit Röntgenbeugung und Differenzialkalorimetrie untersucht. Nach der Herstellung der L10-Phase in allen Legierungen erfolgte eine Untersuchung der intrinsischen magnetischen Eigenschaften. Die Mn55Ga45-Legierung zeigte dabei die höchste Sättigungsmagnetisierung mit µ0Ms = 0,81 T. Für diese Legierung erfolgten deshalb Versuche zur Verbesserung der extrinsischen Eigenschaften. Dazu wurden Pulver gemahlen und die Möglichkeit der Ausrichtung im Magnetfeld untersucht. Dabei konnte ein Texturgrad von 0,45 für Pulver mit einer Partikelgröße kleiner 10 µm erreicht und die Koerzitivfeldstärke um das 7-fache gegenüber der Volumenprobe erhöht werden. Weiterhin konnten die Pulverproben durch Heißkompaktieren bei 400 °C erneut zu einer Volumenprobe gepresst werden. Die dabei erhaltene Probe besitzt eine Koerzitivfeldstärke von 0,16 T und eine leicht reduzierte Sättigungsmagnetisierung auf Grund einer Packungsdichte von 83 %. Im ternären Mn-Al-Ga-System wurden Proben der Sollzusammensetzung Mn55Al45-xGax mit 5,625 < x < 22,5 hergestellt. Für Legierungen mit x >= 11,86 erwies sich eine Wärmebehandlung bei 600°C für 24 Stunden als ausreichend die reine L10-Phase zu erzeugen. Bei den Legierungen mit einem geringeren Ga-Anteil war eine zweistufige Wärmebehandlung notwendig, um ausschließlich L10 zu erhalten. Nach der ersten Wärmebehandlung bei 1100 °C entstand ein Phasengemisch aus gamma2 und L10(epsilon). Letzteres wurde aus der epsilon-Hochtemperaturphase gebildet. Durch die anschließende Wärmebehandlung bei 500 °C für 24 Stunden konnte die verbleibende gamma2-Phase in L10(gamma2) umgewandelt werden. Untersuchungen der lokalen Legierungszusammensetzung ergaben einen geringeren Mn-Anteil der L10(gamma2)-Phase im Vergleich zu L10(epsilon). Die Unterschiede in den zwei L10-Phasen konnten weiterhin durch eine Reflexaufspaltung in den Röntgenbeugungsaufnahmen sowie der Existenz zweier Curie-Temperaturen bestätigt werden. Die gemessenen Sättigungsmagnetisierungen ergaben eine Superposition beider Phasen und einen maximalen Wert von µ0Ms = 0,85 T. Untersuchungen der thermischen Stabilität der L10-Phasen bei 700 °C zeigten, dass die L10(gamma2)-Phase thermisch stabil ist und sich die L10(epsilon)-Phase langsam in beta-Mn und gamma2 zersetzt. Bei der Zersetzung war im Vergleich zum binären Mn-Al-System eine starke Steigerung der thermischen Stabilität durch die Substitution geringer Mengen Galliums zu erkennen. Über die zersetzungsbedingte Reduktion der Magnetisierung konnten Abschätzungen der Zersetzungskinetik getroffen werden.

This thesis describes the syntheses, the crystal structures, and the physical properties of some new ternary and quaternary rare-earth coinage metal arsenides, selenides and oxides. All ternary compounds LnCu1+[delta]As2 (Ln = Y, La, Ce, Nd, Sm, Gd - Lu), LnAg1+[delta]As2 (Ln = La - Nd, Sm), and LnAuAs2 (Ln = Pr, Sm, Gd, Tb) adopt structures closely related to the HfCuSi2 type consisting of PbO-like layers of T and As atoms, square layers of As atoms and layers of Ln atoms separating the former two building units. All copper compounds of this series contain regular square nets of As atoms, whereas the respective nets in the silver and gold compounds are distorted. Two principally different patterns of distortion have been found: [As] zigzag chains in LnAgAs2 (Ln = Pr, Nd, Sm) and [As] cis-trans chains in LaAg1.01(1)As2, CeAgAs2, and PrAuAs2. Both patterns can undergo a further reduction of symmetry to end up with a pattern of As2 dumb-bells as can be seen in SmAuAs2, GdAuAs2, and TbAuAs2. Stoichiometric samples LnCuAs2 (Ln = Y, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Er) have been used for measurements of the conductivity [rho], magnetic susceptibility [chi] and heat capacity cp. All investigated compounds exhibit metallic conductivity and, except for Y, order antiferromagnetically at temperatures below 10 K. In contrast to LnCuAs2 compounds, the silver compound CeAgAs2 shows semiconducting behavior throughout the temperature range from 4 to 350 K, whereas in PrAgAs2 metallic conductivity is preserved. The crystal structure of Sm2CuAs3O contains two different PbO-like layers formed either by Sm and O or Cu and As atoms. Both PbO-type layers are separated by sheets of Sm and distorted square nets of As atoms. The As atoms are arranged in planar zigzag chains, like those found in NdAgAs2. Sm2CuAs3O is thus the first quaternary rare-earth pnictide oxide with a distorted As net. The quaternary potassium rare-earth copper selenides KGd2CuSe4, KLn2Cu3Se5 (Ln = Ho, Er, Tm), and K2Ln4Cu4Se9 (Ln = Dy, Y) extend three series of previously described sulfide and selenide compounds. All three series adopt a three-dimensional tunnel structure built up by [LnSe6] octahedra and [CuSe4] tetrahedra. The K atoms reside in the tunnels with a bicapped trigonal prismatic coordination of eight Se atoms for KGd2CuSe4 and KLn2Cu3Se5 (Ln = Ho, Er, Tm), while for K2Ln4Cu4Se9 (Ln = Dy, Y), the K atoms are coordinated by seven Se atoms in monocappped trigonal prisms.

Die Arbeit beinhaltet eine Untersuchung der magnetischen Anregungen in NdCu2 mittels inelastischer Neutronenstreuung. Die Zielsetzung besteht darin, die zur Beschreibung der magnetischen Eigenschaften notwendige Austauschwechselwirkung zu charakterisieren. Dazu wurden die Spinwellendispersionsrelationen in mehreren magnetischen Phasen gemessen (ferro-, ferri-, antiferromagnetisch; magnetische Momente parallel b). Die Lage der in der ferromagnetischen Phase F3 erwarteten zwei Dispersionszweige konnte vollständig bestimmt werden. Auffälligstes Merkmal ist ein ausgeprägtes Minimum an der Stelle q=(0.35,0,0), welches eine Energielücke im Anregungsspektrum definiert. Die Lage des Minimums fällt mit keinem der in NdCu2 beobachteten magnetischen Ordnungsvektoren zusammen, wodurch die starke magnetischen Anisotropie des Systems zum Ausdruck kommt. An die experimentell ermittelte Spinwellendispersion in der Phase F3 wurde ein MF-RPA-Modell angepaßt, welches einen Satz magnetischer Kopplungsparameter liefert. Durch Anwendung dieser Kopplungsparameter auf andere Verbindungen der RCu2-Reihe lassen sich Aussagen zum magnetischen Ordnungsprozeß in diesen Verbindungen machen. Werden die magnetischen Momente durch Anlegen eines starken Magnetfeldes in c-Richtung ausgerichtet, so läßt sich die Austauschkopplung innerhalb der ab-Ebene untersuchen. Die magnetischen Anregungen wurden bei µ0Hc=12T und T=2K gemessen. Das Minimum im Anregungsspektrum liegt jetzt bei q=(0.6,0,0) und damit im Bereich der magnetischen Ordnungsvektoren. Ein besonders interessantes Phänomen innerhalb der RCu2-Reihe ist die sogenannte Achsenkonversion. Mittels elastischer Neutronenstreuung konnte erstmals gezeigt werden, daß eine Achsenkonversion auch in RCu2-Verbindungen auftritt, in denen die leichte Magnetisierungsrichtung parallel zur orthorhombischen b-Achse liegt. In NdCu2 deuten starke magnetostriktive Effekte und das Zusammenbrechen eines Bragg-Reflexes bei µ0Hc=12.5T und T=2K auf einen strukturellen Phasenübergang hin. Im abnehmenden äußeren Magnetfeld relaxieren die strukturellen Änderungen bis zum Erreichen des Nullfeldes nicht. Nach der Konversion wurde zwischen µ0Hc=0T und 6T eine neue antiferromagnetische Phase beobachtet. Die Rückkonversion in den Ausgangszustand erfolgt durch Erwärmung der Probe auf T=130K.

Die Arbeit beinhaltet eine Untersuchung der magnetischen Anregungen in NdCu2 mittels inelastischer Neutronenstreuung. Die Zielsetzung besteht darin, die zur Beschreibung der magnetischen Eigenschaften notwendige Austauschwechselwirkung zu charakterisieren. Dazu wurden die Spinwellendispersionsrelationen in mehreren magnetischen Phasen gemessen (ferro-, ferri-, antiferromagnetisch; magnetische Momente parallel b). Die Lage der in der ferromagnetischen Phase F3 erwarteten zwei Dispersionszweige konnte vollständig bestimmt werden. Auffälligstes Merkmal ist ein ausgeprägtes Minimum an der Stelle q=(0.35,0,0), welches eine Energielücke im Anregungsspektrum definiert. Die Lage des Minimums fällt mit keinem der in NdCu2 beobachteten magnetischen Ordnungsvektoren zusammen, wodurch die starke magnetischen Anisotropie des Systems zum Ausdruck kommt. An die experimentell ermittelte Spinwellendispersion in der Phase F3 wurde ein MF-RPA-Modell angepaßt, welches einen Satz magnetischer Kopplungsparameter liefert. Durch Anwendung dieser Kopplungsparameter auf andere Verbindungen der RCu2-Reihe lassen sich Aussagen zum magnetischen Ordnungsprozeß in diesen Verbindungen machen. Werden die magnetischen Momente durch Anlegen eines starken Magnetfeldes in c-Richtung ausgerichtet, so läßt sich die Austauschkopplung innerhalb der ab-Ebene untersuchen. Die magnetischen Anregungen wurden bei µ0Hc=12T und T=2K gemessen. Das Minimum im Anregungsspektrum liegt jetzt bei q=(0.6,0,0) und damit im Bereich der magnetischen Ordnungsvektoren. Ein besonders interessantes Phänomen innerhalb der RCu2-Reihe ist die sogenannte Achsenkonversion. Mittels elastischer Neutronenstreuung konnte erstmals gezeigt werden, daß eine Achsenkonversion auch in RCu2-Verbindungen auftritt, in denen die leichte Magnetisierungsrichtung parallel zur orthorhombischen b-Achse liegt. In NdCu2 deuten starke magnetostriktive Effekte und das Zusammenbrechen eines Bragg-Reflexes bei µ0Hc=12.5T und T=2K auf einen strukturellen Phasenübergang hin. Im abnehmenden äußeren Magnetfeld relaxieren die strukturellen Änderungen bis zum Erreichen des Nullfeldes nicht. Nach der Konversion wurde zwischen µ0Hc=0T und 6T eine neue antiferromagnetische Phase beobachtet. Die Rückkonversion in den Ausgangszustand erfolgt durch Erwärmung der Probe auf T=130K.