Ag is a widely used electrical contact material due to its excellent electrical properties. The problems with Ag are that it is soft and has poor tribological properties (high friction and wear in Ag/Ag sliding contacts). For smart grid applications, friction and wear became increasingly important issues to be improved, due to much higher sliding frequency in the harsh operation environment. The aim of this thesis is to explore several different concepts to improve the properties of Ag electrical contacts for smart grid applications. Bulk Ag-X (X=Al, Sn In) alloys were synthesized by melting of metals. An important result was that the presence of a hcp phase in the alloys significantly reduced friction coefficients and wear rates compared to Ag. This was explained by a sliding-induced reorientation of easy-shearing planes in the hexagonal structure. The Ag-In system showed the best combination of properties for potential use in future contact applications.  This thesis has also demonstrated the strength of a combinatorial approach as a high-throughput method to rapidly screen Ag-based alloy coatings. It was also used for a rapid identification of optimal deposition parameters for reactive sputtering of a complex AgFeO2 oxide with narrow synthesis window. A new and rapid process was developed to grow low frictional AgI coatings and a novel designed microstructure of nanoporous Ag filled with AgI (n-porous Ag/AgI) using a solution chemical method was also explored. The AgI coatings exhibited low friction coefficient and acceptable contact resistance. However, under very harsh conditions, their lifetime is too short. The initial tribotests showed high friction coefficient of the n-porous Ag/AgI coating, indicating an issue regarding its mechanical integrity. The use of graphene as a solid lubricant in sliding electrical contacts was investigated as well. The results show that graphene is an excellent solid lubricant in Ag-based contacts. Furthermore, the lubricating effect was found to be dependent on chemical composition of the counter surface. As an alternative lubricant, graphene oxide is cheaper and easier to produce. Preliminary tests with graphene oxide showed a similar frictional behavior as graphene suggesting a potential use of this material as lubricant in Ag contacts.

<div> <p>Proper understanding of materials science is critical in understanding the functionality of ingredients in food products, as well as their behavior in these products over time. Amorphous materials are metastable, eventually rearranging to the thermodynamically stable crystalline state. Amorphous materials have properties which are beneficial in some food products: they are softer in texture and dissolve more rapidly. The amorphous state of sucrose might provide an increase in quality in applications like powdered beverages where rapid dissolution is preferred. A number of classes of compounds have been shown to delay the crystallization of amorphous sucrose; however, polyphenols, particularly their glycosylated forms, have been little explored. Glycosylated polyphenols contain two distinct structural regions: a more hydrophilic sugar unit(s) and a more hydrophobic polyphenol backbone. While the sugar unit should be able to easily associate with sucrose molecules, the polyphenolic backbone may not and might provide hindrance to crystal nucleation and growth.</p> <p> </p> <p> Thiamine is an essential nutrient that is found naturally in foods such as whole grains and pork. The processing of grains removes nearly the entirety of the natural thiamine content; thus, foods are often enriched with synthetic thiamine. Two salts of thiamine are used commercially: thiamine mononitrate and thiamine chloride hydrochloride. The two forms have specific applications driven by their specific properties, specifically their aqueous solubility and hygroscopicity. While these two salts provide adequate functionality, it is possible new salts may have properties beneficial in certain food applications. A method making use of silver nitrate was developed to produce new salt forms. An intermediate in this reaction, TCl·H₂O, was characterized including measurements of stability in aqueous solutions and solid state properties.</p> </div> <br>

This thesis examines strategies to exploit existing materials and techniques to advance organic thin film transistor (OTFT) technology in device performance, device manufacture, and device integration. To enhance device performance, optimization of plasma enhanced chemical vapor deposited (PECVD) gate dielectric thin film and investigation of interface engineering methodologies are explored. To advance device manufacture, OTFT fabrication strategies are developed to enable organic circuit integration. Progress in device integration is achieved through demonstration of OTFT integration into functional circuits for applications such as active-matrix displays and radio frequency identification (RFID) tags. OTFT integration schemes featuring a tailored OTFT-compatible photolithography process and a hybrid photolithography-inkjet printing process are developed. They enable the fabrication of fully-patterned and fully-encapsulated OTFTs and circuits. Research on improving device performance of bottom-gate bottom-contact poly(3,3'''-dialkyl-quarter-thiophene) (PQT-12) OTFTs on PECVD silicon nitride (SiNx) gate dielectric leads to the following key conclusions: (a) increasing silicon content in SiNx gate dielectric leads to enhancement in field-effect mobility and on/off current ratio; (b) surface treatment of SiNx gate dielectric with a combination of O2 plasma and octyltrichlorosilane (OTS) self-assembled monolayer (SAM) delivers the best OTFT performance; (c) an optimal O2 plasma treatment duration exists for attaining highest field-effect mobility and is linked to a “turn-around” effect; and (d) surface treatment of the gold (Au) source/drain contacts by 1-octanethiol SAM limits mobility and should be omitted. There is a strong correlation between the electrical characteristics and the interfacial characteristics of OTFTs. In particular, the device mobility is influenced by the interplay of various interfacial mechanisms, including surface energy, surface roughness, and chemical composition. Finally, the collective knowledge from these investigations facilitates the integration of OTFTs into organic circuits, which is expected to contribute to the development of new generation of all-organic displays for communication devices and other pertinent applications. A major outcome of this work is that it provides an economical means for organic transistor and circuit integration, by enabling use of the well-established PECVD infrastructure, yet not compromising the performance of electronics.

This thesis examines strategies to exploit existing materials and techniques to advance organic thin film transistor (OTFT) technology in device performance, device manufacture, and device integration. To enhance device performance, optimization of plasma enhanced chemical vapor deposited (PECVD) gate dielectric thin film and investigation of interface engineering methodologies are explored. To advance device manufacture, OTFT fabrication strategies are developed to enable organic circuit integration. Progress in device integration is achieved through demonstration of OTFT integration into functional circuits for applications such as active-matrix displays and radio frequency identification (RFID) tags. OTFT integration schemes featuring a tailored OTFT-compatible photolithography process and a hybrid photolithography-inkjet printing process are developed. They enable the fabrication of fully-patterned and fully-encapsulated OTFTs and circuits. Research on improving device performance of bottom-gate bottom-contact poly(3,3'''-dialkyl-quarter-thiophene) (PQT-12) OTFTs on PECVD silicon nitride (SiNx) gate dielectric leads to the following key conclusions: (a) increasing silicon content in SiNx gate dielectric leads to enhancement in field-effect mobility and on/off current ratio; (b) surface treatment of SiNx gate dielectric with a combination of O2 plasma and octyltrichlorosilane (OTS) self-assembled monolayer (SAM) delivers the best OTFT performance; (c) an optimal O2 plasma treatment duration exists for attaining highest field-effect mobility and is linked to a “turn-around” effect; and (d) surface treatment of the gold (Au) source/drain contacts by 1-octanethiol SAM limits mobility and should be omitted. There is a strong correlation between the electrical characteristics and the interfacial characteristics of OTFTs. In particular, the device mobility is influenced by the interplay of various interfacial mechanisms, including surface energy, surface roughness, and chemical composition. Finally, the collective knowledge from these investigations facilitates the integration of OTFTs into organic circuits, which is expected to contribute to the development of new generation of all-organic displays for communication devices and other pertinent applications. A major outcome of this work is that it provides an economical means for organic transistor and circuit integration, by enabling use of the well-established PECVD infrastructure, yet not compromising the performance of electronics.

Functionally graded materials (FGMs) are composites that have continuously varying material properties, which eliminate undesirable stress concentrations that might otherwise occur in layered composites. The concept of inhomogeneously varying properties is observed in nature; examples include bones, teeth, shells and timber. Modern engineering applications of FGMs include thermal barrier coatings, wear-resistant coatings, biomedical implants and MEMS devices. Syntactic foams, particle filled nano-composites are examples of inhomogeneous materials of current interest. Analyses and experiments available in the literature have focused on characterizing the inhomogeneous material modulus and density variations. Common techniques employed are nano-indentation and wave propagation studies. There are a few fracture mechanics analyses and experiments available in the literature; most of which are devoted to measuring the fracture toughness of graded materials. A few fracture analyses of graded materials are devoted to deriving asymptotic stress, strain and displacement fields around stationary and steadily growing cracks in inhomogeneous materials. Only a few studies exist that deal with understanding the effect of material property inhomogeneity on the spontaneous crack propagation. In the present thesis the effect of material property inhomogeneity on the dynamic fracture mechanics of cracks in FGMs is described. Numerical analysis of the elastodynamic initial boundary value problem is performed using a spectral scheme. Spectral scheme is a special numerical technique developed to simulate spontaneous, planar crack propagation in a variety of materials. The method is numerically efficient as it can be implemented on parallel machines with ease. The numerical scheme is versatile and can handle any state-and rate-dependent traction-separation laws (cohesive zone models) or frictional laws. Spectral scheme has successfully been used in simulating intersonic crack propagation, earthquake slip dynamics and also direct silicon wafer bonding process used in realizing 3D MEMS structures. In the present work, the spectral formulation accounts for the inhomogeneous variation in the material wave speeds in the medium. The effect of inhomogeneity on spontaneous crack propagation due to in-plane mixed-mode loading is also addressed here. A parametric study has been performed by varying the inhomogeneity length scales independently in the top and bottom half-spaces. The effect of inhomogeneity in shear wave speed on the dynamic stress intensity factors (SIFs) of a crack propagating in a quasi-steady-state along the interface between the two functionally graded half-spaces is studied. A symmetric hardening FGM offers the maximum fracture resistance, while the fracture resistance is minimum for a symmetric softening FGM. Our simulation shows that increasing the inhomogeneity in the wave speed leads to eliminate the overshoot in the dynamic stress intensity factor. The magnitude of the steady-state (long-time) SIF increases indicating an increase in the fracture resistance. The effect of the inhomogeneous wave speed on the mode-3 crack propagation characteristics is demonstrated by taking snapshots of the crack opening at a time interval. The magnitude of the crack sliding displacement is found to increase with increase in the inhomogeneity. The effect of the material property inhomogeneity on the mode-1 crack propagation is simulated to track the crack opening displacements. The inhomogeneity is assumed to be symmetric about the weak-plane. Our spectral scheme developed here for functionally graded material with exponential variation in the material properties is capable of simulating independent bimaterial combinations. When the graded material becomes progressively stiffer and denser (hardening), the crack opening displacement in reduced, indicating an increase in the fracture resistance. On the other hand, for the softening FGMs the crack opening displacement increases indicating a reduction in fracture toughness. It is noted that the cohesive fracture resistance on the weak-plane remains same in all the FGMs.

A great interest has been shown for self-assembled organic nano-structures that can be used in a variety of optoelectronic applications, from element detection to home electronics. It is known from experimental research that sexiphenyl (6P) grown on muscovite mica substrate form uniaxially self-assembled nanofibers which together with sexithiophene (6T) deposited on top gives the possibility to tune their polarized emission. A key to continue develop and explore the full potential of this technique is to understand the mechanisms behind the growth. This thesis investigate the initial growth of 6P and 6T on a 6Pˆ<img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cleft(11%20%5Cbar%7B1%7D%20%5Cright)%20%20%20" /> nanofiber substrate through Molecular Dynamics (MD) simulations. The adsorption of the molecules has been simulated with Simulated Annealing (SA) where 6P align perfectly with the substrate for all coverage while 6T starts to align after a certain amount of coverage. Both molecules show a monotonic increase in the adsorption energy per molecule with an increasing coverage. The surface diffusion of the molecules has been studied and shows a higher movement for both in the direction of the longmolecular axis. / Project P25154-N20 "Hetero-epitaxy of organic-organic nanofibers"

Abstract des Vortrages: Beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe im Mischbau spielt das mechanische Fügen eine große Rolle. Das Tragverhalten der Fügeverbindung steht dabei im direkten Zusammenhang zur Korrosionsbeständigkeit. Die schwerpunktmäßig in diesem geplanten Vorhaben zu betrachtenden mechanischen Fügeelemente erhalten zur Verbesserung des Korrosionsschutzes metallische Überzüge. Beim Einsatz von metallischen Überzügen auf Basis von Aluminium und Zink unterschiedlicher Ausprägung und unter Berücksichtigung unterschiedlich wirksamer Passivierungen auf Verbindungselementen bestehen jedoch aus Sicht der Anwender noch viele Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten basieren auf: - Den unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe, Schichtsysteme und Halbzeuge und den daraus resultierenden unterschiedlichen elektrochemischen Potentialen. - Den Schichteigenschaften bezogen auf Härte, Verformungsvermögen und Haftfestigkeit, die für den Fügeprozess relevant sind. - Dem Verhalten moderner Schichtsysteme unter kombiniert mechanischmedialen Belastungsbedingungen im Labor. - Dem Verhalten der Verbindung im Realbauteil unter Berücksichtigung vorhandener Beschichtungen (Trockenschmiermittel) und nachfolgender Beschichtungen (KTL- bzw. wasserverdünnbare Beschichtungen) hinsichtlich Haftfestigkeit, Reibungsverhalten, Permeationsverhalten im Vergleich zu Ergebnissen nach Freibewitterung. - Der Auswahl geeigneter bzw. wirksamer Schichtsysteme. Ein Teil der offenen Fragen wurden im vorliegenden Teilprojekt „Teilprojekt A3: Qualifikation von Belastungs- und Prüfverfahren für die Verwendung in kombinierten Ermüdungsalgorithmen“ bearbeitet, das in dem Clusterprojekt „Kombinierte mechanisch-mediale Alterung von Nietverbindungen in Mischbauweise (KOMMA)“ mit insgesamt 5 Forschungsstellen eingebunden war. Das Hauptziel dieses Teilprojektes bestand darin, vergleichbare Korrosionsphänomene an Nietverbindungen nach relativ kurzzeitiger Laborbelastung im Vergleich zur einjährigen Freibewitterung zu erzeugen. Der Neuheitsgrad des Clusterprojekts bestand darin, die korrosive Belastung im Labor mit einer mechanischen Belastung (Schwingbelastung) zu überlagern. Dabei war ferner festzustellen, ob bei mechanischmedialer Alterung (überlagert) im Vergleich zur seriellen Belastung mit nacheinander durchgeführten korrosiven und mechanischen Belastungen unterschiedliche Korrosionsvorgänge an den Nietverbindungen ablaufen.

Abstract der Posterpräsentation: Xerogele basierend auf Silikat und Kollagen wurden als lasttragendes Knochenersatzmaterial entwickelt. Das Materialkonzept [1] wurde durch den Zusatz verschiedener Calciumphosphate modifiziert. Das Ziel der Arbeit – die Bioaktivität der Komposite und somit das Zellverhalten zu beeinflussen – wird in Verbindung gesetzt zur derzeitigen kritischen Diskussion der Bioaktivität von Biomaterialien [2]. Die Xerogele wurden durch Nutzung eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt, der durch die Änderung des pH-Wertes beim Mischen von Kieselsäure und einer Kollagenlösung initiiert wird. Hydroxylapatit (HAp), a-Tricalciumphosphat (TCP), Brushit und ein selbst entwickelter organisch modifizierter HAp wurden als Pulver sowie Ostim® als pastöse Komponente zur Kollagensuspension hinzugefügt. Die Xerogele wurden in Medien verschiedener Calciumkonzentrationen inkubiert. Die Charakterisierung erfolgte durch biochemische Methoden und Rasterelektronenmikroskopie. Der Einfluss der Xerogelbioaktivität auf die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen wurde biochemisch und durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie analysiert. Die Zugabe von HAp, Ostim® oder TCP führte zu einer beschleunigten Apatitabscheidung auf den Xerogelen aus simulierter Körperflüssigkeit ebenso wie aus Zellkulturmedium (a-MEM). Im Gegensatz dazu verursachen organisch modifizierter HAp oder Brushit eine initiale Calciumfreisetzung aus den Xerogelen. Diese Freisetzung kompensiert das bioaktive Verhalten in gewissem Maße, was durch die Einlagerung in Calcium-freiem a-MEM bestätigt wurde. Die gesteigerte Bioaktivität der Xerogele entspricht einem verringerten Calciumgehalt im Medium, der wiederum einen nachteiligen Effekt auf die Proliferation hat und zur Inhibierung der Matrixmineralisation führt.

Abstract der Posterpräsentation: Ebenso wie Geschirrspülmaschinen in deutschen Haushalten mit ca. 68 % eine weite Verbreitung finden, treten unästhetische Korrosionsproduktablagerungen und Lochkorrosion auf Besteckteilen auf [1]. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden an metallischen Werkstoffen unter Bedingungen der maschinellen Geschirrreinigung liegt es nahe, eine Schutzanode in den Besteckkorb einzubringen. Der kathodische Korrosionsschutz mit Hilfe von Schutzanoden wird bekanntermaßen bei Schiffen, Pipelines und Bohrinseln genutzt. Der stabile metallische Kontakt durch das Verschrauben der Anode an das Schutzobjekt kann für Besteck im Geschirrspüler jedoch nicht gewährleistet werden, sodass das Aufstellen der Besteckteile auf die Anode zu wechselnden Widerstandsverhältnissen im Kontaktbereich führt. Zudem liegen während eines Spülganges sehr unterschiedliche Bedingungen (Reiniger: pH > 9,5; Klarspüler: pH < 3,5; Essensreste) vor, und es kommt auf Grund der dünnen Elektrolytfilme zu einer graduellen Änderung der lokalen Elektrodenpotentiale längs des Besteckteils. Elektrochemische Untersuchungen an Aluminiumwerkstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung sowie an diversen Besteckstählen bestätigen ebenso wie Messungen an beiden Komponenten in galvanischem Kontakt, dass eine kathodische Polarisation des Stahls um mehrere 100 mV zustande kommt. Experimente im Geschirrspüler zeigten jedoch, dass unter verschiedenen Bedingungen eine dünne Ablagerung von Korrosionsprodukten auftrat, so dass die Eingangshypothese anodischer Korrosionsprozesse am Stahl offenbar revidiert werden muss. Ursachen hierfür werden analysiert, indem eine Dünnfilmströmungszelle, die pH-Wert-Messung bei Stahl-Anoden-Kontakt mit geringer Elektrolytmenge und Temperaturanstieg sowie das instrumentierte maschinelle Geschirrspülen (In-situ-Temperatur- und Potentialmessung des Stahles im direkten Kontaktbereich zur Anode) genutzt werden. Die Ursache der Korrosion des Stahles bei Kontakt mit der Anode konnte bisher nicht hinreichend geklärt werden.

Abstract der Posterpräsentation: PVD-Beschichtungsverfahren (Physical Vapour Deposition) haben sich aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten, unterschiedliche Oberflächeneigenschaften von dünnen Schichten mit fast jedem Volumenmaterial (Substrat) kombinieren zu können, etabliert. Durch die definierte Einstellung der Prozessparameter (z. B. Energiezufuhr, Druck, Gaszusammensetzung) können Schichten gemäß den spezifischen Anforderungen des Einsatzzweckes angepasst und optimiert werden. Selbst widersprechende Eigenschaften wie extreme Härte und Flexibilität lassen sich miteinander kombinieren. Zielsetzung des im Rahmen des BMBF-Programms „KMU-innovativ: Nanotechnologie“ (Nanochance) geförderten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer neuartigen Kombination aus plasmagestützter Bogenentladung und gepulster HPPMS-Sputterabscheidung (High Power Pulsed Magnetron Sputtering) für die Herstellung von schadenstoleranten Schichten auf Umformwerkzeugen. Durch diese Kombination soll zum einen die Qualität bestehender nanokristalliner Schichtsysteme signifikant verbessert sowie eine Vielzahl neuer Schichtsysteme mit bislang nicht erreichten Eigenschaften synthetisiert werden. Ein derzeit untersuchtes Schichtsystem besteht aus einer konventionellen Hartstoffschicht mit sehr hoher Formbeständigkeit und einer weniger als fünf Mikrometer dünnen Deckschicht aus einer Cr2AlC-MAX-Phase, die chemisch und thermisch beständig ist und einen sehr geringen Reibverschleiß hat. Die Beschichtung erfolgt in einer umgerüsteten industriellen PVD-Beschichtungsanlage im Technikum der KCS Europe GmbH. Durch in-situ Plasmaanalysen sowie mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierungen der unterschiedlich hergestellten Schichtsysteme durch die TU Dresden wird die Korrelation zwischen technischen Beschichtungsparametern, Plasmaparametern sowie Schichtstruktur und Schichteigenschaften erarbeitet. Damit wird ein tiefgreifendes Verständnis der Abscheidemechanismen von nanokristallinen Schichtsystemen und eine Beschleunigung des Entwicklungsprozesses möglich.