Since aggressive cancers are frequently hypermetabolic with angiogenic vessels, quantification of blood flow (BF) can be vital for cancer diagnosis. Our laboratory has developed a noncontact diffuse correlation tomography (ncDCT) system for 3-D imaging of BF distribution in deep tissues (up to centimeters). The ncDCT system employs two sets of optical lenses to project source and detector fibers respectively onto the tissue surface, and applies finite element framework to model light transportation in complex tissue geometries. This thesis reports our first step to adapt the ncDCT system for 3-D imaging of BF contrasts in human breast tumors. A commercial 3-D camera was used to obtain breast surface geometry which was then converted to a solid volume mesh. An ncDCT probe scanned over a region of interest on the breast mesh surface and the measured boundary data were used for 3-D image reconstruction of BF distribution. This technique was tested with computer simulations and in 28 patients with breast tumors. Results from computer simulations suggest that relatively high accuracy can be achieved when the entire tumor was within the sensitive region of diffuse light. Image reconstruction with a priori knowledge of the tumor volume and location can significantly improve the accuracy in recovery of tumor BF contrasts. In vivo ncDCT imaging results from the majority of breast tumors showed higher BF contrasts in the tumor regions compared to the surrounding tissues. Reconstructed tumor depths and dimensions matched ultrasound imaging results when the tumors were within the sensitive region of light propagation. The results demonstrate that ncDCT system has the potential to image BF distributions in soft and vulnerable tissues without distorting tissue hemodynamics. In addition to this primary study, detector fibers with different modes (i.e., single-mode, few-mode, multimode) for photon collection were experimentally explored to improve the signal-to-noise ratio of diffuse correlation spectroscopy flow-oximeter measurements.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kontrastbildung in der Rasterkraftmikroskopie im Kontaktmodus und im dynamischen Modus analysiert. Kontaktmodus Die Abbildungsprozesse im Kontaktmodus wurden anhand der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche untersucht. Messungen an Terrassen zeigen, dass die rasternde Spitze Material transportiert. Die Transportrichtung wird durch die Lage der 22 (± 1) x Ö 3 - Überstruktur bezüglich der Rasterrichung vorgegeben. Die Struktur der Goldoberfläche beeinflusst die Reibung, die aus der Lateralkraft bestimmt wird. Auf glatten Terrassen wurde eine deutlich größere Lateralkraft gemessen als auf rauhen. Bisher konnte nur der Spitzenradius in Rasterrichtung abgeschätzt werden, indem über Stufenkanten gerastert wurde und die Stufenbreite im Linienprofil ausgemessen wurde. Die eigentliche Kontaktfläche zwischen Spitze und Probe ist dadurch nicht zugänglich. Hier hat sich die Verwendung der langreichweitigen Überstruktur als vorteilhaft erwiesen. Aus den unterschiedlichen Abbildungen der Überstruktur wurden Informationen über den Einfluss und die Größe der Kontaktfläche gewonnen. Erstmals konnte im UHV die atomare Struktur einer Metalloberfläche reproduziert werden. Weder eine Schichtung der abzubildenden Proben, noch ein Wasserfilm zwischen Spitze und Probenoberfläche ist Voraussetzung zur Abbildung der atomaren Struktur. Die bei den Abbildungen gefundenen Überhöhungen der atomaren Korrugation ist zum einen auf einen stick slip und buckling Prozess zwischen Spitze und Probe zurückzuführen, wie dies bereits für HOPG und Mica gefunden wurde. Zum anderen wird die "giant corrugation" durch die Kopplung von Normal- und Torsionsverbiegung der Blattfeder verstärkt. Der Spitze - Probe - Kontakt stabilisiert sich, indem die Spitze beim Rastern Gold aufnimmt. Dies zeigen Z (V) - Kurven, in denen sich die Kontaktspannung zwischen Spitze und Probe vor und nach den Messungen um bis zu 1 V von ca. 1,2 V auf 0,3 V verringerte. Durch Messungen an der Au (110) - Oberfläche konnte gezeigt werden, dass auch eine anisotrope Oberflächenstruktur durch die Rasterkraftmikroskopie im Kontaktmodus im atomaren Maßstab abgebildet werden kann. Eine hohe Symmetrie der Oberfläche ist, entgegen den bisherigen Annahmen keine zwingende Vorraussetzung für die Reproduktion der atomaren Struktur einer Oberfläche. Strukturen mit großem Unterschied in den Gitterabständen, wie z.B. C60 - Inseln auf einem Cu (111) - Substrat, konnten nacheinander in ihrer atomaren Struktur abgebildet werden. Eine gleichzeitige Abbildung gelang nicht. Vermutlich muss die Spitze immer mit dem Material bedeckt sein, dessen Struktur gerade reproduziert werden soll. Dynamischer Modus Die Wechselwirkungsmechanismen zwischen Spitze und Probe im dynamischen Modus wurden an der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche und an der Si (111) 7 x 7-Struktur untersucht. Die Topographie der Probenoberfläche wird aus der Verschiebung der Eigenfrequenz des in Resonanz schwingenden Cantilevers gewonnen. Zusätzlich enthält das Anregungssignal der Schwingung (Damping) Informationen über die Energiedissipation zwischen Spitze und Probe. In den Damping - Bildern gibt es besonders an Stufenkanten einen deutlichen Kontrast, der u.a. durch die Aufladung der Stufenkanten (Smoluchowski) verursacht wird. Die durch die schwingende Spitze bewegten Ladungen dämpfen die Cantilever -Schwingung durch Joulsche Reibung. Eine Anregung der Stufenkanten - Atome zu Schwingungen sowie eine veränderte chemische WW der Spitzenatome mit den Stufenatomen trägt ebenfalls zu einer von den Terrassen unterschiedlichen Energiedissipation und damit zu einem Kontrast im Damping an Stufen bei. Während der Kontrast bei Stufen der Si (111) - Oberfläche immer einheitlich ist, gibt es einen wechselnden D - Kontrast bei Au (111) - Stufen. Es handelt sich um die beiden unterschiedliche Stufentypen ((111) bzw. (100)), die sich auf einer fcc -Oberfläche ausbilden können. Die Stufentypen unterscheiden sich in ihrer Austrittsarbeit. Dies äußert sich in einer unterschiedlichen Kontaktspannung UCPD zwischen Spitze und Probe. Die langreichweitige Dissipation GE ist proportional zu U2Spitze-Probe. Daher ist der D - Kontrast abhängig von UCPD . Die Kontaktspannung erzeugt außerdem eine elektrostatische Wechselwirkung, die die Resonanzfrequenz des Cantilevers verschiebt. Dadurch wird die Kontrastbildung im Bild der Topographie abhängig von der lokalen Struktur der Oberfläche. Einen großen Einfluss auf die Kontrastbildung im dynamischen Modus haben die Spitzengeometrie, die Schwingungsamplitude und der mittlere Spitze - Probe - Abstand. Alle drei Faktoren bestimmen den Anteil der langreichweitigen gegenüber der kurzreichweitigen Wechselwirkung. Die Kontrastbildung bei atomarer Auflösung wurde anhand der Si (111) 7 x 7 - Oberfläche untersucht. Der Bildkontrast wird empfindlich von der angelegten Spannung zwischen Spitze und Probe beeinflusst. Je nach Wahl der extern angelegten Spannung sind Aufladungen von den Dotierungs - Atomen und den sie umgebenden Bildladungen sichtbar. Atomare Auflösung ist nur in einem sehr kleinen Abstandsbereich möglich. Der Abstand entspricht in etwa den Abständen in der RTM, wie gleichzeitige Aufnahmen des Tunnelstroms zwischen Spitze und Probe belegen. Mit abnehmendem Spitz-Probe-Abstand wechselt der Kraftgradient das Vorzeichen. Wurden die Atome vorher als Erhebungen abgebildet, werden sie im Abstandsbereich kurzreichweitiger starker repulsiver WW als Löcher dargestellt (Kontrastinversion). Die Summe der Wechselwirkung bleibt aufgrund des großen langreichweitigen Anteils stets attraktiv. Die unterschiedlichen Kontrastbereiche konnten sowohl anhand der Si (111) 7 x 7 - Oberfläche als auch anhand der Au (111) 22 (± 1) x Ö 3 - Oberfläche nachgewiesen werden.

Nach der Entwicklung des Nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskops (NC-AFM) konnten dessen Leistung, Empfindlichkeit und Anwendungsmöglichkeiten deutlich gesteigert und somit neue grundlegende physikalische Eigenschaften von Festkörperoberflächen mit hoher Auflösung und Präzision untersucht werden. Dabei gibt es jedoch immer wieder neue Errungenschaften, die die Technik noch weiter verbessern können – sei es auf dem Gebiet der Signalverarbeitung, der -detektion oder der prinzipiellen Funktionsweise des Mikroskops. So wird in der vorliegenden Arbeit das theoretische Verständnis der Regelkreise und des Rauschverhaltens des NC-AFMs im Messbetrieb verbessert. Die Regelkreise verhalten sich – anders als im freischwingenden System – in Wechselwirkungsnähe mit der Probe hochgradig dynamisch, sodass die ursprünglich gewählten Parameter der Regelkreise sich nicht eins zu eins auf den echten Messbetrieb übertragen lassen und suboptimale Einstellungen die Bildqualität dadurch beeinträchtigen können. Mithilfe der korrekten Modellierung der Regelkreise in Probennähe kann diese Störquelle nun minimalisiert werden, was durch experimentell bestimmte Spektren bestätigt wird. Bei der Exfoliation von Graphen auf CaF2 an der Raumluft werden Wassermoleküle eingeschlossen, die nicht durch Heizen entfernt werden können, ohne dass das Graphen Blasen schlägt und reißt. Unterschiedliche Mengen an Wasser zwischen den Graphenflocken und dem Substrat haben einen großen Einfluss auf das elektrische Kontaktpotenzial, das mithilfe der Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie vermessen werden kann. Ergebnisse der Kapitel sind die berechnete Adhäsionsenergie von Graphen auf CaF2, inwieweit das Wasser das Graphen dotieren kann und die Erklärung des großen Unterschieds des Kontaktpotenzials.

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Spacecraft missions such as spacecraft docking and formation flying require high precision relative position and attitude data. Although Global Positioining Systems can provide this capability near the earth, deep space missions require the use of alternative technologies. One such technology is the vision-based navigation (VISNAV) sensor system developed at Texas A&M University. VISNAV comprises an electro-optical sensor combined with light sources or beacons. This patented sensor has an analog detector in the focal plane with a rise time of a few microseconds. Accuracies better than one part in 2000 of the field of view have been obtained. This research presents a new approach involving simultaneous activation of beacons with frequency division multiplexing as part of the VISNAV sensor system. In addition, it discusses the synchronous demodulation process using digital heterodyning and decimating filter banks on a low-power fixed point DSP, which improves the accuracy of the sensor measurements and the reliability of the system. This research also presents an optimal and computationally efficient six-degree-of-freedom estimation algorithm using a new measurement model based on the attitude representation of Modified Rodrigues Parameters.

Spacecraft missions such as spacecraft docking and formation flying require high precision relative position and attitude data. Although Global Positioining Systems can provide this capability near the earth, deep space missions require the use of alternative technologies. One such technology is the vision-based navigation (VISNAV) sensor system developed at Texas A&M University. VISNAV comprises an electro-optical sensor combined with light sources or beacons. This patented sensor has an analog detector in the focal plane with a rise time of a few microseconds. Accuracies better than one part in 2000 of the field of view have been obtained. This research presents a new approach involving simultaneous activation of beacons with frequency division multiplexing as part of the VISNAV sensor system. In addition, it discusses the synchronous demodulation process using digital heterodyning and decimating filter banks on a low-power fixed point DSP, which improves the accuracy of the sensor measurements and the reliability of the system. This research also presents an optimal and computationally efficient six-degree-of-freedom estimation algorithm using a new measurement model based on the attitude representation of Modified Rodrigues Parameters.

<p>  We utilize thermoreflectance (TR) thermal imaging to experimentally study heat transport and reliability of micro to nano-scale devices. TR imaging provides 2D thermal maps with sub-micron spatial resolution. Fast thermal transients down to 50 ns resolution can be captured. In addition, finite element modeling is carried out to better understand the underlying physics of the experiment. We describe four main applications; 1) Development of a full-field thermoreflectance imaging setup with a variable optical (laser) heating source as a general characterization tool. We demonstrate the setup’s sensitivity to extract anisotropic<br> thermal conductivity of thin flms and evaluate its sensitivity for detecting buried (below the surface) defects in 3D integrated circuits. This method provides a low-cost noncontact alternative to destructive defect localization methods. It also doesn’t require any special sample<br> preparations. 2) Physics of localized electromigration-failures in metallic interconnects is investigated. One can distinguish two separate mechanisms responsible for electromigration depending on the current density and temperature gradient. 3) Thermal transport in silicon near sub-micron electrical heaters is studied. Quasiballistic and hydrodynamic (fluid-like) behavior is observed at room temperature for different device sizes and geometries. 4) Temperature-dependent thermoreflectance coefcient of phase-change materials is characterized. We focus on tungsten (W) doped VO₂ (W_0.02V_0.98O₂) compound, which experiences an insulator-to-metal transition (IMT) at ≈33 °C. Strong TR-signal non-linearity is observed at the IMT temperature. This non-linearity is used to localize the phase-change boundary with resolutions down to ≈0.2 µm. TR full-feld imaging enables a simple and fast characterization complementing near-feld microscopy techniques. <br>  </p>

Different methods for the determination of cantilever properties in non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) are under investigation. A key aspect is the determination of the cantilever stiffness being essential for a quantitative NC-AFM data analysis including the extraction of the tip-surface interaction force and potential. Furthermore, a systematic analysis of the displacement noise in the cantilever oscillation detection is performed with a special focus on the thermally excited cantilever oscillation. The propagation from displacement noise to frequency shift noise is studied under consideration of the frequency response of the PLL demodulator. The effective Q-factor of cantilevers depends on the internal damping of the cantilever as well as external influences like the ambient pressure and the quality of the cantilever fixation. While the Q-factor has a strong dependence on the ambient pressure between vacuum and ambient pressure yielding a decrease by several orders of magnitude, the pressure dependence of the resonance frequency is smaller than 1% for the same pressure range. On the other hand, the resonance frequency highly depends on the mass of the tip at the end of the cantilever making its reliable prediction from known cantilever dimensions difficult. The cantilever stiffness is determined with a high-precision static measurement method and compared to dimensional and dynamic methods. Dimensional methods suffer from the uncertainty of the measured cantilever dimensions and require a precise knowledge its material properties. A dynamic method utilising the measurement of the thermally excited cantilever displacement noise to obtain cantilever properties allows to characterise unknown cantilevers but requires an elaborative measurement equipment for spectral displacement noise analysis. Having the noise propagation in the NC-AFM system fully characterised, a proposed method allows for spring constant determination from the frequency shift noise at the output of the PLL demodulator with equipment already being available in most NC-AFM setups.