Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Diffusion in dünnen Flüssigkeitsfilmen auf festen Oberflächen mit Methoden der Einzelmoleküldetektion. Anhand von Computersimulationen wird die Spotgrößenanalyse als neue Methode zur Analyse von Diffusionsprozessen vorgestellt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Diffusion von Farbstoffen in ultradünnen Flüssigkeitsfilmen stark verlangsamt ist. In einem ca. 3 nm dicken Film aus Tetrakis(2-ethyl-hexoxy)-silan werden Diffusionsprozesse beobachtet, die durch Sprünge zwischen Bereichen mit diskreten Werten der Diffusionskonstante gekennzeichnet sind. Die Existenz diskreter Werte der Diffusionskonstante kann durch die Ausbildung von Flüssigkeitsschichten molekularer Dicke (Liquid Layering) erklärt werden. Die Spotgrößenanalyse erweist sich als unabhängige Methode zur Bestimmung der Diffusionskonstante diffundierender Moleküle. Gegenüber der etablierten Bestimmung der Diffusionskonstante aus Trajektorien diffundierender Moleküle durch Berechnung der mittleren quadratischen Verschiebung bietet die Spotgrößenanalyse eine höhere statistische Genauigkeit und die Möglichkeit, Änderungen der Diffusionskonstante instantan zu detektieren.

Ziel dieser Arbeit war die Berechnung elektromagnetischer Nahfelder, die wesentlich sind für die Charakterisierung von Strukturen im Submikrometerbereich. Diese Aufgabenstellung wurde im Rahmen der klassischen Elektrodynamik unter Vernachlässigung von quantenmechanischen und relativistischen Effekten durchgeführt. Die untersuchten Modellsysteme bestanden aus stückweise homogenen Medien. Eine Beschränkung auf eine harmonische Zeitabhängigkeit der Felder fand nicht statt. Zum Einsatz kamen analytische (Mie-Theorie und deren Erweiterungen), semi-analytische (MMP) und rein numerische Methoden (FDTD). Besonders umfassend wurden die Eigenschaften evaneszenter Wellen untersucht. Entgegen der oft üblichen Vorgehensweise wurden die Beschränkung auf 2-dimensionale Modelle vermieden und Metalle nicht idealisiert als perfekt leitend, sondern realistisch über einen komplexen Brechungsindex bzw. über ein äquivalentes Drude-Modell beschrieben. Nur so ist es möglich die Ausbreitung von surface plasmon polaritons zu modellieren und den Einfluß von Volmenplasmonen zu berücksichtigen. Untersucht wurden periodische und nicht periodische Strukturen aus dielektrischen und metallischen Materialien. Solche Systeme sind nützlich aufgrund der Bildung von photonischen Bandlücken (Dielektrika) und der Realisierung hoher Feldverstärkungen (Metalle). Die erste Eigenschaft kann für die Konstruktion von besonders effektiven Laser und die zweite im Rahmen der oberflächenverstärkten Raman-Streuung angewendet werden. Eine weiterer Schwerpunkt dieser Dissertation war die Analyse nahfeld-optischer Mikroskope (SNOM). Mit solchen Apparaturen kann eine Auflösung jenseits des Abbe-Limit erreicht werden. Untersucht wurden die Abbildungseigenschaften aperturloser Nahfeld-Mikroskope und die Ausbreitung von Femto-Sekunden Pulsen in einem konventionellen SNOM, welches mit einer metallbeschichteten Glasfaser ausgestattet ist. Die zweite Fragestellung ist relevant für die Kombination von hoher räumlicher mit hoher zeitlicher Auflösung.

Es werden nahfeldoptische Phänomene an Raster-Sonden-Geometrien untersucht. Hierzu zählen die Feldverstärkung an laserbestrahlten Rastersondenspitzen und die Feldverteilung in nahfeldoptischen Apertur- und Koaxialspitzen. Zur Berechnung der Feldverteilung werden verschiedene numerische Verfahren wie die Methode der Randelemente (BEM) und die Methode der Finiten Integration (FIT) angewendet. Die durchgeführten Berechnungen sagen eine erhebliche Feldüberhöhung im Nahfeld von laserbestrahlten Rastersondenspitzen voraus. Es wird diskutiert, ob diese Feldüberhöhung ursächlich für die Modifikation der Oberfläche unter der Sondenspitze verantwortlich ist. Zur weiteren Klärung der Strukturierungsmechanismen wird die Stromantwort des Tunnelübergangs auf Laserbestrahlung experimentell untersucht. Die Detektion des Stromsignals erfolgt mit einem neuen Vorverstärker, der die Eigenschaften einer hohen Eingangsimpedanz, einer hohen Transimpedanz und einer hohen Bandbreite miteinander vereinigt. Weiterhin wird die Feldverteilung in SNOM-Spitzen, insbesondere in den sogenannten Koaxialspitzen, bestimmt. Es wird untersucht wie sich koaxial Moden in koaxialen SNOM-Spitzen anregen lassen und wie sie sich ausbreiten. Ausgehend von bereits existierenden Entwürfen solcher Spitzen wird diskutiert, welche Strukturen sich zur Anregung von koaxialen Moden eignen.

Parallel, adaptive Level-of-Detail in VR simulations. Parameters for efficient reuse of already calculated reductions are investigated. Choosen reduction algorithms are evaluated. Parameters for communication within the distributed application are determined. An implementation is introduced. / Paralleles, adaptives Level-of-Detail komplexer Objekten in VR-Simulationen. Die Parameter für eine effiziente Wiederverwendung bereits berechneter Reduktionen werden untersucht. Ausgewählte Reduktionsalgorithmen werden evaluiert. Die Parameter für die Kommunikation in der verteilten Applikation werden ermittelt. Eine Implementation wird vorgestellt.

The development of materials with tailored functionalities and with continuously shrinking linear dimensions towards (and below) the nanoscale is not only going to revolutionize state of the art fabrication technologies, but also the computational methodologies used to model the materials properties. Specifically, atomistic methodologies are becoming increasingly relevant in the field of materials science as a fundamental tool in gaining understanding on as well as for pre-designing (in silico material design) the behavior of nanoscale materials in response to external stimuli. The major long-term goal of atomistic modelling is to obtain structure-function relationships at the nanoscale, i.e. to correlate a definite response of a given physical system with its specific atomic conformation and ultimately, with its chemical composition and electronic structure. This has clearly its pendant in the development of bottom-up fabrication technologies, which also require a detailed control and fine tuning of physical and chemical properties at sub-nanometer and nanometer length scales. The current work provides an overview of different applications of atomistic approaches to the study of nanoscale materials. We illustrate how the use of first-principle based electronic structure methodologies, quantum mechanical based molecular dynamics, and appropriate methods to model the electrical and thermal response of nanoscale materials, provides a solid starting point to shed light on the way such systems can be manipulated to control their electrical, mechanical, or thermal behavior. Thus, some typical topics addressed here include the interplay between mechanical and electronic degrees of freedom in carbon based nanoscale materials with potential relevance for designing nanoscale switches, thermoelectric properties at the single-molecule level and their control via specific chemical functionalization, and electrical and spin-dependent properties in biomaterials. We will further show how phenomenological models can be efficiently applied to get a first insight in the behavior of complex nanoscale systems, for which first principle electronic structure calculations become computationally expensive. This will become especially clear in the case of biomolecular systems and organic semiconductors.

Bei der industriellen Herstellung von Halbleitern, wie Silizium und GaAs erfolgt die Züchtung ausnahmslos aus der Schmelze. Die dabei herrschenden Konvektionsverhältnisse in der Schmelze sind maßgeblich für die Verteilung von Dotierstoffen, Verunreinigungen und Defekten im Kristall verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der RMF- (Rotierendes Magnetfeld) induzierten Strömung auf das Segregationsverhalten, bei der Züchtung von Ga-dotierten Germaniumkristallen nach dem Vertical-Gradient-Freeze Verfahren, numerisch und experimentell untersucht. Durch den Einsatz eines RMF lassen sich Kristalle mit einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung herstellen. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Schmelzkonvektion und zum Kohlenstofftransport bei der Herstellung von Solarsilizium nach dem Edge-defined Film-fed Growth-Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse der 3d-Modellierung zeigen, dass der Marangonieffekt einen wesentlichen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und somit auf den Kohlenstofftransport hat.

Die Sauerstoffausscheidung in Silicium wird durch die Höhe der Bordotierung beeinflusst. Mit dem Ziel der Aufklärung der Mechanismen bei der Ausscheidung wurden verschiedene physikalische Messmethoden angepasst und ein breiter Borkonzentrationsbereich charakterisiert. Es wurden die frühen Phasen der Ausscheidungsbildung sowie Komplexbildung als auch das Wachstum der Sauerstoffausscheidungen untersucht. Mithilfe einer neuen Methodenkombination aus alkalischem Ätzen und FTIR-Spektroskopie konnten verschiedene Bor-Komplexe nachgewiesen werden. Die Erkenntnisse über deren Existenz sowie Kinetik wurden numerisch umgesetzt. Mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung wurden erstmals in den frühen Phasen der Sauerstoffausscheidung deren Form und Größe in Abhängigkeit der Borkonzentration bestimmt. Die physikalischen Prozesse, die zu einem beschleunigten als auch anomalen Ausscheidungsverhalten in Abhängigkeit der Borkonzentration führen, konnten teilweise aufgeklärt werden.

Als Ergebnis der vorliegenden Arbeit wurde ein nützliches Hilfsmittel auf der Basis der kognitiven Herangehensweise zur Verbesserung der Effizienz der Managemententscheidungen für die Gussausschussverringerung und Qualitätsverbesserung in den Gießereien entwickelt. Das Werkzeug hilft dem Technologen, den Mechanismus des Gussfehlerentstehungsprozesses aufzudecken, die Logik der Gussfehlerentstehung zu verstehen und die präventiven Maßnahmen zu testen. Man kann das Werkzeug täglich im Betrieb benutzen, um die strategischen und operativen Entscheidungen rasch und ohne Durchführung der kostspieligen und komplizierten Versuche zu treffen. Auf diese Weise können Kosten und Zeit eingespart werden.

Als elastische Koppelglieder üben Elastomere im Fahrwerk maßgeblichen Einfluss auf die Elastokinematik der Radaufhängung und damit auf die Radstellgrößen aus. Bereits einfache zylindrische Probekörper zeigten in der Vergangenheit Veränderlichkeit der Federsteifigkeiten bei mehrachsiger Belastung auf. Daraus ließ sich ableiten, dass das Bauteilverhalten von zylindrischen Elastomerkörpern, bzw. Fahrwerklagern, schwer vorhersagbar ist und dieser Effekt durch die Verwendung komplexer Geometrien zusätzlich beeinflusst wird. Eigens im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Prüfstände ermöglichten die Untersuchung von statischen, mehrachsigen Belastungen sowie zyklischen, einachsigen Belastungen zweier Fahrwerklager einer typischen Vorderradaufhängung, dem Mc-Pherson-Federbein. Für beide Lagertypen wurden derart signifikante Federsteifigkeitsänderungen unter mehrachsiger Belastung beobachtet, dass ein Einfluss auf die Elastokinematik sicher schien. Unter einachsiger, zyklischer Belastung bestätige sich, dass einfache rheologische Ersatzmodelle, wie der Ansatz nach Kelvin-Voigt für eine Modellierung des viskoelastischen Materialverhaltens weiterhin Gültigkeit besitzen. Ein in einem Mehrkörpersimulationsprogramm erstelltes Gesamtfahrzeugmodell zeigte zunächst für die Auslegung der Prüfstände relevante Beanspruchungen in den Fahrwerklagern auf und diente weiterhin als Grundlage für die Untersuchung des Einflusses von Wechselwirkungen auf die Radstellgrößen. Dazu behandelt die Arbeit die Modellierung eines neuen Fahrwerklagermodells innerhalb dieser MKS-Umgebung. Dieses Modell bietet dem Nutzer die Möglichkeit für eine Abbildung von Wechselwirkungen an zylindrischen, zyklisch beanspruchten Bauteilen. Ein spezielles Fahrmanöver zeigte den Einfluss der Wechselwirkungen auf die Radstellgrößen auf und zeigte, dass die Berücksichtigung von Wechselwirkungen für eine Fahrwerkauslegung relevant ist. Darüber hinaus wurde mit kommerziell verfügbaren Materialmodellen für die Beschreibung es Materialverhaltens von Elastomeren innerhalb der Finite-Elemente-Methode aufgezeigt, dass bei einachsiger Belastung die Federsteifigkeiten der Fahrwerklager auf Grundlage der in der Literatur üblichen Auslegungsgleichungen näherungsweise abgebildet werden können, jedoch für mehrachsige Spannungszustände keine hinreichende Aussage über das Bauteilverhalten getroffen werden kann. Hier wurde weiterer Forschung- bzw. Erweiterungsbedarf an den FE-Programmen aufgezeigt.

Zielstellung dieser Arbeit ist die experimentelle Aufklärung und computergestützte Simulation von Phasengleichgewichten im binären System Kupfer-Sauerstoff und im quaternären System Eisen-Samarium-Zirkonium-Molybdän. Damit wird ein Beitrag zu Phasendiagrammen in den Stoffgruppen der keramischen Materialien und der Seltenerd-basierenden magnetischen Materialien geleistet. Zur Charakterisierung der einzelnen Systeme und ihrer Subsysteme nach der CALPHAD-Methode werden die Stöchiometrie der einzelnen Phasen, ihre Phasenanteile in den jeweiligen Legierungen sowie ihre druckabhängige und thermische Stabilität unter angenäherten Gleichgewichtsbedingungen betrachtet. Zusammen mit den kristallographischen und magnetischen Eigenschaften der Phasen ergeben sich daraus thermodynamische Modelle, die durch ihre parametrisierte Darstellungsweise eine Optimierung an die jeweiligen experimentellen Befunde gestatten. Durch Extra- und Interpolation der so gewonnenen Zustandsfunktionen der einzelnen Phasen ergibt sich ein möglichst weitgehendes Bild aller wesentlichen, das stoffliche Gesamtsystem charakterisierenden thermodynamischen Zustände, welches auch über die experimentellen Einschränkungen hinaus noch Aussagen über die Phasenkonstitution, etwa die Primärkristallisation von Phasen bei hohen Drücken und Temperaturen sowie die Phasenstabilität in höherkomponentigen Systemen, ermöglicht. Schließlich werden die thermodynamischen Funktionen in einer Datenbank zusammengefasst, womit auch die Möglichkeit ihrer Weiterverwendung in anderen Systemen besteht. Die Arbeit kann in den Bereich der Grundlagenuntersuchungen zu den behandelten Stoffsystemen mit werkstoffwissenschaftlichem Hintergrund eingeordnet werden.