Hintergrund: Die Entwicklung von Nanotechnologien und insbesondere integrierten Schaltkreisen beruht auf dem Verständnis von Struktur und Funktion auf der Nanoskala, wofür exakte Messungen erforderlich sind. Kleinwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) ist eine Methode zur schnellen, berührungs- und zerstörungsfreien dimensionellen Messung von nanostrukturierten Oberflächen. Ziele: Es soll die Möglichkeit untersucht werden, die zunehmend komplexeren Proben aus Wissenschaft und Industrie mit Hilfe von GISAXS präzise zu vermessen. Ein weiteres Ziel ist es, Messtargets aus der Halbleiter-Qualitätskontrolle mit einer Größe von ca. 40x40 µm² zu messen, deren Signal typischerweise nicht zugänglich ist, weil ein Bereich von ca. 1x20 mm² auf einmal beleuchtet wird. Methoden: Synchrotron-basierte GISAXS-Messungen verschiedener Proben werden mit Hilfe einer Fourier-Konstruktion, der "distorted wave Born approximation" und einem Maxwell-Gleichungs-Löser basierend auf finiten Elementen analysiert. Ergebnisse: Aus GISAXS-Messungen kann die Linienform von Gittern mit einer Periode von 32 nm rekonstruiert werden und sie weicht weniger als 2 nm von Referenzmessungen ab. Eine sorgfältige Bayes'sche Unsicherheitsanalyse zeigt jedoch, dass wichtige dimensionelle Parameter innerhalb der Unsicherheiten nicht übereinstimmen. Für die Messung von kleinen Gittertargets entwerfe ich ein neuartiges Probendesign, bei dem das Target in Bezug auf die umgebenden Strukturen gedreht wird, und stelle fest, dass dadurch parasitäre Streuung effizient unterdrückt wird. Fazit: GISAXS-Messungen von komplexen Nanostrukturen und kleinen Targets sind möglich, jedoch würde GISAXS enorm von effizienteren Simulationsmethoden profitieren, die alle relevanten Effekte wie Rauhigkeit und Randeffekte einbeziehen. Hier gibt es vielversprechende theoretische Ansätze, so dass GISAXS eine zusätzliche Methode für die Halbleiter-Qualitätskontrolle werden könnte. / Background. The development of nanotechnology such as integrated circuits relies on an understanding of structure and function at the nanoscale, for which reliable and exact measurements are needed. Grazing-incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) is a versatile method for the fast, contactless and destruction-free measurement of sizes and shapes of nanostructures on surfaces. Aims. A goal of this work is to investigate the possibility of precisely measuring the increasingly complex samples produced in science and industry using GISAXS. A second objective is to measure targets used in semiconductor quality control with a size of approx. 40x40 µm², whose signal is typically not accessible because an area of approx. 1x20 mm² is illuminated at once. Methods. I take synchrotron-based GISAXS measurements and analyze them using reciprocal space construction, the distorted wave born approximation, and a solver for Maxwell's equations based on finite elements. Results. I find that the line shape of gratings with a period of 32 nm can be reconstructed from GISAXS measurements and the results deviate less than 2 nm from reference measurements; however, a careful Bayesian uncertainty analysis shows that key dimensional parameters do not agree within the uncertainties. For the measurement of small grating targets, I create a novel sample design where the target is rotated with respect to the surrounding structures and find that this efficiently suppresses parasitic scattering. Conclusions. I show that GISAXS measurements of complex nanostructures and small targets are possible, and I highlight that further development of GISAXS would benefit tremendously from efficient simulation methods which describe all relevant effects such as roughness and edge effects. Promising theoretical approaches exist, so that GISAXS has the potential to become an additional method in the toolkit of semiconductor quality control.

Die Effizienz von Verbindungshalbleitern hängt von ihrer lokalen Zusammensetzung und ihrer räumlichen Elementverteilung ab. Um die opto-elektronischen Eigenschaften solcher Bauelemente zu optimieren, ist ein detailliertes Verständnis und die Kontrolle der Zusammensetzungsgradienten entscheidend. Industriell wichtige Bauelemente sind Absorberschichten für Dünnschichtsolarzellen, die eine hohe Effizienz in Kombination mit einem geringen Materialbedarf und einer hohen elastischen Flexibilität bieten. Ein gängiges Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarzellenabsorber ist das Annealen bei hohen Temperaturen. Im Gegensatz zu dem, was bei Fick'schen Diffusionsprozessen zu erwarten wäre – führt dieses regelmäßig zur Bildung steiler und stabiler Zusammensetzungsgradienten, die oft von den optimalen Profilen für hocheffiziente Absorber abweichen. In dieser Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf den mechanischen Spannungen, die sich im Inneren von Dünnschichten entwickeln, und auf deren Auswirkungen auf Diffusionsprozesse und die mikrostrukturelle Entwicklung des Materials. Es wird gezeigt, dass die Bildung von elastischen Spannungen die endgültigen Elementverteilungen stark beeinflusst und sogar zur Bildung von starken und stabilen Zusammensetzungsgradienten führt. In dieser Arbeit wird weiterhin argumentiert, dass die Wirkung der Spannungen auf die Gleichgewichts-Zusammensetzungsprofile von den mikrostrukturellen Eigenschaften des Materials abhängen kann, insbesondere vom Vorhandensein von Leerstellenquellen. Ein Vergleich numerischer Berechnungen mit Echtzeitdaten der energiedispersiven Röntgenbeugung, die während der Dünnschichtsynthese in-situ erfasst wurden, hilft zu zeigen, dass die so entwickelten Interdiffusionsmodelle die experimentell beobachteten Beugungsspektren und insbesondere die Stagnation der Interdiffusion vor Erreichen der vollständigen Durchmischung teilweise reproduzieren können. / The operational efficiency of compound semiconductors regularly depends on their local elemental composition and on the spatial distribution of contained elements. To optimize the opto-electronic properties of such devices, a detailed understanding and control of compositional gradients is crucial. Industrially important devices are thin-film solar cell absorber layers which deliver high photo-conversion efficiencies in combination with a low demand of material and high elastic flexibility. These materials use local variations in composition to tune their opto-electronic properties. A common fabrication process for thin-film solar cell absorbers involves annealing at high temperatures to achieve specific compositional gradients, which – contrary to what could be expected from simple Fickian diffusion processes – regularly results in the formation of steep and stable compositional gradients, often deviating from the optimal profiles for high-efficiency absorbers. In this work attention is focused especially on mechanical stresses developing inside thin-films and on their effects on diffusion processes and on the material’s micro-structural evolution. It is shown that the formation of elastic stresses strongly influences the final elemental distributions, even leading to the formation of strong and stable final compositional gradients. However, this thesis also argues that their exact effect on equilibrium composition profiles may depend on the detailed micro-structural properties of the material, especially on the presence of vacancy sources and sinks. A comparison of numerical calculations with real-time synchroton-based energy-dispersive X-ray diffraction data acquired in-situ during thin-film synthesis helps to demonstrate that the such developed interdiffusion models can partly reproduce the experimentally observed diffraction spectra and, especially, the stagnation of interdiffusion before total intermixing is achieved.

Transparente Elektroden (TE) sind unverzichtbar in modernen optoelektronischen Bauelementen. Die derzeitig am häufigsten verwendete TE ist Indium Zinn Oxid (ITO). Aufgrund der Nachteile von ITO setzt sich die vorliegende Arbeit mit ITO-Alternativen auseinander. Zwei Ansätze werden in dieser Arbeit untersucht. Der erste Ansatz beruht auf Dielektrikum/Metall/Dielektrikum (DMD) Filmen, im zweites Ansatz werden Silber Nanodrähten (NW) als TE untersucht. Im ersten Ansatz wurden DMD Elektroden auf Glas und Polyethylenterephthalat (PET) fabriziert. Eine Kombination von gesputterten TiOx/Ag/AZO Schichten lieferte die höchste jemals gemessene Transmission und Leitfähigkeit für eine Elektrode auf Glas und PET. Eine durchschnittliche Transmission größer als 85 % (inklusive Substrat) im Bereich von 400-700 nm und einen Schichtwiderstand von unter 6 Ω/sq wurden erreicht. Um die Leistung der TiOx/Ag/AZO Elektrode in einem Bauteil zu überprüfen, wurde sie in einer organischen Licht emittierenden Diode (OLED) implementiert. Die DMD-basierten OLEDs erreichten eine 30 % höhere Strom Effizienz auf Glas und eine 260 % höhere Strom Effizienz auf PET im Unterschied zu den ITO-basierten Bauteilen. Im zweiten Ansatz zur Realisierung flexibler transparenter Elektroden wurden NWs diskutiert. Die Implementierung von Nanodrähten in lösungsprozessierten organischen Licht emittierenden Dioden weißt noch immer zwei große Hürden auf: hohe Rauigkeit der Nanodrahtfilme und Wärmeempfindlichkeit von PET. Um die Rauigkeit zu verkleinern und gleichzeitig die Stabilität zu erhöhen werden zunächst die Nanodrähte in ein UV-härtendes Polymer eingebettet. Es wird eine Transmission von bis zu 80 % (inklusive Substrat) und ein Schichtwiderstand von 13 Ω/sq erreicht. Gleich wie bei den DMD Elektroden wurden auch NW Elektroden in eine OLED implementiert. Die Bauteile zeigten eine größere Flexibilität, Leitfähigkeit und Luminanz als die PET/ITO Referenzen während die selbe Leistungseffizienz erreicht wurde. / Transparent electrodes (TEs) are a key element in optoelectronics. TEs assure simultaneous light interaction with the active device layers and efficient charge carrier injection or extraction. The most widely used TE in today’s industry is indium tin oxide (ITO). However, there are downsides to the use of ITO. The scope of this thesis is to discuss alternatives to ITO. Two main approaches are examined in this thesis - one approach is based on using dielectric/metal/dielectric (DMD) films and the other is based on using silver nanowire (NW) films. For the first approach, a combination of sputtered TiOx/Ag/AZO was found to yield the highest transmittance and conductivity ever reported for an electrode on PET with an average transmittance larger than 85 % (including the substrate) in the range 400-700 nm and sheet resistance below 6 Ω/sq. To test the device performance of TiOx/Ag/AZO, DMD electrodes were implemented in organic light emitting diodes (OLEDs). DMD-based devices achieve up to 260 % higher efficacy on PET, as compared to the ITO-based reference devices. As a second approach, NWs were investigated. The implementation of silver nanowires as TEs in solution processed organic light emitting diodes still faces two major challenges: high roughness of nanowire films and heat sensitivity of PET. Therefore, within this thesis, an embedding process with different variations is elaborated to obtain highly conductive and transparent electrodes of NWs on flexible PET substrates. The NWs are embedded into a UV-curable polymer, to reduce the electrode roughness and to enhance its stability. A a transmittance of 80 % (including the substrate) and sheet resistance of 13 Ω/sq is achieved.

Das Verhalten von durch Graphen oder Graphenoxid (GO) begrenzten Molekülen hat sich, bedingt durch die bemerkenswerten strukturellen und optischen Eigenschaften dieser quasi-zweidimensionalen Materialien, als vielversprechendes Forschungsfeld erwiesen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das Hydrationsverhalten von GO und das Verhalten kleiner, von Graphen begrenzter Moleküle. In dieser Arbeit wurde auf Rasterkraftmikroskopie (SFM) zurückgegriffen, um die GO-Hydration zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen ein graduelles bzw. stufenweises Ansteigen des durchschnittlichen Schichtabstands für relative Luftfeuchtigkeiten (RH) unter halb von 80%, beziehungsweise in flüssigem Wasser. Diese experimentellen Beobachtungen stimmen mit den XRD an vielschichtigem GO in der Literatur überein. Die hier gezeigten Ergebnisse lassen jedoch den angenommenen Einlagerungseffekt, bei der Hydrierung von GO bei geringer RH, außen vor. Stattdessen wird die allmähliche Ausdehnung der kontinuierlichen Einlagerung von Wassermolekülen in den einzelnen GO-Schichten zugeschrieben, während die stufenweise Ausdehnung im komplett in Wasser getauchten Zustand auf das Eindringen einer ganzen Wassermonolage zurückgeführt wird. Andererseits könnte die Grenzfläche zwischen Graphen und dem Substrat ein begrenztes elektrisches Feld aufweisen, das ein weit verbreitetes, auf Ladungstransfer an Grenzflächen zurückzuführendes Phänomen darstellt. Die vorliegende Arbeit behandelt dieses Thema unter Nutzung von Rhodamin 6G (R6G) als Molekül zwischen Graphen und Glimmer, die es begrenzen. Eine Rot-Verschiebung der R6G-Maxima bei geringer RH wird sowohl auf elektrische Felder, die sich auf die Moleküle auswirken, als auch auf mechanische Deformationen der R6G-Struktur an der Grenzschicht zurückgeführt. Die Stärke des elektrischen Feldes wird anhand des Graphen-Raman-Spektrums auf etwa 1 V/nm abgeschätzt. / The behavior of molecules confined by graphene or graphene oxide (GO) has proven to be a promising area of research owing to the remarkable structural and optical properties of these quasi two-dimensional materials. This thesis focuses on the hydration behavior of GO and the behavior of small molecules confined by graphene. In this work, scanning force microscopy (SFM) has been employed to investigate the hydration of GO. The results show a gradual and a step-like increase of the average interlayer distance for relative humidities (RH) below 80% and in liquid water, respectively. These experimental observations are consistent with XRD results on multilayered graphite oxide as reported in the literature. However, the results presented here exclude the postulated interstratification effect, for hydration of GO at low RH. Instead, the gradual expansion is attributed to the continuous incorporation of water molecules into single GO layers, while the step-like expansion when completely immersed in water, is attributed to the insertion of a full monolayer of water. On the other hand, the interface between graphene and its substrate may exhibit a confined electric field, a common phenomenon due to charge transfer at interfaces. In this work, this subject is addressed using Rhodamine 6G (R6G) as a probe molecule confined between graphene and mica. A red shift of the RG6 peaks at low RH is argued to be due to both, electric fields acting on the molecules and mechanical deformation of the R6G structure at the interface. The strength of the field is estimated from the graphene Raman spectra to be on the order of 1 V/nm.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum von BaSnO3/LaInO3 (BSO/LIO) Schichten mittels Plasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie (PAMBE). Für die Realisierung der BSO/LIO Heterostruktur müssen zuvor Wege für ein stabiles Herstellungsverfahren sowohl der BSO als auch der LIO Schichten gefunden werden. Aus diesem Grund beschäftigt sich der erste Teil dieser Arbeit mit den Herausforderungen der Suboxidbildung und Suboxidquellen. Das Wissen um Suboxide ist alt, aber es wurde bisher nicht stark in der Anwendung der Oxid-MBE berücksichtig oder benutzt. Engagierte Studien werden in dieser Arbeit durchgeführt, die zeigen, dass bei Suboxidquellen wie z.B. der Mischung aus SnO2 und Sn sich die Einbaukinetik gegenüber einer elementaren Quelle (z.B. Zinn) vereinfacht. Die in dieser Arbeit herausgearbeitete Effizienz der Mischquellen hat bereits dazu geführt, dass weitere Oxide wie Ga2O3 und SnO mit Hilfe von Suboxid-MBE gewachsen wurden. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die entwickelten Quellen genutzt und die BSO und LIO Wachstumsparameter bestimmt, sowie deren Abhängigkeit im Kontext von thermodynamischen Ellinghamdiagrammen diskutiert. Die Besonderheit beim BSO Wachstum liegt dabei auf der Verwendung einer Mischquelle bestehend aus SnO2 + Sn wodurch SnO Suboxid gebildet wird, welches zum Wachstum beiträgt. Ein zwei-dimensionalen Elektronengas an der Grenzfläche der BSO/LIO Heterostruktur wird realisiert durch gezielte Grenzflächenterminierung mit Hilfe einer Zellverschlusssequenz. Durch die Kontrolle der Grenzflächenterminierung im Monolagenbereich können Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich um 3 - 5 × 1013 cm−2 und Beweglichkeiten μ > 100 cm2/Vs zuverlässig und reproduzierbar realisiert werden. / The present work investigates the growth of BaSnO3/LaInO3 (BSO/LIO) heterostructures using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE). Prior to the realization of the BSO/LIO heterostructure, ways for stable and reliable growth of both BSO and LIO layers have to be developed. Therefore, the first part of this thesis addresses the challenges of suboxide formation and suboxide sources. The knowledge about suboxides is rather old, however, so far it is barely considered or used in oxide MBE. Dedicated studies performed in this thesis show that for suboxide sources such as a mixture of SnO2 and Sn the growth kinetics simplify compared to an elemental source (e.g., Sn). The efficiency of mixed sources, that is worked out in this thesis, already led to the growth of other oxides such as Ga2O3 or SnO using suboxide MBE. In the second part of this thesis growth parameters for BSO and LIO, using the developed sources, are determined and their dependence in the context of thermodynamic Ellingham diagrams is discussed. The growth of BSO is realized by the use of a mixed source consisting of SnO2 + Sn, which forms SnO suboxide that is contributed to the growth. A two-dimensional electron gas at the interface of the BSO/LIO heterostructure is realized by engineering the interface termination using a controlled cell shutter sequence. By controlling the interface termination down to mono layer precision, charge carrier densities in the range of 3 - 5 × 1013 cm−2 and mobilities μ > 100 cm2/Vs can be achieved reliably and reproducibly.

Komplexe Systeme wie das Klima der Erde bestehen aus vielen Komponenten, die durch eine komplizierte Kopplungsstruktur miteinander verbunden sind. Für die Analyse solcher Systeme erscheint es daher naheliegend, Methoden aus der Netzwerktheorie, der Theorie dynamischer Systeme und dem maschinellen Lernen zusammenzubringen. Durch die Kombination verschiedener Konzepte aus diesen Bereichen werden in dieser Arbeit drei neuartige Ansätze zur Untersuchung komplexer Systeme betrachtet. Im ersten Teil wird eine Methode zur Konstruktion komplexer Netzwerke vorgestellt, die in der Lage ist, Windpfade des südamerikanischen Monsunsystems zu identifizieren. Diese Analyse weist u.a. auf den Einfluss der Rossby-Wellenzüge auf das Monsunsystem hin. Dies wird weiter untersucht, indem gezeigt wird, dass der Niederschlag mit den Rossby-Wellen phasenkohärent ist. So zeigt der erste Teil dieser Arbeit, wie komplexe Netzwerke verwendet werden können, um räumlich-zeitliche Variabilitätsmuster zu identifizieren, die dann mit Methoden der nichtlinearen Dynamik weiter analysiert werden können. Die meisten komplexen Systeme weisen eine große Anzahl von möglichen asymptotischen Zuständen auf. Um solche Zustände zu beschreiben, wird im zweiten Teil die Monte Carlo Basin Bifurcation Analyse (MCBB), eine neuartige numerische Methode, vorgestellt. Angesiedelt zwischen der klassischen Analyse mit Ordnungsparametern und einer gründlicheren, detaillierteren Bifurkationsanalyse, kombiniert MCBB Zufallsstichproben mit Clustering, um die verschiedenen Zustände und ihre Einzugsgebiete zu identifizieren. Bei von Vorhersagen von komplexen Systemen ist es nicht immer einfach, wie Vorwissen in datengetriebenen Methoden integriert werden kann. Eine Möglichkeit hierzu ist die Verwendung von Neuronalen Partiellen Differentialgleichungen. Hier wird im letzten Teil der Arbeit gezeigt, wie hochdimensionale räumlich-zeitlich chaotische Systeme mit einem solchen Ansatz modelliert und vorhergesagt werden können. / Complex systems such as the Earth's climate are comprised of many constituents that are interlinked through an intricate coupling structure. For the analysis of such systems it therefore seems natural to bring together methods from network theory, dynamical systems theory and machine learning. By combining different concepts from these fields three novel approaches for the study of complex systems are considered throughout this thesis. In the first part, a novel complex network construction method is introduced that is able to identify the most important wind paths of the South American Monsoon system. Aside from the importance of cross-equatorial flows, this analysis points to the impact Rossby Wave trains have both on the precipitation and low-level circulation. This connection is then further explored by showing that the precipitation is phase coherent to the Rossby Wave. As such, the first part of this thesis demonstrates how complex networks can be used to identify spatiotemporal variability patterns within large amounts of data, that are then further analysed with methods from nonlinear dynamics. Most complex systems exhibit a large number of possible asymptotic states. To investigate and track such states, Monte Carlo Basin Bifurcation analysis (MCBB), a novel numerical method is introduced in the second part. Situated between the classical analysis with macroscopic order parameters and a more thorough, detailed bifurcation analysis, MCBB combines random sampling with clustering methods to identify and characterise the different asymptotic states and their basins of attraction. Forecasts of complex system are the next logical step. When doing so, it is not always straightforward how prior knowledge in data-driven methods. One possibility to do is by using Neural Partial Differential Equations. Here, it is demonstrated how high-dimensional spatiotemporally chaotic systems can be modelled and predicted with such an approach in the last part of the thesis.

Unter dem geografischen Südpol liegt das IceCube Neutrino Observatorium. Es nutzt einen Kubikkilometer Gletschereis, um Sekundärteilchen aus Neutrinointerkationen zu detektieren. Der Detektor besteht aus insgesamt 5160 optischen Sensoren, die das Cherenkov Licht der relativistischen, geladenen Teilchen messen. Um die Sensitivität und das Detektionsvermögen zu erhöhen sind Vergrößerungen des Detektors mit neuentwickelten optischen Sensoren geplant. Mindestens einer dieser neuen Sensoren soll den Messbereich aus dem optischen Bereich in den UV Bereich erweitern, wobei eine neu entwickelte wellenlängenschiebende Technologie verwendet wird. Um die Verbesserungen dieser neuen Module zu verstehen, wurde ein Kalibrierungsgerät gebaut, getestet und zweimal bei einer in-situ Messung am geografischen Südpol verwendet. Die Messung wurde in dem offenen SPICEcore borehole durchgeführt. In dem Kalibrierungsgerät waren sowohl Lichtquelle, als auch Detektor verbaut. Um die Eiseigenschaften zu vermessen, wurde Licht in möglichst kurzen Pulsen in das Eis gestrahlt. Der Detektor hat nun die Zeitverteilung gemessen, mit der die Photonen wieder zu dem Detektor zurückgestreut werden. Zur Detektion nutzt das Kalibrierungsgerät die gleiche wellenlängenschiebende Technologie, wie die neuentwickelten optischen Module. Die Messung wurde für Wellenlängen zwischen 245 nm und 400 nm an mehreren Tiefen in einem Bereich, in dem auch IceCube liegt durchgeführt. Diese in-situ Messungen sind der erste erfolgreiche Einsatz der neuen wellenlängenschiebenden Technologie. Mit einem likelihood fit wurde die Messung mit einer Simulation verglichen, welche die Absorption und Streuung der Photonen im Eis als Parameter variiert. Mit dieser Analyse konnte für jede Wellenlänge und Tiefe am besten passende Parameter mit Unsicherheiten, bestehend aus statistischen und systematischen Fehlern gefunden werden. Der größte Einfluss auf die Unsicherheiten ist die schlechte Zeitauflösung des Detektors. Die Ergebnisse legen eine hohe Transparenz im tiefen UV-Bereich nahe und erlauben einen tieferen Einblick in die Streuprozesse im antarktischen Eis. / The IceCube Neutrino Observatory lies under the South Pole. It instruments one cubic kilometer of glacial ice to detect secondary particles originating from neutrino interactions. The detector consists of 5160 optical sensors, which measure the Cherenkov light of these relativistic, charged particles. In order to increase the sensitivity and detection range, new extensions with newly developed optical sensors are planned. At least one of these new sensors is supposed to expand the detection range from the optical into the UV range, using a new wavelength shifting technology. To understand the improvements of these new modules, the UV calibration device was built, tested, and deployed twice in in-situ measurements at the geographic South Pole. The measurement was carried out in the open SPICEcore borehole. A light source and a detector were included in the design of the UV calibration device. To measure the ice properties, the light was pulsed in the ice as short as possible. The detector measured the timing distribution of the light getting scattered back. For the detection, the wavelength shifting technology developed for the new optical sensors is used. The measurement was carried out with four wavelengths between 245 nm and 400 nm at several depths, some within the IceCube range. These in-situ measurements successfully applied the new wavelength shifting technology for the first time. Using a likelihood fit, the measurements were compared to a simulation, which varied the absorption and scattering coefficients of the photons in the ice as parameters. With this analysis, a best-fitting set of parameters could be found for each wavelength and depth. The uncertainties are very conservative, consisting of statistical and systematic errors. The most significant influence on the uncertainties is caused by the insufficient time resolution of the detection system. The results suggest a high transparency for the deep UV range and provide a deeper insight into the scattering processes of Antarctic ice.

Im Zuge der Miniaturisierung werden mechanische Nichtlinearitäten immer wichtiger für die Auslegung und Optimierung von mikromechanischen Drehratensensoren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit neuen Simulationsmethoden zur Beschreibung dieser mechanischen Nichtlinearitäten. Die Methoden werden mit Benchmark-Simulationen und Messergebnissen validiert. Die Genauigkeit der neuen Simulationsmethoden erlaubt den Einsatz in der Designoptimierung von kommerziellen MEMS Drehratensensoren. / In this thesis, new simulation methods for the mechanical nonlinearities in microelectromechanical gyroscopes are developed and validated with benchmark simulations and experimental results. The benchmark simulations use transient finite element analysis that consider geometric nonlinear effects. Experimental results are from Laser Doppler Vibrometry and electrical measurements on wafer level. Two different simulation methods, the energy- and stiffness-based approach, are compared with respect to numerical performance and accuracy. In order to evaluate these methods, four different mechanical structures are taken into account: a doubly-clamped beam, a gyroscope test structure and two state-of-the-art gyroscopes with 1 and 2 axes. For the accuracy measurement, the simulated frequency shifts of modes are compared to the true frequency shifts that are developed from either benchmark simulation, Laser Doppler Vibrometry or electrical measurement. The presented methods allow to predict the frequency shift of modes accurately and with a minimum of computational cost. Furthermore, the methodologies allow to generate modal reduced order models which are compatible with common model order reduction in the field. This makes it possible to incorporate mechanical nonlinearity in already established reduced order models of gyroscopes. The simulation and modeling strategies are applicable for generic actuated structures that can be also in different fields of study such as the aerospace and earthquake engineering.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Festkörperkontinuumsmechanik und Metall- bzw. Kristallplastizität auf verschiedenen Längenskalen. Diesbezüglich besteht die Arbeit aus drei größeren Teilen. Im ersten Teil werden Verformungsvorgänge mit expliziter FEM (Finite-Elemente-Methode) und einem makroskopischen phänomenologischen Modell der Viskoplastizität simuliert. Hierbei wird sich auf das Gleichkanalwinkelpressen (ECAP) eines Metallbarrens und die Stauchung einer sogenannten Crashbox konzentriert. In beiden Fällen gelingt es, die im Experiment bereits beobachtete Lokalisierung der Verformung korrekt wiederzugeben. Da bei den Simulationen die konkrete Mikrostruktur des Materials vernachlässigt wird, werden diese Lokalisierungsphänomene als verformungsinduziert angesehen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Erweiterung des viskoplastischen Modells, sodass mikroskopische Vorgänge der Gitterdefektstruktur des Materials berücksichtigt werden können. Dazu wird ein Modell des dynamischen Verhaltens von Versetzungspopulationen entwickelt und an das makroskopische viskoplastische Modell gekoppelt. Auf diese Weise können Aspekte der sogenannten Kornfeinung – einem komplexen Strukturbildungsprozess von Versetzungen und anderen Gitterdefekten – erfasst werden. Allerdings kann die für die makroskopischen Eigenschaften entscheidende Bildung von Subkorngrenzen auf diese Weise nicht abgebildet werden. Um dies zu erreichen, wird im dritten Teil der Arbeit eine mesoskopische Theorie der Kristallplastizität mit kontinuierlich verteilten Versetzungen verwendet und weiterentwickelt. Hierbei werden die für eine Subkornbildung wesentlichen Freiheitsgrade hinzugenommen, die Anzahl phänomenologischer Ansätze und zugehöriger Materialparameter aber so klein wie möglich gehalten. Mit dieser Kontinuumsversetzungstheorie (KVT) gelingt es, die Bildung von Subkorngrenzen bei großen plastischen Verformungen eines Kristallits zu verfolgen. Bei den impliziten FEM-Simulationen wird ebenfalls eine Lokalisierung beobachtet, allerdings in Bezug auf die Aktivität der Versetzungen in verschiedenen Gleitebenen. Dementsprechend wird dieses Lokalisierungsphänomen als versetzungsinduziert angesehen. Der Beitrag der vorliegenden Arbeit liegt zum einen in der Aufarbeitung und Gegenüberstellung unterschiedlicher methodischer Herangehensweisen zur Modellierung verformungs- und versetzungsinduzierter Lokalisierungsphänomene. Zum anderen wird eine Analyse und Vereinheitlichung der geometrisch linearen KVT nach Berdichevsky & Le vorgenommen. Wie sich dabei zeigt, verhindern inhärente kinematische Einschränkungen der Theorie die Simulation einer Subkornbildung. Aus diesem Grund wird die konsistente geometrisch nichtlineare KVT von Gurtin aufgegriffen und erweitert. Mit einem daraus abgeleiteten elastisch und plastisch anisotropen Modell der Einkristallviskoplastizität wird der Nachweis erbracht, dass die Subkornbildung damit simuliert werden kann. Darüber hinaus wird eine Aufbereitung und Synthese von Algorithmen zur numerischen Lösung der zugehörigen Feldgleichungen mittels der Methode der finiten Differenzen und der finiten Elemente geliefert. Zudem werden beide Näherungsverfahren in Bezug auf Vor- und Nachteile sowie thermodynamische Konsistenz bei der Anwendung auf Mehrfeldprobleme miteinander verglichen. / The present thesis deals with solid continuum mechanics applied to metal and crystal plasticity on different length scales. In this respect, the work consists of three larger parts. In the first part, deformation processes are simulated with explicit FEM (Finite Element Method) and a macroscopic phenomenological model of viscoplasticity. Here the focus is on the Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) of a metal billet and the compression of a so-called crash box. In both cases it is possible to correctly reproduce the localization of the deformation as already observed in the experiment. Since the concrete microstructure of the material is neglected in the simulations, these localization phenomena are regarded as deformation-induced. The second part deals with the extension of the viscoplastic model so that microscopic processes of the lattice defect structure of the material can be considered. A model of the dynamic behavior of dislocation populations is developed and coupled to the macroscopic viscoplastic model. In this way, aspects of the so-called grain refinement – a complex structure formation process of dislocations and other lattice defects – can be captured. However, the formation of subgrain boundaries, which is decisive for the macroscopic properties, cannot be predicted in this way. To achieve this, a mesoscopic theory of crystal plasticity with continuously distributed dislocations is used and further developed in the third part of the thesis. Here, the degrees of freedom essential for subgrain formation are added, while the number of phenomenological approaches and associated material parameters are kept as small as possible. With this continuum dislocation theory it is possible to follow the formation of subgrain boundaries during large plastic deformations of a crystallite. In the implicit FEM simulations, localization is also observed, but with respect to the dislocation activity in different slip planes. Accordingly, this localization phenomenon is considered dislocation-induced. The contribution of the present work lies on the one hand in the review and comparison of different methodical approaches to the modeling of deformation- and dislocation-induced localization phenomena. On the other hand, an analysis and unification of the geometrically linear continuum dislocation theory according to Berdichevsky & Le is carried out. As it turns out, inherent kinematic limitations of the theory prevent the simulation of subgrain formation. For this reason the consistent geometrically non-linear continuum dislocation theory from Gurtin is adopted and extended. With the derived model of elastically and plastically anisotropic single crystal viscoplasticity it is proven that subgrain formation can be simulated. Moreover, a preparation and synthesis of algorithms for the numerical solution of the associated field equations using the method of finite differences and finite elements is provided. In addition, both approximation methods are compared in terms of advantages and disadvantages as well as thermodynamic consistency when applied to multi-field problems.

Von Beginn der flexiblen Automatisierung mit numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen und der zugehörigen Programmier-Software bis zum gegenwärtigen Entwicklungsstand (Industrie 4.0) wird die historische Entwicklung von 1960 bis 2020 aus der Position eines aktiven Mitgestalters dargestellt. Interessanterweise vollzogen sich die wesentlichen Entwicklungsetappen für die ersten dreißig Jahre parallel in beiden deutschen Staaten. Aus den Lehren des Zweiten Weltkrieges wurden im Rahmen der UNESCO zum friedlichen Informationsaustausch geeignete wissenschaftliche Organisationen gegründet: • IFIP (Internationale Föderation für Informationsprozesse, speziell Arbeitsgrupp CAM • CIRP (Internationale Akademie der Fertigungstechniker) Mit der Berufung und aktiven Mitarbeit in diesen Organisationen war eine Plattform für die deutsch-deutsche und darüber hinaus internationale Kooperation gegeben. Ein besonderer Schwerpunkt für den geordneten Informationsaustausch im Rahmen der gesamten dynamischen Entwicklung im Gebiet der Produktionsautomatisierung war dabei die im 3-Jahres-Rhythmus durchgeführte Konferenzserie PROLAMAT (Programming Languages for Machine Tools), gestartet 1969 in Rom. Im weiteren Verlauf wurde dieser Begriff viel breiter für das gesamte Gebiet der automatisierten Informationsverarbeitung und Fertigung erweitert. Ein besonderer Höhepunkt war dabei die erfolgreichste PROLAMAT-Konferenz 1988 in Dresden. Parallel dazu erfolgten an der TU Dresden Entwicklungen in Richtung CAD/CAM-Labor und später CIM-TT (CIM-Technologietransferzentrum). Damit war an der TU Dresden 1989/90 ein Entwicklungsstand gegeben, der unmittelbar zu gemeinsamen deutsch-deutschen und internationalen EU-Projekten genutzt werden konnte. Dieses hohe Entwicklungsniveau wurde zur offiziellen Eröffnung des CIM-TT-Zentrums in den Eröffnungsreferaten durch den damaligen Wissenschaftsminister Dr. Riesenhuber und Ministerpräsident Prof. Biedenkopf gewürdigt. Durch die zum gleichen Zeitpunkt verfügte veränderte Nutzung des für das CIM-TT im Aufbau befindliche Gebäude durch die neugegründete Juristische Fakultät wurde der erfolgreich vorbereitete Weg verhindert. Unabhängig davon blieb meine fachliche Orientierung mit den gravierenden Weiterentwicklungen eng verbunden. Dazu trug das Sabbatical-Jahr in Norwegen und den USA 1992 maßgeblich bei. Mit dem Forschungsaufenthalt war die Entscheidungsvorbereitung für die vorgesehene Groß-Investition für das neueste generative Verfahren verbunden. Gleichzeitig mit dem fundierten Nachweis der bestgeeigneten sog. Rapid-Prototyping-Anlage vom deutschen Anbieter EOS München war die TU Dresden auf diesem neuen High-Tech-Gebiet 1992 in einer anerkannten Spitzenposition. Mit meiner Publikation eines der ersten Fachbücher im Gebiet Advanced Prototyping (jetzt Additiv Manufacturing) war darüber hinaus eine gute Basis für weitere innovative Aktivitäten gegeben Dazu gehört die Gründung einer High-Tech-Firma (SFM - Schnelle Fertigung von Modellen) mit bemerkenswerten beispielgebenden Ergebnissen. Hervorgehoben soll die zwanzigjährige aktive Kooperation mit der Universität Stellenbosch (RSA - Republik Südafrika), die unter anderem mit meiner Berufung zum Extraordinary Professor im Jahr 2003 verbunden ist. Mit der Eröffnung eines Technologie-Zentrums nach dem Vorbild des ursprünglichen CIM TT -Zentrums der TU Dresden konnte für Südafrika ein wertvoller Beitrag geleistet werden. Das gesamte Lebenswerk ist gekennzeichnet durch die Entwicklungsschritte von der Mathematisierung über die Algorithmierung bis hin zur Programmierung vielfältiger technologischer Sachverhalte. Die Ergebnisse sind in einer Anzahl von persönlichen Fachbüchern (z.T. übersetzt in das Russische und Ungarische) wie auch Konferenzberichten und mehr als 200 Veröffentlichungen (deutsch und englisch) dokumentiert.