Elektronische Bauteile aus organischen Halbleitern stellen höchste Anforderungen an die Qualität der Verkapselung, die sie vor eindringenden Wasser- und Luftmolekülen schützt. Gleichzeitig soll diese preiswert und mechanisch flexibel sein. Diese Arbeit realisiert Aluminium-Mehrschichtsysteme als wirkungsvolle, biegsame und einfache Verkapselung. Es werden verschiedene Herstellungsmethoden und Zwischenschichtmaterialien untersucht, wobei die Barrierelamination als überlegenes Verfahren etabliert wird. Verkapselungssysteme werden mittels optischer Untersuchung und mit dem elektrischen Calciumtest auf ihre Güte geprüft, bevor sie in Solarzellenalterungsexperimenten unter realitätsnahen Bedingungen zur Anwendung kommen. Laminationsbarrieren aus Aluminiumdünnschichten zeigen reproduzierbar Wasserdampfdurchtrittsraten im unteren 10^(-4) g(H2O)/m^2/Tag-Bereich unter beschleunigten Permeationsbedingungen. Sie verlängern die T(50)-Lebensdauer von Solarzellen um einen Faktor 50 gegenüber unverkapselten Zellen auf Werte, die mit starrer Glas- oder zeitaufwendiger ALD-Verkapselung vergleichbar sind.:1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1. Organische Halbleiter 2.2. Organische Photovoltaik 2.2.1. Aufbau und Funktion 2.2.2. Charakterisierung 2.3. Degradationsmechanismen in organischer Photovoltaik 2.3.1. Intrinsische Degradation 2.3.2. Extrinsische Degradation 2.4. Permeationsbarrieren 2.4.1. Wasserdampftransmissionsrate 2.4.2. Permeationsmechanismen 2.5. Vakuumabscheidung 2.5.1. Thermische Vakuumabscheidung 2.5.2. Dünnschichtwachstum 2.6. Calciumtest 2.6.1. Allgemeiner Aufbau 2.6.2. Mögliche Fehlerquellen beim Calciumtest 2.6.3. Optischer Calciumtest 2.6.4. Elektrischer Calciumtest 3. Experimentelle Methoden und Geräte 3.1. Substrate 3.2. Vakuumverdampfung 3.2.1. Evaporation System Königbau 3.2.2. Lesker-Verdampfungsanlage 3.3. Lamination 3.3.1. Epoxidharz Araldite 2011 3.3.2. Barrierekleber Tesa SE 3.3.3. Barrierekleber BK4a Fraunhofer 3.4. Elektrischer Calciumtest 3.4.1. Probenaufbau 3.4.2. Messapparatur 3.5. Solarzellencharakterisierung 3.5.1. Externe Quanteneffizienz 3.5.2. Strom-Spannungskennlinien 3.6. Klimaschrank 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Defektradius von Aluminiumbarrieren 4.2. Keimschichten 4.3. Multilagenbarrieren 4.3.1. Vakuumprozessierte Zwischenschichten 4.3.2. Laminationsbarrieren 4.4. Integration von Calcium als Wasserfangstoff 4.5. Solarzellenalterung 4.5.1. Vergleich der Glasverkapselten Proben 4.5.2. Vergleich der Verkapselungstechniken 4.5.3. Vergleich der unverkapselten Proben: MoO3-, Cu-, Cr-Schichten 4.5.4. Degradation der Epoxidharzproben 4.5.5. Wirkungsgrad und Degradation der ALD-Proben 4.6. Vollflexible Solarzellen mit Laminationsbarriere 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang A.1. Abkürzungsverzeichnis A.2. Häufige Formelzeichen / Organic electronic devices require excellent encapsulation to protect them from intruding water- and air-molecules. At the same time, the encapsulation has to be inexpensive and flexible. This work presents aluminum multilayer barriers as highly effective, flexible and low-cost encapsulation. Various production methods and interlayer materials are investigated and barrier-lamination is established as superior process. Encapsulation systems are evaluated optically and by means of the electrical calcium-test, before they are employed in realistic solar cell aging experiments. Lamination-barriers of thin aluminum films show reproducible water-vapor transmission rates in the low 10^(-4) g(H2O)/m^2/day-range under accelerated permeation conditions. They improve the T(50)-lifetime of solar cells by a factor of 50 compared to unencapsulated cells, reaching values on par with rigid glass encapsulation or time-consuming atomic layer deposition.:1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1. Organische Halbleiter 2.2. Organische Photovoltaik 2.2.1. Aufbau und Funktion 2.2.2. Charakterisierung 2.3. Degradationsmechanismen in organischer Photovoltaik 2.3.1. Intrinsische Degradation 2.3.2. Extrinsische Degradation 2.4. Permeationsbarrieren 2.4.1. Wasserdampftransmissionsrate 2.4.2. Permeationsmechanismen 2.5. Vakuumabscheidung 2.5.1. Thermische Vakuumabscheidung 2.5.2. Dünnschichtwachstum 2.6. Calciumtest 2.6.1. Allgemeiner Aufbau 2.6.2. Mögliche Fehlerquellen beim Calciumtest 2.6.3. Optischer Calciumtest 2.6.4. Elektrischer Calciumtest 3. Experimentelle Methoden und Geräte 3.1. Substrate 3.2. Vakuumverdampfung 3.2.1. Evaporation System Königbau 3.2.2. Lesker-Verdampfungsanlage 3.3. Lamination 3.3.1. Epoxidharz Araldite 2011 3.3.2. Barrierekleber Tesa SE 3.3.3. Barrierekleber BK4a Fraunhofer 3.4. Elektrischer Calciumtest 3.4.1. Probenaufbau 3.4.2. Messapparatur 3.5. Solarzellencharakterisierung 3.5.1. Externe Quanteneffizienz 3.5.2. Strom-Spannungskennlinien 3.6. Klimaschrank 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Defektradius von Aluminiumbarrieren 4.2. Keimschichten 4.3. Multilagenbarrieren 4.3.1. Vakuumprozessierte Zwischenschichten 4.3.2. Laminationsbarrieren 4.4. Integration von Calcium als Wasserfangstoff 4.5. Solarzellenalterung 4.5.1. Vergleich der Glasverkapselten Proben 4.5.2. Vergleich der Verkapselungstechniken 4.5.3. Vergleich der unverkapselten Proben: MoO3-, Cu-, Cr-Schichten 4.5.4. Degradation der Epoxidharzproben 4.5.5. Wirkungsgrad und Degradation der ALD-Proben 4.6. Vollflexible Solarzellen mit Laminationsbarriere 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang A.1. Abkürzungsverzeichnis A.2. Häufige Formelzeichen

Wechselrichter im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen verbinden Batterie und Motor miteinander. Bei konventionellen Wechselrichtern ist die Ständerspannung des Fahrmotors durch die Batteriespannung begrenzt. Dies ist vor allem bei hohen Drehzahlen nachteilig, da hier ein zusätzlicher feldschwächender Strom notwendig ist. Dieser Strom wiederum verursacht zusätzliche Verluste in der Maschine und der Leistungselektronik. Einen alternativen Ansatz bieten hochsetzende Wechselrichter. Die Begrenzung der Ständerspannung durch die Batterie entfällt. In der vorliegenden Diplomarbeit werden zwei hochsetzende Wechselrichter miteinander verglichen. Zunächst wird die Funktionsweise des Wechselrichters mit Hochsetzsteller und des ZSource-Wechselrichters erläutert. Danach werden Bauelemente für beide hochsetzende Wechselrichter ausgewählt. Anschließend werden die Verluste und das thermische Verhalten der ausgewählten Konfigurationen analysiert und mit Matlab simuliert. Abschließend werden der Wechselrichter mit Hochsetzsteller und der Z-Source-Wechselrichter bezüglich der Kriterien Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Fertigungsaufwand miteinander verglichen. / Inverter in the drive train of electric vehicles connect the battery to the machine. Using conventional inverters, the stator voltage is limited by the battery voltage. This is mainly a disadvantage at a high speed, since an additional field weakening current is needed. This current produces extra losses in the electrical machine and the power electronics. DC/DC boosted inverters offer an alternative solution. A limitation of stator voltage through the battery does not occur. This diploma thesis is comparing two kinds of DC/DC boosted inverters. First the functionality of an inverter with boost converter and that of a Z-Sourceinverter are presented. Afterwards the electrical components for both inverters are chosen and are simulated using Matlab. Finally the results of the simulation are compared with respect to power effciency, reliability of the electrical components and the effort of production.

Basierend auf den physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen ölintrinsischen und injizierten Ladungsträger wird ein neues Leitfähigkeitsmodell für Isolieröl und -papier für die Belastung mit hoher Gleichspannung aufgestellt. Das Modell wird mit der Wahl geeigneter Randbedingungen für das elektrische Feld und der Teilchenströme auf die Poisson-Nernst-Planck-Gleichung übertragen. Es steht damit ein Werkzeug zur Verfügung, das dielektrische Verhalten der Öl-Papier-Isolierung zu modellieren, dessen Parameter auf den physikalischen Ladungsträgereigenschaften wie Mobilität und Diffusion basieren. Mit dessen Hilfe werden sowohl die nichtlineare Leitfähigkeit als auch das Durchschlagverhalten als deren Extrapolation feldstärkeabhängig erklärt.

Aufgrund der großen Bedeutung technischer Gummiwerkstoffe in industriellen Anwendungen ist die Vorhersage des Materialverhaltens ein aktuelles Forschungsgebiet. Insbesondere die Veränderung der Eigenschaften, die durch chemische Prozesse herbeigeführt werden, spielen eine große Rolle, da aufgrund gestiegener Anforderungen an die Haltbarkeit von Bauteilen diese Alterungseffekte verstanden, vorhergesagt und abgeschwächt werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein mathematisches Modell hergeleitet, das die chemischen Vorgänge vorhersagt und deren Auswirkungen auf wichtige Eigenschaften in einem mechanischen Materialmodell beachtet. Insbesondere der Oxidation durch Luftsauerstoff wird Rechnung getragen. Das mechanische Materialverhalten alternder Gummiwerkstoffe wird mit Hilfe eines neuartigen Ansatzes modelliert. Das in dieser Arbeit vorgestellte Dynamische-Netzwerk-Modell betrachtet die Auswirkungen der chemischen Reaktionen auf das mechanische Verhalten als einen kontinuierlichen Netzwerkumbau durch das Entfernen und neue Einsetzen von Verbindungen zwischen Polymerketten. Basierend auf experimentellen Erkenntnissen werden Hypothesen formuliert, die eine Kopplung zwischen den Oxidationsreaktionen und der Veränderung des mechanischen Verhaltens herstellen. Durch Beachtung von Diffusion und Reaktion kann die lokale Sauerstoffverteilung in großvolumigen Bauteilen berechnet und der Effekt der diffusionslimitierten Oxidation (DLO-Effekt) vorhergesagt werden. Um eine Bestimmung der Modellparameter zu ermöglichen, werden verschiedene Experimente vorgeschlagen, mathematisch modelliert und deren Eignung zur Parameteridentifikation analysiert. Mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Experimenten können sowohl die chemischen als auch die mechanischen Modellparameter sicher identifiziert werden. In dieser Arbeit wird zudem ein sogenannter gestaffelter Lösungsalgorithmus vorgeschlagen, der das Alterungsproblem nach einer mathematischen Entkopplung unterschiedlicher Feldprobleme über geeignete Kopplungsvariablen effizient berechnen kann. Mit Hilfe dieses Algorithmus kann eine Simulation effizient durchgeführt und das Alterungsverhalten komplexer Strukturen vorhergesagt werden. Die Simulation anwendungsnaher Strukturen zeigt, dass die abgeleiteten Modelle und Algorithmen problemlos in einem industriellen Umfeld einsetzbar sind. / Due to the great importance of rubber materials in industrial applications, the prediction of the material behavior is a current research field. Particularly the property changes that are induced by chemical processes play a major role, as these aging effects must be understood, predicted and reduced due to the increased requirements regarding the durability of components. In the context of this thesis, a mathematical model that predicts and considers the chemical processes and their effects on important properties in a mechanical material model is derived. Oxidation through atmospheric oxygen is specifically examined in this work. The mechanical material behavior of aging rubber materials is modeled using a novel approach. The dynamic network model introduced in this paper considers the effects of the chemical reactions on the mechanical behavior as a continuous restructuring of the network by removing and inserting new crosslinks between polymer chains. Based on experimental obervations a coupling between the oxidation reactions and a change of the mechanical material behavior is proposed. By taking into account the diffusion and reaction the local distribution of oxygen in large sized components can be computed. Thus, the effect of diffusion limited oxidation (DLO effect) can be predicted. In order to make an identification of the model parameters possible, different experiments are suggested, modeled mathematically and their suitability for parameter identification is analyzed. Not only the chemical, but also the mechanical model parameters can be identified reliably using a comparably few number of experiments. Moreover, a so-called staggered solution algorithm that can calculate the aging problem efficiently after a mathematical uncoupling of the field problems using a suitable coupling variable is introduced. This algorithm can perform a simulation efficiently and predict the aging behavior of complex structures. The simulation of application oriented structures proofs the applicability of the derived models and algorithms within an industrial environment.

Optoplasmonic microtube cavities, the combination of dielectric microcavities and noble metal layers, allow for the interactions between photonic modes and surface plasmons, leading to several novel phenomena and promising applications. In this thesis, the hybrid modes with different plasmon-types of evanescent field in the optoplasmonic microtube cavities are discussed. The basic physical mechanism for the generation of plasmon-type field is comprehensively investigated based on an effective potential approach. In particular, when the cavity wall becomes ultra-thin, the plasmon-type field can be greatly enhanced, and the hybrid modes are identified as strong photon-plasmon hybrid modes which are experimentally demonstrated in the metal-coated rolled-up microtube cavities. By designing a metal nanocap onto microtube cavities, angle-dependent tuning of hybrid photon-plasmon modes are realized, in which TE and TM polarized modes exhibit inverse tuning trends due to the polarization match/mismatch. And a novel sensing scheme is proposed relying on the intensity ratio change of TE and TM modes instead of conventionally used mode shift. In addition, localized surface plasmon resonances coupled to resonant light is explored by designing a vertical metal nanogap on microtube cavities. Selective coupling of high-order axial modes is demonstrated depending on spatial-location of the metal nanogap. A modified quasi-potential well model based on perturbation theory is developed to explain the selective coupling mechanism. These researches systematically explore the design of optoplasmonic microtube cavities and the mechanism of photon-plasmon coupling therein, which provide a novel platform for the study of both fundamental and applied physics such as the enhanced light-matter interactions and label-free sensing.

Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Der externe Wirkungsquerschnitt von auf AlGaAs/InGaAlP basierenden Leuchtdioden (LEDs) ist auf Grund von Totalreflexion infolge des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials (n=3...4) beschränkt. Auf die Oberfläche der LED aufgebrachte metallische Nanoteilchen (MNT) können jedoch als Dipolstreuer genutzt werden, um so die Emission der LED zu vergrößern. In dieser Arbeit wurden zunächst einzelne Goldnanoteilchen verschiedener Größe auf einer solchen Leuchtdiode in zwei verschiedenen Umgebungsmedien untersucht. Dabei zeigt sich eine deutliche Verstärkung der Emission, falls die Dipolresonanz des MNT bei kürzeren Wellenlängen im Vergleich zur LED-Emission liegt. Für den Fall, dass die Dipolresonanz mit der Emission überlappt oder bei größeren Wellenlängen liegt, kommt es zu einer Abschwächung. Numerische Berechnungen zeigen, dass dabei die Stärke der Quadrupolmode, welche zusätzliche Absorption hervorruft, sowie eine Rotverschiebung der Dipolresonanz bei Anregung oberhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion eine entscheidende Rolle spielen. Mit Hilfe einer speziellen Maskentechnik, der Fischer-Pattern-Nanolithographie, können Arrays von MNT hergestellt und anschließend die MNT in Form und Größe manipuliert werden. Die zunächst dreieckige Form der Partikel führt zu einer Abschwächung der Emission, welche sich aber durch Umwandlung der MNT in Kugeln zu einer Emissionsverstärkung wendet. Dabei kann Licht, welches sonst im Substrat gefangen wäre, durch plasmonische Streuung ausgekoppelt werden. Eine Untersuchung ähnlicher Strukturen auf einem hochbrechenden, transparenten Substrat (GaP) zeigt, dass die Lage der plasmonischen Resonanzen stärker vom Abstand der Partikel abhängt, als gewöhnlich zu erwarten wäre.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion / The external quantum efficiency of light-emitting diodes (LEDs) based on AlGaAs/InGaAlP is limited by total internal reflection because of the high refractive index (typically between 3 and 4) of the semiconductor. Metal nanoparticles (MNP) deposited on the surface of the LED can be used as dipole scatterers in order to enhance the emission of the LED. In this thesis, first, single gold nanoparticles of various sizes deposited on such an LED were investigated. A clear enhancement is detected as long as the dipole plasmon resonance of the particle is at a shorter wavelength than the LED emission. If the plasmon resonance coincides with the LED emission or is at a larger wavelength, the enhancement turns into suppression. Numerical simulations indicate that this latter effect is mainly caused by the particle quadrupole resonance producing extra absorption. Arrays of MNPs can be produced by a special mask technique called \"Fischer pattern nanolithography\" and manipulated in shape and size by additional steps. Originally, the MNPs produced by this technique are triangular in shape and turn out to suppress the LED emission. After transformation of the particles to spheres, a clear enhancement was detected. Light that would otherwise remain trapped inside the substrate is coupled out by resonant plasmonic scattering. Investigations on analogous structures on a transparent high-index material (GaP) indicate a stronger coupling between the particles than expected on the basis of literature data.:1 Eigenschaften metallischer Nanoteilchen 2 Untersuchung der Lichtauskopplungsverstärkung einzelner Metalnanoteilchen auf der LED 3 Regelmäßig angeordnete metallische Nanoteilchen - Herstellung und Verstärkungseigenschaften 4 Manipulation der Größe metallischer Nanopartikel 5 Eigenschaften eines Arrays metallischer Nanopartikel auf einem hochbrechenden Substrat 6 Abschlussdiskussion

This dissertation describes the improvement of signal analysis in ultrasonic microscopy for nondestructive testing. Specimens with many thin layers, like modern electronic components, pose a particular challenge for identifying and localizing defects. In this thesis, new evaluation algorithms have been developed which enable analysis of highly complex layer-stacks. This is achieved by a specific evaluation of multiple reflections, a newly developed iterative reconstruction and deconvolution algorithm, and the use of classification algorithms with a highly optimized simulation algorithm. Deep delaminations inside a 19-layer component can now not only be detected, but also localized. The new analysis methods also enable precise determination of elastic material parameters, sound velocities, thicknesses, and densities of multiple layers. The highly improved precision of determined reflections parameters with deconvolution also provides better and more conclusive results with common analysis methods.:Kurzfassung......................................................................................................................II Abstract.............................................................................................................................V List ob abbreviations........................................................................................................X 1 Introduction.......................................................................................................................1 1.1 Motivation.....................................................................................................................2 1.2 System theoretical description.....................................................................................3 1.3 Structure of the thesis..................................................................................................6 2 Sound field.........................................................................................................................8 2.1 Sound field measurement............................................................................................8 2.2 Sound field modeling..................................................................................................11 2.2.1 Reflection and transmission coefficients.........................................................11 2.2.2 Sound field modeling with plane waves..........................................................13 2.2.3 Generalized sound field position.....................................................................19 2.3 Receiving transducer signal.......................................................................................20 2.3.1 Calculation of the transducer signal from the sound field...............................20 2.3.2 Received signal amplitude..............................................................................21 2.3.3 Measurement of reference signals..................................................................24 3 Ultrasonic Simulation......................................................................................................27 3.1 State of the art............................................................................................................27 3.2 Simulation approach..................................................................................................28 3.2.1 Sound field measurement based simulation...................................................28 3.2.2 Reference signal based simulation.................................................................30 3.3 Determination of the impulse response.....................................................................31 3.3.1 1D ray-trace algorithm....................................................................................31 3.3.2 2D ray-trace algorithm....................................................................................33 3.3.3 Complexity reduction – optimizations.............................................................35 4 Deconvolution – Determination of reflection parameters............................................38 4.1 State of the art............................................................................................................39 4.1.1 Decomposition techniques..............................................................................39 4.1.2 Deconvolution.................................................................................................41 4.2 Analytic signal investigations for deconvolution.........................................................42 4.3 Single reference pulse deconvolution........................................................................44 4.4 Multi-pulse deconvolution..........................................................................................47 4.4.1 Homogeneous multi-pulse deconvolution.......................................................48 4.4.2 Multi-pulse deconvolution with simulated GSP profile....................................49 5 Reconstruction.................................................................................................................50 5.1 State of the art............................................................................................................50 5.2 Reconstruction approach...........................................................................................51 5.3 Direct material parameter estimation.........................................................................52 5.3.1 Sound velocities and layer thickness..............................................................52 5.3.2 Density, elastic modules and acoustic attenuation.........................................54 5.4 Iterative material parameter determination of a single layer......................................56 5.5 Reconstruction of complex specimens......................................................................60 5.5.1 Material characterization of multiple layers ....................................................60 5.5.2 Iterative simulation parameter optimization with correlation...........................62 5.5.3 Pattern recognition reconstruction of specimens with known base structure. 66 6 Applications and results.................................................................................................71 6.1 Analysis of stacked components................................................................................71 6.2 Time-of-flight and material analysis...........................................................................74 7 Conclusions and perspectives.......................................................................................78 References.......................................................................................................................82 Figures.............................................................................................................................86 Tables...............................................................................................................................88 Appendix..........................................................................................................................89 Acknowledgments.........................................................................................................100 Danksagung...................................................................................................................101 / Die vorgelegte Dissertation befasst sich mit der Verbesserung der Signalauswertung für die Ultraschallmikroskopie in der zerstörungsfreien Prüfung. Insbesondere bei Proben mit vielen dünnen Schichten, wie bei modernen Halbleiterbauelementen, ist das Auffinden und die Bestimmung der Lage von Fehlstellen eine große Herausforderung. In dieser Arbeit wurden neue Auswertealgorithmen entwickelt, die eine Analyse hochkomplexer Schichtabfolgen ermöglichen. Erreicht wird dies durch die gezielte Auswertung von Mehrfachreflexionen, einen neu entwickelten iterativen Rekonstruktions- und Entfaltungsalgorithmus und die Nutzung von Klassifikationsalgorithmen im Zusammenspiel mit einem hoch optimierten neu entwickelten Simulationsalgorithmus. Dadurch ist es erstmals möglich, tief liegende Delaminationen in einem 19-schichtigem Halbleiterbauelement nicht nur zu detektieren, sondern auch zu lokalisieren. Die neuen Analysemethoden ermöglichen des Weiteren eine genaue Bestimmung von elastischen Materialparametern, Schallgeschwindigkeiten, Dicken und Dichten mehrschichtiger Proben. Durch die stark verbesserte Genauigkeit der Reflexionsparameterbestimmung mittels Signalentfaltung lassen sich auch mit klassischen Analysemethoden deutlich bessere und aussagekräftigere Ergebnisse erzielen. Aus den Erkenntnissen dieser Dissertation wurde ein Ultraschall-Analyseprogramm entwickelt, das diese komplexen Funktionen auf einer gut bedienbaren Oberfläche bereitstellt und bereits praktisch genutzt wird.:Kurzfassung......................................................................................................................II Abstract.............................................................................................................................V List ob abbreviations........................................................................................................X 1 Introduction.......................................................................................................................1 1.1 Motivation.....................................................................................................................2 1.2 System theoretical description.....................................................................................3 1.3 Structure of the thesis..................................................................................................6 2 Sound field.........................................................................................................................8 2.1 Sound field measurement............................................................................................8 2.2 Sound field modeling..................................................................................................11 2.2.1 Reflection and transmission coefficients.........................................................11 2.2.2 Sound field modeling with plane waves..........................................................13 2.2.3 Generalized sound field position.....................................................................19 2.3 Receiving transducer signal.......................................................................................20 2.3.1 Calculation of the transducer signal from the sound field...............................20 2.3.2 Received signal amplitude..............................................................................21 2.3.3 Measurement of reference signals..................................................................24 3 Ultrasonic Simulation......................................................................................................27 3.1 State of the art............................................................................................................27 3.2 Simulation approach..................................................................................................28 3.2.1 Sound field measurement based simulation...................................................28 3.2.2 Reference signal based simulation.................................................................30 3.3 Determination of the impulse response.....................................................................31 3.3.1 1D ray-trace algorithm....................................................................................31 3.3.2 2D ray-trace algorithm....................................................................................33 3.3.3 Complexity reduction – optimizations.............................................................35 4 Deconvolution – Determination of reflection parameters............................................38 4.1 State of the art............................................................................................................39 4.1.1 Decomposition techniques..............................................................................39 4.1.2 Deconvolution.................................................................................................41 4.2 Analytic signal investigations for deconvolution.........................................................42 4.3 Single reference pulse deconvolution........................................................................44 4.4 Multi-pulse deconvolution..........................................................................................47 4.4.1 Homogeneous multi-pulse deconvolution.......................................................48 4.4.2 Multi-pulse deconvolution with simulated GSP profile....................................49 5 Reconstruction.................................................................................................................50 5.1 State of the art............................................................................................................50 5.2 Reconstruction approach...........................................................................................51 5.3 Direct material parameter estimation.........................................................................52 5.3.1 Sound velocities and layer thickness..............................................................52 5.3.2 Density, elastic modules and acoustic attenuation.........................................54 5.4 Iterative material parameter determination of a single layer......................................56 5.5 Reconstruction of complex specimens......................................................................60 5.5.1 Material characterization of multiple layers ....................................................60 5.5.2 Iterative simulation parameter optimization with correlation...........................62 5.5.3 Pattern recognition reconstruction of specimens with known base structure. 66 6 Applications and results.................................................................................................71 6.1 Analysis of stacked components................................................................................71 6.2 Time-of-flight and material analysis...........................................................................74 7 Conclusions and perspectives.......................................................................................78 References.......................................................................................................................82 Figures.............................................................................................................................86 Tables...............................................................................................................................88 Appendix..........................................................................................................................89 Acknowledgments.........................................................................................................100 Danksagung...................................................................................................................101

Diese Arbeit setzt sich mit der Gesamtheit des Antriebsstrangs vom Brennstoffzellen-Modul bis zum Rad auseinander. Hierfür wird das Verhalten der Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle als Einzelzelle und zusammengeschalten als Stack mithilfe eines vereinfachten Greybox-Modells in MATLAB/Simulink® beschrieben. Das Modell, welches zudem an ein idealisiertes aber aussagekräftiges Antriebsstrangmodell gekoppelt ist, erlaubt die Auslegung der Antriebskomponenten für konkrete Betriebsszenarien unter Variation der zu- und abgeführten Medien sowie der Zustandsgrößen Temperatur und Druck. Simulierte Drehmomentverläufe im berechneten Motorkennfeld mit effektivem Arbeitspunkt, Zwischenkreisspannungen und auftretende Verluste in den elektrischen Komponenten bieten die Grundlage, um bereits in der Entwicklungsphase das Zusammenwirken der Antriebskomponenten abzuschätzen und den Antriebsstrang für ein Demonstratorfahrzeug auslegen zu können. / This work addresses the entirety of the powertrain from the fuel cell module to the wheel. For this purpose, the behaviour of the low-temperature polymer electrolyte fuel cell as a single cell and assembled as a stack is described using a simplified greybox model in MATLAB/Simulink®. The model, which is also coupled to an idealized but conclusive powertrain model, allows the design of the powertrain components by varying the media supplied and discharged as well as the state variables temperature and pressure. Simulated torque progressions in the calculated engine characteristics with the effective operating point, DC link voltages and losses occurring in the electrical components provide the basis for estimating the interaction of the powertrain components in the development phase and for dimensioning the powertrain for a demonstrator vehicle.

Methods for reliability assessment and a deep understanding of degradation mechanisms are important for product and process development. In this work, reliability under electrical stress of a state-of-the-art integrated low-temperature PVD PZT Film stack is discussed. DC and AC lifetime under electric stress are investigated experimentally over wide ranges of temperature and applied electric field. Empirical Weibull analysis and comparison of the obtained Weibull slope is used to evaluate suitable acceleration ranges for empirical testing. Changes of the Weibull slope above a temperature of 150 °C and gradual change over voltage acceleration in the range of 100 kV/cm to 200 kV/cm were found. This indicates that accelerated lifetime testing in the temperature range below 150 °C is possible and caution is required for voltage acceleration. The results of this study are also published in Ref. (a). Closing the literature gap, time to breakdown data under unipolar AC electric stress is presented. Comparison with results obtained under DC electric stress reveals that the DC degradation mechanism still dominates under unipolar AC load. This observation was found to hold over tested AC frequency, DC offset, and temperature ranges. As consequence, AC lifetime can be predicted based on DC time to breakdown experiments (b). To enhance the physical understanding of degradation and breakdown, variation of the leakage current over time during electrical load is analyzed. An enhanced physical model for leakage current degradation is proposed and degradation kinetics are studied experimentally. For the first time, more than one defect species being active and manifesting in leakage current degradation of perovskite oxides are proposed and experimental evidence is presented to substantiate the hypotheses. Model predictions and experimental results are found to be in excellent agreement. The proposed characterization method allows for characterization of contributing defect types by associated charge and true activation energy (c). Based on experimental observations, a direct connection between leakage current degradation mechanism and time dependent dielectric breakdown (TDDB) mechanism is proposed and formulated in a physical model. For the first time, kinetics of leakage current degradation and TDDB are successfully linked, using new evaluation methods for the experimental data obtained under DC and AC electrical stress. This pioneering connection between leakage current and breakdown ultimately leads to the fundament of a comprehensive HALT model. Fundamental implications of the new findings on reliability testing of high-k dielectrics are discussed. / Methoden zur Zuverlässigkeitsbewertung und ein tiefes Verständnis der Degradationsmechanismen sind wichtig für die Produkt- und Prozessentwicklung. In dieser Arbeit wird die Zuverlässigkeit eines auf dem Stand der Technik befindlichen integrierten niedertemperatur PVD PZT Dünnschichtstapels unter elektrischer Last diskutiert. Lebenszeit unter Gleichstrom- (DC) und Wechselstromlast (AC) werden experimentell über weite Bereiche der Temperatur und angelegter Feldstärke untersucht. Empirische Weibull Analyse und Vergleich der erhaltenen Weibull-Module werden verwendet, um Beschleunigungsbereiche für empirische Testverfahren zu bewerten. Eine Veränderung der Weibull-Module oberhalb von 150 °C und eine graduelle Veränderung für Spannungsbeschleunigung im Bereich von 100 kV/cm bis 200 kV/cm wurden festgestellt. Dies weist darauf hin, dass beschleunigte Lebenszeittests im Temperaturbereich unterhalb von 150 °C möglich sind, Spannungsbeschleunigung jedoch mit hoher Vorsicht zu bewerten ist. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ebenfalls in Ref. (a) veröffentlicht. Durch die Präsentation von Durchbruchzeiten unter unipolarer AC-Belastung wird eine Forschungslücke geschlossen. Ein Vergleich mit Ergebnissen, die unter Gleichstrombelastung erhoben wurden zeigt, dass Degradationsmechanismen, die unter DC aktiv sind unter unipolarer AC-Belastung das Durchbruchverhalten weiterhin dominieren. Diese Beobachtung hat Bestand über die untersuchten Bereiche von AC-Frequenz, DC-Versatz und Temperatur. Daraus folgt, dass Lebenszeit unter AC-Belastung durch Experimente unter DC vorhergesagt werden kann (b). Um das physikalische Verständins von Degradation und Durchbruch zu erweitern, wird die Veränderung des Leckstroms über elektrischer Belastungszeit analysiert. Ein erweitertes physikalisches Modell für die Leckstromdegradation wird vorgeschlagen und die Degradationskinetik wird experimentell untersucht. Zum ersten Mal, werden mehr als zwei aktive Defektarten, die sich in der Leckstromdegradation von Perowskit Oxiden abzeichnen eingebracht und durch experimentelle Befunde untermauert. Modellvorhersagen und experimentelle Ergebnisse zeigen eine exzellente Übereinstimmung. Die vorgeschlagene Charakterisierungsmethode erlaubt die Charakterisierung der beteiligten Defektarten über zugeordneter Ladung und wahrer Aktivierungsenergie (c). Basierend auf experimentellen Beobachtungen wird ein direkter Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und zeitabhängigem dielektrischen Durchbruchmechanismus (TDDB) vorgeschlagen und in einem physikalischen Modell abgebildet. Zum ersten Mal werden die Kinetik hinter Leckstromdegradation und TDDB über neue Auswerteverfahren der erhobenen experimentellen Daten unter DC- und AC-Belastung erfolgreich verknüpft. Dieser wegweisende Zusammenhang zwischen Leckstromdegradation und Durchbruch legt das Fundament zu einer verständnisbasierten stark beschleunigten Grenzlastprüfung. Grundlegende Auswirkungen der neuen Ergebnisse auf Zuverlässigkeitstestmethoden von high-k Dielektrika werden diskutiert.

Manufacturing of electronics devices, continuously decreasing in size, commonly requires the vapor phase deposition of materials into small structures on a wafer, often at a nanometer scale. In this thesis the goal is to simulate vapor-phase deposition processes at a scale where fully atomistic simulations using Molecular Dynamics are no longer feasible. This is achieved by combing two methods, one simulating the gas flow and deposition processes and another method simulating the changing surface. A Particle Monte Carlo method, specifically designed for free molecular flow, the typical flow regime at this length scale, is used. The simulation of growing surfaces uses the Level Set Method. Combining these two methods requires some additional coupling steps presented in this work. With the coupled model, different deposition processes are simulated within trenches to observe how well these processes perform for achieving a uniform deposition, as well as evaluating different process conditions.:Table of Contents List of Figures List of Tables List of Abbreviations List of Symbols 1 Introduction 2 Basics 2.1 Surface deposition processes 2.1.1 Chemical Vapor Deposition 2.1.2 Atomic Layer Deposition 2.1.3 Physical Vapor Deposition 2.2 Simulation approaches for surface depositions 2.2.1 Modeling chemical reactions on a surface 2.2.2 Interaction tables for PVD 2.3 Flow regimes 2.4 Molecular Dynamics 2.5 Particle Monte Carlo 2.6 Marker Particle Method 2.7 Level Set Method 2.7.1 Re-initialization of the signed distance function 2.7.2 Extension Velocities 2.7.3 Fast Marching Method 2.7.4 Upwind scheme 2.7.5 Curvature 2.8 Marching-Squares/Cubes Algorithm 3 Methods and Implementation 3.1 Software 3.1.1 External libraries 3.1.2 Geosect 3.2 Initialization of the signed distance field 3.3 Coupling between particle simulations and Level Set 3.3.1 The simulation cycle 3.3.2 Conversion from a grid to a discrete mesh 3.3.3 Extension of growth rates from a mesh to a grid 3.4 Integrating the Level Set Equation 3.4.1 Splitting the number of particles between different steps 3.4.2 Re-initializing the signed distance function 3.4.3 Handling surface coverage 3.4.4 The full update of the surface 3.5 Curvature dependent reflow 3.6 Level Set for radial symmetry 4 Verification 4.1 Testing different integration schemes 4.1.1 Growth of a circle in a linear velocity field 4.1.2 PVD in trenches 4.2 Mass preservation during curvature dependent reflow 4.3 Comparisons between 2D, radial 2D and 3D 4.3.1 Comparing 2D and 3D 4.3.2 Comparing radial 2D and 3D 5 Process Simulations 5.1 Resputter process using a PVD 5.1.1 Simulations and their parameters 5.1.2 Surfaces after the deposition step 5.1.3 Surface growth in the resputter step 5.1.4 Conditions for improved layer thickness 5.2 CVD with an effective sticking coefficient 5.3 Incomplete ALD cycles 5.4 Deposition onto a complex 3D shape 6 Conclusion Bibliography Acknowledgment Statement of authorship