Diffraktive Mikrospiegelarrays sind eine seit Jahren etablierte innovative Lösung zur ortsaufgelösten Beleuchtungsmodulation im UV-Spektralbereich. Sie werden hauptsächlich als Schlüsselbauelement in mikrolithografischen Industrieanlagen eingesetzt. Gegenwärtige Untersuchungen befassen sich mit der Erweiterung der Technologie hin zu multispektralen Anwendungen, beispielsweise in der Mikroskopie zur strukturierten Objektausleuchtung. Aufgrund des diffraktiven Arbeitsprinzips mit Phasenmodulationen im Nanometerbereich sowie der Vielzahl von Einzelspiegeln mit individuellem Auslenkverhalten stellt die präzise Ansteuerung der Bauelemente eine wesentliche Herausforderung dar. In diesem Kontext steht die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens im Fokus dieser Arbeit, das die Gesamtheit von mehreren Tausend oder auch Millionen Mikrospiegeln abhängig von gewünschtem Beleuchtungsmuster und -wellenlänge auf korrekte Kippwinkel einstellen kann. Der gewählte Ansatz liegt in einem Mess- und Korrekturverfahren aller Einzelspiegelverkippungen. Die als Kalibrierung bezeichnete Methode nutzt ein Weißlichtinterferometer zur profilometrischen Charakterisierung der elektro-mechanischen Übertragungsfunktionen der Aktuatoren, wodurch erstmalig auf diesem Themengebiet der multispektrale Bauelementeinsatz gewährleistet werden kann. Zentrales Ergebnis der Kalibrierroutine ist eine Reduzierung der Streuung der Spiegelverkippungen um einen Faktor größer fünf. Direkte Folge sind erheblich verbesserte optische Projektionsmuster, aufgenommen an einem parallel entwickelten optischen Lasermessplatz mit spektral verschiedenen Quellen. Nachgewiesen wurden im Vergleich zum unkalibrierten Ausgangszustand Kontrastverdoppelungen, Homogenitätssteigerungen und die Sicherstellung der Abbildung von mindestens 64 Graustufen. Die Ergebnisse dokumentieren einerseits die Leistungsfähigkeit von diffraktiven Mikrospiegelarrays in multispektralen Umgebungen mit sehr guten Abbildungseigenschaften. Gleichzeitig konnte die wesentliche Grundlage für einen deutlich erweiterten Einsatz optischer Mikrosysteme im stark wachsenden Anwendungsbereich der diffraktiven Optik bzw. der Ultrapräzisionsoptik geschaffen werden.

The aim of the present work was to design and fabricate all purpose, positioning-tolerant and efficient interconnects between single-mode fibers and integrated waveguides out of polymers. The developed structures are part of the optical packaging of integrated optical chips. Integrated optics have gathered tremendous interest throughout recent years from research as well as from the industry, and most likely the demand will further grow in the future. Today’s trend is to establish optical data communication not only in far-distance transmission but also in end-user or so called fiber-to-home configurations, or, in the near future, also on board or even chip level. In addition, integrated optical sensors are gaining more and more importance. In the future, lab-on-a-chip systems may be able to simplify and accelerate analysis methods within health care or allow for a continuous monitoring of almost any environmental variable. All these applications call for robust optical packaging solutions. Many integrated optical chips are using a silicon-on-insulator design. Technologies which were originally intended for the manufacturing of integrated circuits can be utilized for the fabrication of such silicon-on-insulator chips. Point-of-care testing, which is a considerable part of bio-sensing, in some cases only allows the use of disposable transducer elements. The fabrication of these transducers, also including almost all other system parts, may be possible using polymers. Alternative fabrication methods like nanoimprint lithography can be applied for the patterning of polymers. With these, the extension of already known working principles or even entirely new device architectures become feasible for mass production. The direct patterning of polymers by means of nanoimprint was used to fabricate interconnects for integrated waveguides. In contrast to conventional lithography approaches, where a patterned resist layer is used as a masking layer for subsequent process steps, direct patterning allows the immediate use of the structures as functional elements. Firstly, nanoimprint allows diffraction-unlimited patterning with nanometer resolutions as well as the replication of complex three-dimensional patterns. These unique properties were used within this work to pattern shallow gratings atop an integrated waveguide within only one single manufacturing step. The gratings are used as coupling elements and can be utilized either to couple light from external elements to the chip or vice versa. Considerations regarding the optical effects on single-mode polymer waveguides as well as grating couplers were obtained from simulation. They are specific to the chosen design and the used polymer and cannot be found elsewhere so far. Compared to similar designs and fabrication strategies proposed in literature, the ones followed here allow for a higher efficiency. The dimensions and process windows obtained from simulation did serve as a basis for the subsequent fabrication of the grating couplers. All steps which are necessary to turn the calculated design into reality, ranging from master fabrication, to working mold cast and imprint, are shown in detail. The use of a working mold strategy is of crucial importance for the fabrication process and is discussed in detail. The use of a working mold preserves a costly master and further allows for a cost-efficient production. Parameters which are relevant for the production as well as for the final polymer patterns were analyzed and discussed. On the basis of the obtained data, a process optimization was performed. The optical characterization was also part of the presented work. A comparison with the results obtained from simulation is included and additional effects were revealed. Most of them may be subject to further improvement in future designs. In summary, the present work contributes to the field of optical packaging. It shows a viable route for the design and fabrication of interconnects of single-mode polymer waveguides. The presented design can be used as a building block which can be placed at almost any positions within an integrated optical chip. The fabrication method includes a minimum number of process steps and is still able to increase performance compared to similar approaches. Moreover, all process steps allow for scaling and are potential candidates for mass production.

In this work, the capacitive response of organic electronic devices is analysed. Particular attention is given to small-molecule organic solar cells, with the purpose of deriving an equivalent circuit for the small-signal response of these devices. The different components characterising the solar cells electrical response are individuated and discussed and a specific physical meaning is associated with each element of the equivalent circuit. In the experimental section, the capacitive elements of the equivalent circuit are characterised by analysing organic diodes and solar cells. It is found that the capacitance of an organic solar cell is a combination of four components: the dielectric response of the materials, the depletion regions formed at the interfaces, the accumulation of free and trapped charge carriers. The depletion regions formed in organic doped semiconductors are characterised by analysing organic p/n homojunction diodes composed of Zinc-Phtalocyanine (ZnPc). The results demonstrate that the mechanisms involved in the formation of depletion zones in organic semiconductors can be described by the classical Mott-Schottky theory. This allows to estimate the free charge carrier density of doped layers with capacitance measurements. In addition, the current-voltage characteristics of organic p/n homojunctions are found not to obey the classical Shockley theory. It is demonstrated that charge carrier tunnelling is the cause of this discrepancy and an analytic model is used to describe the current-voltage characteristics. The accumulation of free charge carriers is found to induce capacitance effects typical of relaxation semiconductors. In presence of unbalanced charge carriers injection, negative capacitance values are observed. It is shown that in different organic semiconductor devices, the injection of minority charge carriers induces a depletion in the majority concentration, resulting in a negative value of the accumulation capacitance. Finally, the capacitance associated to trap states in ZnPc:C60 organic solar cells is analysed. The spatial position and occupation mechanisms of the traps are estimated. The trapping mechanism in small-molecule organic solar cells is clarified and the energetic distribution of these trap states is estimated being a Gaussian function with 55 meV width, a density of 3.5 × 1016 cm−3 and centred 0.458 eV below the electron transport level. Trap states are also found to act as recombination centres, limiting the efficiency of organic solar cells.:1 Introduction 1.1 The energetic problem 1.2 The role of renewables 1.3 Photovoltaic energy 2 Basics 2.1 Organic Semiconductors 2.1.1 Molecular Orbital Theory 2.1.2 Conjugated Molecules 2.1.3 From Molecules to Solids 2.1.4 Charge Transport in Organic Semiconductors 2.1.5 Molecular Doping 2.2 Conventional Solar Cells 2.2.1 The Shockley Diode Equation 2.2.2 Solar Cells Characteristic 2.2.3 Non-idealities in Real Devices 2.3 Organic Solar Cells 2.3.1 Working principle of Organic Solar Cells 2.3.2 Exciton Dissociation and Charge Carriers Separation 2.3.3 Recombination in Organic Solar Cells 2.3.4 The p-i-n Concept 3 Impedance Spectroscopy 3.1 Introduction to Impedance Spectroscopy 3.1.1 Impedance Measurement Techniques 3.1.2 Impedance-Derived Functions 3.1.3 Graphical Representation of the Impedance 3.1.4 Fitting techniques for EIS Data 3.2 Impedance of Fundamental Circuits 3.2.1 Series RC circuit 3.2.2 Parallel RC circuit 3.2.3 The R(RC) circuit 3.3 Equivalent circuits for organic solar cells 3.3.1 The equivalent circuit of solar cells without defects 3.3.2 Equivalent circuits in presence of non-idealities 4 Organic p/n Homojunction Diodes 4.1 Introduction 4.2 Experimental 4.3 Asymmetrical Junction Diodes 4.3.1 n-doping of ZnPc 4.3.2 Capacitance Measurements 4.4 p/n Organic Diodes 4.4.1 Depletion Region Analysis 4.4.2 Current-Voltage Characteristic of Organic p/n Diodes 4.4.3 Tunnelling Current in Organic p/n Diodes 4.5 Conclusions 5 Negative Capacitance 5.1 Introduction 5.2 Experimental 5.3 Results and Discussion 5.3.1 Organic p/n homojunction diodes 5.3.2 Metal/ZnPc/Metal devices 5.3.3 Small-molecule organic solar cells 5.4 Conclusions 6 Trap States 6.1 Introduction 6.2 Experimental 6.3 Trap states impedance 6.3.2 Distributed element equivalent circuit 6.3.1 Physical model of the traps impedance 6.3.3 Steady-state simulations 6.4 Experimental Results 6.4.1 Variation of Active Layer Thickness 6.4.2 The Effect of Doped Transport Layers 6.4.3 Response to the Bias Voltage 6.4.4 Trap Response under Illumination 6.4.5 Impedance Spectra Fitting 6.5 Conclusions

This work presents a robust dual band local positioning system (LPS) working in the 2.4GHz and 5.8GHz industrial science medical (ISM) bands. Position measurement is based on the frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar approach, which uses radio frequency (RF) chirp signals for propagation time and therefore distance measurements. Contrary to state of the art LPS, the presented system uses data from both bands to improve accuracy, precision and robustness. A complete system prototype is designed consisting of base stations and tags encapsulating most of the RF and analogue signal processing in custom integrated circuits. This design approach allows to reduce size and power consumption compared to a hybrid system using off-the-shelf components. Key components are implemented using concepts, which support operation in multiple frequency bands, namely, the receiver consisting of a low noise amplifier (LNA), mixer, frequency synthesizer with a wide band voltage-controlled oscillator (VCO) having broadband chirp generation capabilities and a dual band power amplifier. System imperfections occurring in FMCW radar systems are modelled. Effects neglected in literature such as compression, intermodulation, the influence of automatic gain control, blockers and spurious emissions are modeled. The results are used to derive a specification set for the circuit design. Position estimation from measured distances is done using an enhanced version of the grid search algorithm, which makes use of data from multiple frequency bands. The algorithm is designed to be easily and efficiently implemented in embedded systems. Measurements show a coverage range of the system of at least 245m. Ranging accuracy in an outdoor scenario can be as low as 8.2cm. Comparative dual band position measurements prove an effective outlier filtering in indoor and outdoor scenarios compared to single band results, yielding in a large gain of accuracy. Positioning accuracy in an indoor scenario with an area of 276m² can be improved from 1.27m at 2.4GHz and 1.86m at 5.8GHz to only 0.38m in the dual band case, corresponding to an improvement by at least a factor of 3.3. In a large outdoor scenario of 4.8 km², accuracy improves from 1.88m at 2.4GHz and 5.93m at 5.8GHz to 0.68m with dual band processing, which is a factor of at least 2.8. / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines robusten lokalen Positionierungssystems (LPS), welches in den lizenzfreien Frequenzbereichen für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke (industrial, scientific, medical, ISM) bei 2,4GHz und 5,8GHz arbeitet. Die Positionsbestimmung beruht auf dem Prinzip des frequenzmodulierten Dauerstrichradars (frequency modulated continuous wave, FMCW-Radar), welches hochfrequente Rampensignale für Laufzeitmessungen und damit Abstandsmessungen benutzt. Im Gegensatz zu aktuellen Arbeiten auf diesem Gebiet benutzt das vorgestellte System Daten aus beiden Frequenzbändern zur Erhöhung der Genauigkeit und Präzision sowie Verbesserung der Robustheit. Ein Prototyp des kompletten Systems bestehend aus Basisstationen und mobilen Stationen wurde entworfen. Fast die gesamte analoge hochfrequente Signalverarbeitungskette wurde als anwendungsspezifische integrierte Schaltung realisiert. Verglichen mit Systemen aus Standardkomponenten erlaubt dieser Ansatz die Miniaturisierung der Systemkomponenten und die Einsparung von Leistung. Schlüsselkomponenten wurden mit Konzepten für mehrbandige oder breitbandige Schaltungen entworfen. Dabei wurden Sender und Empfänger bestehend aus rauscharmem Verstärker, Mischer und Frequenzsynthesizer mit breitbandiger Frequenzrampenfunktion implementiert. Außerdem wurde ein Leistungsverstärker für die gleichzeitige Nutzung der beiden definierten Frequenzbänder entworfen. Um Spezifikationen für den Schaltungsentwurf zu erhalten, wurden in der Fachliteratur vernachlässigte Nichtidealitäten von FMCW-Radarsystemen modelliert. Dazu gehören Signalverzerrungen durch Kompression oder Intermodulation, der Einfluss der automatischen Verstärkungseinstellung sowie schmalbandige Störer und Nebenschwingungen. Die Ergebnisse der Modellierung wurden benutzt, um eine Spezifikation für den Schaltungsentwurf zu erhalten. Die Schätzung der Position aus gemessenen Abständen wurde über eine erweiterte Version des Gittersuchalgorithmus erreicht. Dieser nutzt die Abstandsmessdaten aus beiden Frequenzbändern. Der Algorithmus ist so entworfen, dass er effizient in einem eingebetteten System implementiert werden kann. Messungen zeigen eine maximale Reichweite des Systems von mindestens 245m. Die Genauigkeit von Abstandsmessungen im Freiland beträgt 8,2cm. Positionsmessungen wurden unter Verwendung beider Einzelbänder durchgeführt und mit den Ergebnissen des Zweiband-Gittersuchalgorithmus verglichen. Damit konnte eine starke Verbesserung der Positionsgenauigkeit erreicht werden. Die Genauigkeit in einem Innenraum mit einer Grundfläche von 276m² kann verbessert werden von 1,27m bei 2,4GHz und 1,86m bei 5,8GHz zu nur 0,38m im Zweibandverfahren. Das entspricht einer Verbesserung um einen Faktor von mindestens 3,3. In einem größeren Außenszenario mit einer Fläche von 4,8 km² verbessert sich die Genauigkeit um einen Faktor von mindestens 2,8 von 1,88m bei 2,4GHz und 5,93m bei 5,8GHz auf 0,68m bei Nutzung von Daten aus beiden Frequenzbändern.

In der medizinischen Diagnostik, Bioverfahrenstechnik und Umwelttechnik besteht ein steigender Bedarf an kompakten Analysegeräten für die schnelle Vor-Ort-Detektion spezifischer biochemischer Substanzen. Im Rahmen der Arbeit wurde daher ein neuartiger faseroptischer Sensor entwickelt, der in der Lage ist kleinste Brechzahländerungen, z.B. durch molekulare Bindungsprozesse, zu detektieren. Die hohe Empfindlichkeit an der vergoldeten Spitze der Sensorfaser beruht auf der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) einer einzelnen Mantelmode, die durch ein langperiodisches Fasergitter (LPG) ermöglicht wird. Die Übertragungsfunktion des Sensors wurde unter Verwendung eines Schichtwellenleitermodells schnell und präzise modelliert. Es konnte gezeigt werden, dass in einem wässrigen Umgebungsmedium die höchste Empfindlichkeit im Spektralbereich um 660 nm unter Annahme einer rund 35~nm dicken und 2~mm langen Goldbeschichtung erreicht wird. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass mit einer intermediale Schicht aus Cadmiumsulfid die SPR der Mantelmode in einen höheren Spektralbereich verschoben und damit die Empfindlichkeit deutlich verbessert werden kann. Um eine geringe Polarisationsabhängigkeit des Sensors sicherzustellen, wurde ein nasschemisches Abscheidungsverfahren für die allseitige Goldbeschichtung der Sensorfaser entwickelt. Die spezifischen optischen Eigenschaften dieser Abscheidungen wurden mit Hilfe von LPGs untersucht, die durch eine spezielle UV-Belichtung hergestellt wurden. Die Experimente ergaben, dass die komplexe Permittivität nasschemischer Abscheidungen mit Schichtdicken oberhalb von 50~nm mit aufgedampften Goldschichten vergleichbar ist. Die Verluste der adressierten Mantelmoden wurden mit einer äquivalenten Sensoranordnung aus zwei identischen LPG untersucht. Dabei konnte ein Skalierfaktor abgeleitet werden, der die effiziente Berechnung der Mantelmodendämpfung erlaubt. Es wurde nachgewiesen, dass die Brechzahlauflösung etablierter volumenoptischer SPR-Sensoren mit einer einfachen Transmissionsmessung an einer geeigneten Wellenlänge erreicht werden kann. Die äußerst kompakte Sensorfläche des faseroptischen Sensors ermöglicht darüber hinaus die Untersuchung deutlich kleinerer Probenvolumina ohne ein zusätzliches mikrofluidisches System zu benötigen. Es wurde gezeigt, dass sekundäre Brechzahländerungen aufgrund von Temperaturschwankungen oder unspezifische Ablagerungen durch eine differentielle Auswertung zweier identischer Sensoren kompensiert werden können. Die verbleibende Querempfindlichkeit wird durch die Polarisationsabhängigkeit der Sensoren bestimmt. Die geringste Querempfindlichkeit konnte daher mit einer homogenen nasschemischen abgeschiedenen Sensorfläche nachgewiesen werden. / Compact analysis devices which facilitate the rapid detection of specific biochemical substances are in increasing demand in the fields of point-of-care medical diagnostics, bioprocess engineering and environmental engineering. The aim of this work was therefore to design a novel fiber-optic sensor able to detect small refractive index changes such as those caused by molecular binding processes. The high level of sensitivity at the gold-plated tip of the sensor fiber stems from the surface plasmon resonance (SPR) of a single cladding mode, which is the result of a long-period fiber grating (LPG). The transfer function of the sensor was calculated quickly and accurately using a slab waveguide model. It was observed that the highest level of sensitivity in an aqueous ambient medium is achieved at a wavelength of 660 nm assuming a gold coating of 35 nm in thickness and 2 mm in length. Furthermore, it was demonstrated that an intermedial cadmium sulfide layer shifts the SPR of the cladding mode towards higher wavelengths, thus leading to significantly enhanced sensitivity. An electroless plating process for the omnidirectional deposition of gold on the sensor fiber was developed in order to minimize the sensor\'s dependency on polarization. The specific optical properties of the gold layer deposited were investigated with the aid of LPGs fabricated using a special UV exposure method. The experiments showed the complex permittivity of electroless platings with a thickness of over 50 nm to be comparable with that of evaporated gold layers. The losses of the addressed cladding modes were investigated using an equivalent sensor setup consisting of two identical LPGs. This facilitated the determination of a scaling factor enabling the effcient calculation of cladding mode attenuation. It was demonstrated that it is possible to obtain the refractive index resolution of established volume optical SPR sensors with the aid of simple transmission measurements at a specific wavelength. Moreover, the extremely compact sensing area of the fiber-optic sensor enables the investigation of smaller sample volumes without the need for an additional microfluidic system. Secondary refractive index changes caused by temperature fluctuations or unspecific binding events can be compensated for by means of the differential interrogation of two identical fiber-optic sensors. The residual cross sensitivity is determined by the polarisation dependency of the sensor. The lowest cross sensitivity was therefore demonstrated in combination with a homogeneous electroless plated sensor surface.

Hocheffiziente Solarzellen beruhen auf der exzellenten Oberflächenpassivierung, die minimale Rekombinationsverluste gewährleistet. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde Al2O3 in der Photovoltaikindustrie zum bevorzugten Material für p-leitendes Si. Unterschiedliche Abscheidetechnologien erreichten Passivierungen mit effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauern nahe der AUGER–Grenze. Die ausgezeichnete Passivierungswirkung von Al2O3wird zwei Effekten zugeschrieben: Einerseits werden Si−SiO2-grenzflächennahe Rekombinationszentren passiviert, wenn Wasserstoff, beispielsweise aus der Al2O3-Schicht, offene Bindungen absättigt. Bedingt durch die hohe Konzentration intrinsischer negativer Ladungen an der SiO2-Grenzfläche weist Al2O3 andererseits einen charakteristischen Feldeffekt auf. Das resultierende elektrische Feld hält Elektronen von Oberflächenrekombinationszentren fern. Negative Ladungen im Al2O3 werden generell als fest bezeichnet. Allerdings hat Al2O3 zusätzlich eine hohe Dichte an Haftstellen, die von Elektronen besetzt werden können. Die Dichte negativer Ladungen im Al2O3-Passivierungsschichten hängt vom elektrischen Feld und der Bestrahlungsintensität ab. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung dielektrischer Passivierungsschichtstapel für die Anwendung auf Si-Solarzellen. Der Qualität und Dicke der SiO2-Grenzschicht kommt in diesem Kontext eine besondere Rolle zu, da sie Ladungsträgertunneln ermöglicht. Der Elektronentransport ist eine Funktion der Oxiddicke und das Optimum zwischen Ladungseinfang und -haltung liegt bei etwa 2 nm SiO2. Vier relevante Al2O3-Abscheidetechnologien werden untersucht: Atomlagenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Sprühpyrolyse und Rotationsbeschichtung, wobei die erstgenannte dominiert. Es werden Nanolaminate verglichen, die aus Al2O3 und TiO2, HfO2 oder SiO2 mit subnanometerdicken Zwischenschichten bestehen. Während letztgenannte die Oberflächenrekombination nicht vermindern, beeinflussen TiO2- und HfO2-Nanolaminate die Passivierungswirkung. Ein dynamisches Wachstumsmodell, das initiale und stationäre Wachstumsraten der beteiligten Metalloxide berücksichtigt, beschreibt die physikalischen Parameter. Schichtsysteme mit 0,2 % TiO2 oder 7 % HfO2 sind konventionellen Al2O3-Schichten überlegen. In beiden Fällen überwiegt die veränderte Feldeffekt- der chemischen Passivierung, die mit einer Grenzflächenzustandsdichte von maximal 5·1010 eV−1·cm−2 unverändert auf hohem Niveau verbleibt. Die Ladungsdichte beider Schichtsysteme wird entweder über die Änderung ihrer Polarität der festen Ladungen oder der Fähigkeit zum Ladungseinfang bestimmt. Das Tunneln von Elektronen wird durch ein mathematisches Modell erklärt, dass eine bewegliche Ladungsfront innerhalb der Oxidschicht beschreibt. / High-efficiency solar cells rely on excellent passivation of the surface to ensure minimal recombination losses. In the last decade, Al2O3 became the material of choice for p-type Si in the photovoltaic industry. A remarkable surface passivation with effective minority carrier lifetimes close to the AUGER–limit was demonstrated with different deposition techniques. The excellent passivation effect of Al2O3 is attributed to two effects: Firstly, recombination centers at the Si−SiO2 interface get chemically passivated when hydrogen, for instance from the Al2O3 layer, saturates dangling bonds. Secondly, Al2O3 presents an outstanding level of field effect passivation due to its high concentration of intrinsic negative charges close to the SiO2 interface. The generated electrical field effectively repels electrons from surface recombination centers. Negative charges in Al2O3 are generally termed fixed charges. However, Al2O3 incorporates a high density of trap sites, too, that can be occupied by electrons. It was shown that the negative charge density in Al2O3 passivation layers depends on the electrical field and on the illumination intensity. The goal of this work is to systematically investigate dielectric passivation layer stacks for application on Si solar cells. The SiO2 interface quality and thickness plays a major role in this context, enabling or inhibiting carrier tunneling. Since the electron transport is a function of the oxide thickness, the balance between charge trapping and retention is achieved with approximately 2 nm of SiO2. Additionally, four relevant Al2O3 deposition techniques are compared: atomic layer deposition, sputtering, spray pyrolysis and spin–on coating, whereas the former is predominant. Using its flexibility, laminates comprising of Al2O3 and TiO2, HfO2 or SiO2 with subnanometer layers are compared. Although the latter do not show decreased surface recombination, nanolaminates with TiO2 and HfO2 contribute to the passivation. Their physical properties are described with a dynamic growth model that considers initial and steady–state growth rates for the involved metal oxides. Thin films with 0.2 % TiO2 or 7 % HfO2 are superior to conventional Al2O3 layers. In both cases, the modification of the field effect prevails the chemical effect, that is, however, virtually unchanged on a very high level with a density of interface traps of 5·1010 eV−1·cm−2 and below. The density of charges in both systems is changed via modifying either the polarity of intrinsic fixed charges or the ability of trapping charges within the layers. The observations of electron tunneling are explained by means of a mathematical model, describing a charging front, which moves through the dielectric layer.

Testing equipment based on the propagation of elastic waves are commonly used for measuring specific material properties. As a prerequisite for accurate measurements a reliable acoustic coupling of probe and specimen is highly important. Therefore, high-resolution testing equipment is using fluids as couplant. In certain conditions, only non-contacting methods can be considered. This is the case for example, if particular high or low temperatures are present, if topographic features impede the use of ultrasonic probes, diffusion or solubility processes exist, measurements at vacuum are addressed and if high purity requirements need to be fulfilled. Hence, subject of this work is a method which offers to handle these constraints. With the emergence of modern laser systems the scientific basics for a non-contacting, laser-acoustic excitation of ultrasound were discovered. The tremendous development of commercially available laser systems during the last decade was taken as reason to investigate, to which extent former scientifically designed laboratory setups can now be merged into one single application oriented measuring system. All considerations are based on the thermoelastic excitation of ultrasound in combination with a likewise laser-based detection. By this, a self-contained measuring chain is built which combines the attributes non-destructive, non-contacting and application oriented within one ultrasonic measurement system for the first time. Thermal calculations lead to more precise equations which predict a laser-induced, local temperature rise of about 100 K. The examination of sound field simulations, as a prerequisite for the design of ultrasonic systems, identified an additional complex of problems. Although existing calculation approaches presuppose laser intensity profiles what can be described in analytical terms, real-world laser sources exhibit a complex shaped spatial distribution of laser energy. Based on a preceding CEFIT simulation, the developed CPSS method enables the calculation of the time resolved, 3D wave propagation of arbitrary shaped sources. A comparison to measured data successfully validated the results of simulation. By presenting selected scenario of measurements, the practical suitability of this non-contacting method is demonstrated. Using a transmission setup enables the characterization of open-pore ceramic coatings as well as the deduction of longitudinal and transversal speeds of sound. Equally, the imaging and estimation of the depth position of artificial defects with 0.7 mm in diameter is shown. Measurements based on a reflection setup provided evidence of a resolution limit of at least FBH = 1 mm in 4.5 mm depth. Additional examples demonstrate the ability to detect close-surface defects, the analysis of the challenging lamb waves zero-group-velocity S1 mode as well as the utilization of buried laser-acoustic sources. / Prüfsysteme, welche die Ausbreitungseigenschaften elastischer Wellen zur Ableitung spezifischer Messgrößen nutzen, sind etablierte Messverfahren. Voraussetzung für zuverlässige Ergebnisse ist stets die sichere akustische Kopplung zwischen Sensor und Material. Daher arbeiten hochauflösende Prüfsysteme mit Fluiden als Koppelmedium. Unter bestimmten Bedingungen scheiden kontaktierende Ultraschallsysteme allerdings ersatzlos aus. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Probe eine besonders niedrige oder hohe Temperatur besitzt, topografische Eigenschaften ein sicheres Ankoppeln der Kontaktprüfköpfe erschweren, Diffusionsvorgänge oder Löslichkeiten zu beachten sind, in Vakuum zu arbeiten ist oder erhöhte Reinheitsanforderungen vorliegen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Technik welche hilft, diese Einschränkungen zu umgehen. Mit dem Aufkommen der ersten Laserquellen entstanden die wissenschaftlichen Grundlagen zur kontaktlosen Anregung und Detektion von Ultraschall. Die rasante Entwicklung kommerziell verfügbarer Lasersysteme der vergangenen Dekade wurde zum Anlass genommen zu untersuchen, in wie weit sich die einst wissenschaftlich orientierte Laboraufbauten zu einem anwendungsnahen Messsystem zusammenführen lassen. Basis der Arbeiten ist die thermoelastische Anregung von Ultraschall in Kombination mit einer ebenfalls kontaktlosen Detektion. Damit entsteht eine geschlossene Messkette welche erstmals die Eigenschaften zerstörungsfrei, kontaktlos und anwendungsorientiert in einem Ultraschallmesssystem vereint. Ausgangspunkt stellt die thermische Simulation der Anregung dar. Mit Hilfe präzisierter Gleichungen wird eine lokale Erwärmung von lediglich 100 K vorausgesagt. Für die zur Auslegung eines akustischen Messsystems notwendige Schallfeldsimulation wurde eine weitere Problematik identifiziert. Während bekannte Rechenansätze stets analytisch beschreibbare Strahlprofile des Lasers voraussetzen, zeigen reale Laserquellen kompliziert gestaltete räumliche Intensitätsverteilungen. Auf Basis einer vorangestellten CEFIT-Simulation ist mit der entwickelten CPSS-Methode eine zeitdiskrete Berechnung der 3D-Wellenausbreitung beliebiger Quellgeometrien möglich. Vergleiche mit realen Messdaten bestätigen die Simulationsrechnungen. Anhand ausgewählter Messszenarien wird die Praxistauglichkeit der kontaktlosen Arbeitsweise demonstriert. Neben der Charakterisierung einer offenporigen keramischen Beschichtung erlauben Transmissionsmessungen die Berechnung der longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten. Ebenso ist die Abbildung wie auch die Beurteilung der Tiefenlage von Referenzfehlern mit lediglich 0,7 mm Durchmesser möglich. In Reflexionsmessungen wurde eine Auflösungsgrenze von mindestens KSR = 1 mm in 4,5 mm Tiefe nachgewiesen. Weitere Beispiele zeigen die Sensitivität hinsichtlich oberflächennaher Fehler, die Auswertung der anspruchsvollen „Zero Group Velocity“ S1-Mode der Lambwelle wie auch die Nutzung eingebetteter Quellen.

Zur Errichtung und Inbetriebnahme von Anlagen der Leit- und Sicherungstechnik (LST), zu denen beispielsweise Elektronische Stellwerke (ESTW) gehören, sind unter anderem definierte Planungs-, Begutachtungs- und Freigabeschritte zu durchlaufen. Die vorliegende Arbeit thematisiert den LST-Planungsprozess hinsichtlich seiner erforderlichen Abläufe und Komplexität im Vergleich der bisherigen Regelwerksvorgaben mit praktischen Umsetzungen. Auf den Analyseergebnissen einschließlich herausgearbeiteter Probleme aufbauend, werden unter Berücksichtigung aktueller Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt „PlanPro - Durchgängige elektronische Datenhaltung im ESTW-Planungsprozess“ Vorschläge für einen zukünftigen LST-Planungsprozess vorgestellt und wissenschaftlich aufbereitet. Dabei sollen durch den verstärkten Einsatz IT-gestützter Verfahren die Planungsqualität erhöht und die Prozesse insgesamt beschleunigt werden. In der Arbeit werden auch grundlegende Neuerungen mit PlanPro dargestellt, ebenso wie Anforderungen an die LST-Datenbank, die zukünftig eine zentrale Rolle für das Abspeichern und Weitergeben von Planungs- und Bestandsdaten einnehmen wird. Erläuterungen zu einem denkbaren Einführungskonzept sowie eine Schlussbetrachtung runden diese Dissertation ab. / For installation and commissioning of railway signalling equipment, which may include computer-based interlocking (CBI), defined tasks for planning, assess-ment and approval have to be executed. This dissertation analyses the planning process of the railway signalling equipment with regard to its necessary processes and complexity. Additionally, it compares existing legal requirements with their practical realisation. Based on the results of this analysis and their identified problems, proposals for a future planning process for railway signalling equipment will be scientifically prepared and presented. They are taking into account the latest results from the research project "PlanPro - Integrated electronic data storage in electronic interlocking planning process". By the progressive use of IT-based processes, planning quality will be increased and the processes can be accelerated altogether. Thereupon, fundamental changes based on PlanPro are presented. This applies to requirements for the database of railways signalling equipment, which will play a key role for the storage and sharing of planning and inventory data in the future, too. An explanation of a possible introduction concept as well as a conclusion complete this disserta-tion.

Elektrische Verbindungen in der Elektroenergietechnik sind aus technologischen und konstruktiven Gründen beim Zusammenschalten von Betriebsmitteln in Schaltanlagen und auf den Übertragungswegen bei Kabeln und Freileitungen notwendig. Als elektrischer Kontakt wird die Berührung zweier stromführender Leiter verstanden. Eine Verbindungsart, die häufig bei Stromschienen eingesetzt wird, ist die Schraubenverbindung. Um eine Lebensdauer dieser Verbindung von üblicherweise 50 Jahren und mehr zu gewährleisten, ist es notwendig, die Alterung abhängig von der Zeit und der Temperatur zu kennen. Neben dem Kraftabbau und den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung bei Verbindungen mit Kupfer- oder Aluminiumleitern ist die Interdiffusion bei Bimetallverbindungen und bei Verbindungen mit beschichteten Kontaktpartnern von Bedeutung. In dieser Arbeit wurde der Kraftabbau bei Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Cu-ETP (Werkstoff-Nr. CW004A) und CuAg0,1P (Werkstoff-Nr. CW016A) im Temperaturbereich zwischen 105 °C und 160 °C untersucht. Es wurde die Kraft und der Widerstand an stromdurchflossenen Verbindungen abhängig von der Zeit bis zu 2,4 Jahren gemessen. Des Weiteren wurde der Einfluss von verschiedenen federnden und nicht federnden Elementen im Verbindungssystem auf den Kraftabbau untersucht. Es wurde eine statische Mindestverbindungskraft bestimmt, der Kraftabbau bis zu einer Lebensdauer von 50 Jahren berechnet und daraus eine Grenztemperatur für diese Verbindungsart bestimmt. Neben dem Kraftabbau wurde die Alterung durch Interdiffusion an Schraubenverbindungen mit verzinnten und versilberten Cu-ETP Stromschienen im Temperaturbereich zwischen 115 °C und 140 °C untersucht. Es wurde an stromdurchflossenen und im Wärmeschrank gelagerten Verbindungen der Verbindungswiderstand abhängig von der Zeit bis zu 2 Jahren gemessen. Die Langzeitversuche wurden durch mikroskopische Untersuchungen ergänzt, in denen die Dicke der sich gebildeten intermetallischen Phasen gemessen und bewertet wurde. Ergänzend zu den Langzeituntersuchungen wurden aktuelle Erkenntnisse zu den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung auf Kupfer-, Silber- und Zinnoberflächen zusammengestellt und bewertet.:1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN DER KONTAKTTHEORIE 2.1 Elektrische Verbindung 2.2 Engewiderstand bei Stromschienenverbindungen 2.3 Alterung elektrischer Verbindungen 3 REINKUPFER ALS STROMSCHIENENMATERIAL 4 ALTERUNG DURCH KRAFTABBAU IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER 4.1 Erkenntnisstand zum Kraftabbau 4.1.1 Setzen 4.1.2 Dynamische Erholung 4.1.3 Dynamische Rekristallisation 4.1.4 Kornvergröberung 4.1.5 Ansätze zum Berechnen des Kraftabbaus 4.2 Aufgabenstellung 4.3 Materialeigenschaften von Cu-ETP und CuAg0,1P 4.4 Langzeitversuche 4.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 4.4.2 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit Cu-ETP Strom- schienen 4.4.3 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit CuAg0,1P Stromschienen 4.4.4 Auswerten der Versuchsergebnisse und Berechnen des Kraftabbaus (Abschätzen der Lebensdauer) 4.5 Mindestverbindungskraft bei statischer Belastung 4.6 Einfluss federnder und nicht federnder Elemente auf den Kraftabbau von Schraubenverbindungen 4.6.1 Langzeitversuche 4.6.2 Versuchsergebnisse 4.6.3 Mechanische Spannungsverteilung 4.6.4 Oberflächenstruktur 4.7 Federkennlinie der verwendeten Spannscheiben und Tellerfedern 4.8 Mikroskopische Untersuchungen 4.9 Zusammenfassung 5 ALTERUNG DURCH FREMD-(INTER-)DIFFUSION IN SCHRAUBEN-VERBINDUNGEN MIT VERZINNTEN UND VERSILBERTEN STROMSCHIENEN AUS REIN- KUPFER 5.1 Erkenntnisstand zur Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.1 Grundlagen der Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.2 Fremd-(Inter-)diffusion im System Ag-Cu und Sn-Cu 5.2 Aufgabenstellung 5.3 Ausgangszustand der beschichteten Stromschienen 5.4 Langzeitversuche 5.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Mikroskopische Untersuchungen 5.6 Modell zum Berechnen des Verbindungswiderstands abhängig von der Dicke der intermetallischen Phasen 5.7 Zusammenfassung 6 ALTERUNG VON SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER DURCH CHEMISCHE REAKTIONEN / FREMDSCHICHT- BILDUNG 6.1 Wachsen von Fremdschichten auf Metalloberflächen 6.2 Oxidation auf Kupfer 6.3 Oxidation auf Zinn 6.4 Fremdschichten auf Silber 6.5 Vorbehandlung der Verbindungsflächen von Schraubenverbindungen mit Stromschienen 6.6 Zusammenfassung 7 AUSBLICK 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 BILDVERZEICHNIS 10 TABELLENVERZEICHNIS / Electrical joints are necessary for technological and design reasons to connect electric equipment and to realize the transmission of electrical energy by cables and overhead lines. The contact between two current-flown electrical conductors is called electrical joint. One joint type often used is the bolted joint. To allow a lifetime of this joint of 50 years and longer it is necessary to know the ageing depend on time and temperature. In addition to ageing by force reduction and the chemical reactions / impurity layers at joints with copper und aluminium conductors, the interdiffusion has a great influence at bi-metal joints and joints with plated conductors. In this work the force reduction was analysed at bolted joints with bus bars made of Cu-ETP (material number CW004A) and CuAg0.1P (material number CW016A) in a temperature range between 105 °C and 160 °C. The joint force and the joint resistance were measured time-depended at current-flown joints up to 2.4 years. Furthermore the influence on the force reduction by different resilient und non-resilient elements in the joint system was tested. There was a minimum static joint force appointed and the force reduction calculated to a lifetime of 50 years. Out of these results a category temperature for these joints was defined. Additionally the ageing due to interdiffusion at bolted joints with tin and silver plated Cu-ETP bus bars was analysed at the temperatures 115 °C and 140 °C. At joints aged by current-flown and in the heating cabinet the joint resistance was measured time-dependent up to 2 years. These long-term tests were supplemented by microscopic examinations. The thickness of the grown intermetallic compounds was measured and stated. Additional to the long-term tests the topical knowledge to chemical reactions / impurity layers at copper, silver and tin surfaces was composed and stated.:1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN DER KONTAKTTHEORIE 2.1 Elektrische Verbindung 2.2 Engewiderstand bei Stromschienenverbindungen 2.3 Alterung elektrischer Verbindungen 3 REINKUPFER ALS STROMSCHIENENMATERIAL 4 ALTERUNG DURCH KRAFTABBAU IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER 4.1 Erkenntnisstand zum Kraftabbau 4.1.1 Setzen 4.1.2 Dynamische Erholung 4.1.3 Dynamische Rekristallisation 4.1.4 Kornvergröberung 4.1.5 Ansätze zum Berechnen des Kraftabbaus 4.2 Aufgabenstellung 4.3 Materialeigenschaften von Cu-ETP und CuAg0,1P 4.4 Langzeitversuche 4.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 4.4.2 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit Cu-ETP Strom- schienen 4.4.3 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit CuAg0,1P Stromschienen 4.4.4 Auswerten der Versuchsergebnisse und Berechnen des Kraftabbaus (Abschätzen der Lebensdauer) 4.5 Mindestverbindungskraft bei statischer Belastung 4.6 Einfluss federnder und nicht federnder Elemente auf den Kraftabbau von Schraubenverbindungen 4.6.1 Langzeitversuche 4.6.2 Versuchsergebnisse 4.6.3 Mechanische Spannungsverteilung 4.6.4 Oberflächenstruktur 4.7 Federkennlinie der verwendeten Spannscheiben und Tellerfedern 4.8 Mikroskopische Untersuchungen 4.9 Zusammenfassung 5 ALTERUNG DURCH FREMD-(INTER-)DIFFUSION IN SCHRAUBEN-VERBINDUNGEN MIT VERZINNTEN UND VERSILBERTEN STROMSCHIENEN AUS REIN- KUPFER 5.1 Erkenntnisstand zur Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.1 Grundlagen der Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.2 Fremd-(Inter-)diffusion im System Ag-Cu und Sn-Cu 5.2 Aufgabenstellung 5.3 Ausgangszustand der beschichteten Stromschienen 5.4 Langzeitversuche 5.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Mikroskopische Untersuchungen 5.6 Modell zum Berechnen des Verbindungswiderstands abhängig von der Dicke der intermetallischen Phasen 5.7 Zusammenfassung 6 ALTERUNG VON SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER DURCH CHEMISCHE REAKTIONEN / FREMDSCHICHT- BILDUNG 6.1 Wachsen von Fremdschichten auf Metalloberflächen 6.2 Oxidation auf Kupfer 6.3 Oxidation auf Zinn 6.4 Fremdschichten auf Silber 6.5 Vorbehandlung der Verbindungsflächen von Schraubenverbindungen mit Stromschienen 6.6 Zusammenfassung 7 AUSBLICK 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 BILDVERZEICHNIS 10 TABELLENVERZEICHNIS

A backbone network is the central part of the communication network, which provides connectivity within the various systems across large distances. Disruptions in a backbone network would cause severe consequences which could manifest in the service outage on a large scale. Depending on the size and the importance of the network, its failure could leave a substantial impact on the area it is associated with. The failures of the network services could lead to a significant disturbance of human activities. Therefore, making backbone communication networks more resilient directly affects the resilience of the area. Contemporary urban and regional development overwhelmingly converges with the communication infrastructure expansion and their obvious mutual interconnections become more reciprocal. Spreading failures are of particular interest. They usually originate in a single network segment and then spread to the rest of network often causing a global collapse. Two types of spreading failures are given focus, namely: epidemics and cascading failures. How to make backbone networks more resilient against spreading failures? How to tune the topology or additionally protect nodes or links in order to mitigate an effect of the potential failure? Those are the main questions addressed in this thesis. First, the epidemic phenomena are discussed. The subjects of epidemic modeling and identification of the most influential spreaders are addressed using a proposed Linear Time-Invariant (LTI) system approach. Throughout the years, LTI system theory has been used mostly to describe electrical circuits and networks. LTI is suitable to characterize the behavior of the system consisting of numerous interconnected components. The results presented in this thesis show that the same mathematical toolbox could be used for the complex network analysis. Then, cascading failures are discussed. Like any system which can be modeled using an interdependence graph with limited capacity of either nodes or edges, backbone networks are prone to cascades. Numerical simulations are used to model such failures. The resilience of European National Research and Education Networks (NREN) is assessed, weak points and critical areas of the network are identified and the suggestions for its modification are proposed.