We report on a two-layer based ferroelectric tunnel junction with hafnium zirconium oxide (HZO) as the ferroelectric layer and aluminum oxide as the tunneling layer. The experimental results focus on optimizing the thicknesses of the layer stack. The device operation relies on the polarization reversal of the HZO layer, while electron tunneling occurs through the dielectric layer. The ferroelectric response of the HZO shows high remanent polarization values and good endurance with only weak wake-up and fatigue behavior. Adding the additional dielectric tunneling layer, the device becomes operational as a ferroelectric tunnel junction in the nanoampere current range. It shows good on/off ratios and promising retention behavior, paving the way for future applications as a polarization-based resistive memory device.

The feasibility of the QD-Flash concept, its fast write and erase times, is demonstrated together with storage times of 4 days at room temperature. The storage time of holes in (InGa)Sb QDs embedded in a (AlGa)P matrix can be extended by growth modifications to 10 y. Tunneling structures were recently demonstrated to solve the trade-off conflict between storage time and erase time. A QD-NVSRAM is suggested to become the first commercial application.

The number of subscribers and use cases of mobile communication networks are expanding expeditiously with the evolution of technology. The available spectrum in lower frequency ranges does not meet the unprecedented increase in demand for user data throughput in mobile networks. Facing the problem of limited spectrum in traditional cellular bands that are below 6 GHz, Millimeter Wave (mmWave) frequency bands are being standardized for the 5th Generation (5G) mobile networks as a promising means for handling the unprecedented data traffic surge. Enabling higher carrier frequencies introduces new channel conditions. Propagating signals are exposed to higher diffraction loss and are highly susceptible to blockage caused by surrounding objects, which leads to rapid signal degradation and challenges user mobility. On the other hand, higher carrier frequencies enable the deployment of many small-sized antennas that are used for directional signal transmission, resulting in beamforming gain. In recent studies, a conditional handover procedure has been adopted for 5G networks to enhance user mobility robustness. Besides, contention-free random access procedure has been defined for beamformed systems aiming at minimizing the signaling and service interruption time caused by the random access procedure. An improper configuration of the mobility parameters, e.g., handover preparation and execution offsets, access beam selection threshold of random access procedure, leads User Equipments (UEs) to experience Handover Failures (HOFs) and Radio Link Failures (RLFs), and causes unnecessary signaling and inefficient resource utilization in the network. Each cell border has unique propagation characteristics and user mobility pattern, and, therefore, mobility parameters should be configured for each cell border individually. Moreover, mobility parameters should be updated for dynamic propagation environment (e.g., construction of buildings, seasonal changes in the vegetation) and for temporal mobility patterns. Considering the individual cell border configuration, temporal adaptation of the mobility parameters, and ultra-dense deployment, optimization of the conditional handover and random access parameters is a complex task that cannot be carried by human interaction. Therefore, an automatic optimization of the parameters is needed where the network collects statistics of the mobility events and adjusts the parameters autonomously. To investigate user mobility under these new propagation conditions, a proper model is needed that captures spatial and temporal characteristics of the channel in beamformed networks. Current channel models that have been developed for 5G networks are too detailed for the purpose of mobility simulations and lead to infeasible simulation time for most user mobility simulations. In this work, a simplified channel model is presented that captures the spatial and temporal characteristics of the 5G propagation channel and runs in feasible simulation time. To this end, the coherence time and path diversity originating from a fully fledged Geometry-based Stochastic Channel Model (GSCM) are analyzed and adopted in Jake’s channel model with reduced computational complexity. Furthermore, the deviation of multipath beamforming gain from single ray beamforming gain is analyzed and a regression curve is obtained to be used in the system-level simulations. In a typical system-level mobility simulator, the average downlink signal-to-interference and noise ratio (SINR) is used for RLF detection and throughput calculation. In addition to the channel model, models of desired and interfering signals are formulated first, by considering the impact of antenna beamforming, and a closed-form expression of average downlink SINR is derived by taking into account the user and beam scheduling probabilities. Then, an accurate approximation of the average downlink SINR with low computational complexity is presented, for 5G networks where the base station forms multiple beams. In addition, an SINR model is derived for both strict and opportunistic resource-fair scheduler, where the latter targets a higher utilization of radio resources when multiple beams are scheduled simultaneously. The mobility performance of conditional handover and contention-free random access are investigated by using the proposed channel and SINR models. Besides, a resource efficient random access procedure is proposed that aims at maximizing the utilization of contention-free random access resources. Moreover, simple, yet, effective decision tree-based supervised learning method is proposed to minimize the HOFs that are caused by the beam preparation phase of the random access procedure. Similarly, a decision-tree-based supervised learning method is proposed for automatic optimization of the conditional handover parameters. In addition, enhanced logging and emergency reporting methods are introduced first time in this study to mitigate the cell detection problems that are caused by rapid signal degradation. Results show that the optimum operation point of random access (in terms of minimizing the HOFs and maximizing the random access resource utilization) is achievable with the proposed learning algorithm for random access procedure in conditional handover. Results also show that the mobility performance of conditional handover is improved by automatic optimization of the handover parameters. In addition, the proposed enhanced logging and emergency reporting methods mitigate the mobility problems related with cell detection and further improve the mobility performance in combination with the decision-tree-based supervised learning methods.

The development of synthetic life once envisioned by Feynman and Flynn many decades ago has stimulated significant research in materials science, biology, neuroscience, robotics, and computer science. The cross-disciplinary effort and advanced technologies in soft miniature robotics have addressed some of the significant challenges of actuation, sensing, and subsystem integration. An ideal Soft motile miniaturised robot (SMMRs) has innovative applications on a small scale, for instance, drug delivery to environmental remediation. Such a system demands smart integration of micro/nano components such as engines, actuators, sensors, controllers, and power supplies, making it possible to implement complex missions controlled wirelessly. Such an autonomous SMMR spans over multiple science and technology disciplines and requires innovative microsystem design and materials. Over the past decade, tremendous efforts have been made towards mastering one of such a SMMR's essential components: micro-engine. Chemical fuels and magnetic fields have been employed to power the micro-engines. However, it was realized seven years ago in work of TU-Chemnitz Professorship of Material Systems in Nanoelectronics and institute of investigative Nanosciences Leibniz IFW Dresden including Chemnitz side. Write explicitly that it is essential to combine the micro-engine with other functional microelectronic components to create an individually addressable smart and motile microsystem. This PhD work summarises the progress in designing and developing a novel flexible and motile soft micro autonomous robotic tubular systems (SMARTS) different from the well-studied single-tube catalytic micro-engines and other reported micromotors. Our systems incorporate polymeric nanomembranes fabricated by photolithography and rolled-up nanotechnology, which provide twin-tube structures and a spacious platform between the engines used to integrate onboard electronics. Energy can be wirelessly transferred to the catalytic tubular engine, allowing control over the SMARTS direction. Furthermore, to have more functionality onboard, a micro-robotic arm was integrated with remote triggering ability by inductive heating. To make the entire system smart, it is necessary to develop an onboard processor. However, the use of conventional Si technology is technically challenging due to the high thermal processes. We developed complex integrated circuits (IC) using novel single crystal-like organic and ZnO-based transistors to overcome this issue. Furthermore, a novel fabrication methodology that combines with six primary components of an autonomous system, namely motion, structure, onboard energy, processor, actuators, and sensors to developing novel SMARTSs, is being pursued and discussed.:List of acronyms 8 Chapter 1. Introduction 12 1.1 Motivation 14 1.2 Objectives 17 1.3 Thesis structure 18 Chapter 2. Building blocks of micro synthetic life 19 2.1 Soft structure 20 2.1.1 Polymorphic adaptability 20 2.1.2 Dynamic reconfigurability 20 2.1.3 Continuous motion 21 2.2 Locomotion 21 2.2.1 Aquatic 22 2.2.2 State-of-the-art aquatic SMMR 24 2.2.3 State-of-the-art terrestrial SMMR 25 2.2.4 State-of-the-art aerial SMMR 27 2.3 Onboard sensing 28 2.3.1 State-of-the-art 3D and flexible sensors systems 28 2.4 Onboard actuation 30 2.4.1 State-of-the-art actuators 30 2.5 Embedded onboard intelligence 32 2.5.1 State-of-the-art flexible integrated circuits 32 2.6 Onboard energy 33 2.6.1 State-of-the-art micro energy storage 34 2.6.2 State-of-the-art onboard energy harvesting SMMR 35 Chapter 3. Technology overview 38 3.1 Structure 38 3.1.1 Self-assembled “swiss-roll” architectures 40 3.1.2 Polymeric “swiss-roll” architectures 41 3.2 Motion: micro tubes as propulsion engines 44 3.2.1 Chemical engines 44 3.3 Embedded onboard intelligence 46 3.3.1 Thin film transistor 46 3.3.2 Basic characteristics of MOSFETs 48 3.4 Growth dynamics of organic single crystal films 51 3.4.1 Thin films growth dynamics 52 3.5 Powering SMARTSs 55 3.5.1 Onboard energy storage 56 3.5.2 Wireless power delivery 59 3.6 Integrable micro-arm 63 3.6.1 Stimuli-responsive actuator 63 3.6.2 Remote activation 64 Chapter 4. Fabrication and characterization 65 4.1 Thin film fabrication technology 65 4.1.1 Photolithography 65 4.1.2 E-beam deposition 68 4.1.3 Sputtering 69 4.1.4 Physical vapour deposition 70 4.1.5 Atomic layer deposition 71 4.1.6 Ion beam etching 72 4.2 Characterization methods 73 4.2.1 Atomic force microscopy 73 4.2.2 Scanning electron microscopy 74 4.2.3 Cyclic voltammetry 75 4.2.4 Galvanic charge discharge 77 4.2.5 Electrochemical impedance spectroscopy 78 Chapter 5. Development of soft micro autonomous robotic tubular systems (SMARTS) 81 5.1 Soft, flexible and robust polymeric platform 82 5.2 Locomotion of SMARTS 84 5.2.1 Assembly of polymeric tubular jet engines 84 5.2.2 Catalytic self-propulsion of soft motile microsystem 85 5.2.3 Propulsion power generated by the catalyst reaction 87 5.3 Onboard energy for SMARTS 89 5.3.1 Onboard wireless energy 90 5.3.2 Onboard ‘zero-pitch’ micro receiver coil 90 5.3.3 Evaluation of the micro receiver coil 91 5.4 Onboard energy storage 92 5.4.1 Fabrication of nano-biosupercapacitors 93 5.4.2 Electrochemical performance of “Swiss-roll” nBSC 97 5.4.3 Self-discharge performance and Bio enhancement: 98 5.4.4 Electrochemical and structural life time performance 100 5.4.5 Performance under physiologically conditions 101 5.4.6 Electrolyte temperature and flow dependent performance 102 5.4.7 Performance under hemodynamic conditions 105 5.4.8 Biocompatibility of nBSCs 105 5.5 Wireless powering and autarkic operation of SMARTS 108 5.5.1 Remote activation of an onboard IR-LED 108 5.5.2 Wireless locomotion of SMARTS 109 5.5.3 Effect of magnetic moment on SMARTS locomotion 111 5.5.4 Full 2D wireless locomotion control of SMARTS 112 5.5.5 Self-powered monolithic pH sensor system 114 5.6 Onboard remote actuation 119 5.6.1 Fabrication of integrable micro-arm 120 5.6.2 Remote actuation of integrable micro-arm 122 5.7 Flexibility of SMARTS 122 5.8 Onboard integrated electronics 123 5.9 Onboard organic electronics 124 5.9.1 Growth of BTBT-T6 as active semiconductor material 125 5.9.2 Confined Growth of BTBT-T6 to form Single-Crystal-Like Domain 128 5.9.3 Fabrication of OFET based on Single-Crystal-Like BTBT-T6 129 5.9.4 Carrier injection optimization 132 5.9.5 Performance of single-crystal-like BTBT-T6-OFET 133 5.10 Onboard flexible metal oxide electronics 136 5.10.1 Fabrication flexible ZnO TFT 138 5.10.2 Performance of ZnO TFT 139 5.10.3 Flexible integrated circuits 140 5.10.4 Logic gates 140 Chapter 6. Summary 142 Chapter 7. Conclusion and outlook 144 References 147 List of Figures & tables 173 Versicherung 177 Acknowledgement 178 Research achievements 180 Research highlight 183 Cover pages 184 Theses 188 Curriculum-vitae 191

Hybrid memory systems consisting of DRAM and NVRAM offer a great opportunity for column-oriented data systems to persistently store and to efficiently process columnar data completely in main memory. While vectorization (SIMD) of query operators is state-of-the-art to increase the single-thread performance, it has to be combined with thread-level parallelism (MIMD) to satisfy growing needs for higher performance and scalability. However, it is not well investigated how such a SIMD-MIMD interplay could be leveraged efficiently in hybrid memory systems. On the one hand, we deliver an extensive experimental evaluation of typical workloads on columnar data in this paper. We reveal that the choice of the most performant SIMD version differs greatly for both memory types. Moreover, we show that the throughput of concurrent queries can be boosted (up to 2x) when combining various SIMD flavors in a multi-threaded execution. On the other hand, to enable that optimization, we propose an adaptive SIMD-MIMD cocktail approach incurring only a negligible runtime overhead.

In dieser Arbeit werden die verschiedenen Möglichkeiten der Elektronenstrahlstrukturierung von organischen Schichten untersucht und charakterisiert. Je nach ihrer Energie und Leistung bewirkt die Interaktion der beschleunigten Strahlelektronen mit dem Material, auf das sie treffen, unterschiedliche Wechselwirkungen. Im Rahmen der durchgeführten Versuche wird demonstriert, dass diese Wirkung von lokalen, strahlchemischen Strukturveränderungen bis hin zu einem örtlich begrenzten Materialabtrag reicht. Neben den Untersuchungen einzelner organischer Schichten, werden ebenso organische Leuchtdioden (OLEDs) und deren Veränderungen unter Elektroneneinwirkung charakterisiert. Bei der Elektronenstrahlstrukturierung einer OLED mit sehr kleinen Leistungen wird sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Leuchtdichte der OLED reduziert. Dabei sind die Veränderungen in den organischen Materialien lokal stark auf den Ort der Elektroneneinwirkung begrenzt. Dies konnte genutzt werden, um eine hochauflösende Graustufenstrukturierung zu demonstrieren und ein Bild mit Strukturbreiten von 2 µm mit einem Elektronenstrahlprozess in eine weiße OLED zu schreiben. Elektronenstrahlprozesse mit höheren Leistungen bedingen eine thermische Wirkung und können so dünne organische Schichten lokal verdampfen. Mit solch einem Prozess konnte ein linien- und flächenhafter Abtrag realisiert werden, ohne die darunterliegende Elektrode zu schädigen. OLEDs haben den Vorteil, dass sie in Dünnschichttechnik hergestellt werden können und sehr kontrastreiche und farbechte Flächenlichtquellen sind. Daher bilden sie auch die Grundlage moderner Displays, an die jedoch stets wachsende Anforderungen gestellt werden. Klassischerweise werden OLED-Farbdisplays mithilfe einer strukturierten Abscheidung durch feine Metallmasken oder durch die Nutzung weißer OLEDs zusammen mit Farbfiltern hergestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Strukturierungskonzept entwickelt, dass die Möglichkeit bietet, ein OLED-Farbdisplay mithilfe eines Elektronenstrahlprozesses herzustellen. Das Schichtsystem der OLED bildet einen optischen Resonator, bei dem die Elektroden die Mikrokavität darstellen und die Dicke der organischen Schichten die Resonatorlänge definiert. Mittels kavitätsselektiver Modenauswahl ist es möglich, aus dem Spektrum einer weißen OLED verschiedene Farben auszukoppeln, wenn man die Resonatorlänge ändert. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Anpassung der Resonatorlänge durch die Elektronenstrahlstrukturierung der ersten organischen Schicht vorgenommen und so rote, grüne und blaue OLEDs erzeugt und charakterisiert. Neben den grundlegenden Untersuchungen zu diesem Ansatz werden abschließend Grenzen und Möglichkeiten des Verfahrens aufgezeigt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Leuchtdioden (OLEDs) 2.1.1 Organische Halbleiter 2.1.2 Aufbau und Funktionsweise von OLEDs 2.1.3 Elektro-optische Charakteristik 2.2 OLED-Vollfarbdisplays 2.2.1 Funktionsweise und Konzepte 2.2.2 Strukturierungsmethoden – Stand der Technik 2.3 Elektronenstrahlstrukturierung 2.3.1 Wechselwirkungen von Elektronen mit Festkörpern 2.3.2 Thermische Mikrobearbeitung 2.3.3 Nichtthermische Mikrobearbeitung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 3.1 Ziele dieser Arbeit 3.2 Prinzip Mikrokavität-OLED 4 Methodische Untersuchungen und Charakterisierung 4.1 OLED-Testsubstrate 4.1.1 Aufbau und Layout 4.1.2 Schichtabscheidung 4.2 Elektronenstrahlbehandlung 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Schichtcharakterisierung 4.3.2 Elektro-optische Charakterisierung 4.3.3 FTIR-Spektroskopie 4.3.4 Photolumineszenz-Spektroskopie 5 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion 5.1 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von organischen Einzelschichten 5.1.1 Spektroskopische Untersuchungen 5.1.2 Elektrische Untersuchungen von Hole-Only-Devices 5.2 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von OLEDs 5.2.1 Elektro-optische Untersuchungen 5.2.2 Hochauflösende Graustufenstrukturierung 5.2.3 Einfluss eines anschließenden Temperns 5.3 Thermische Elektronenstrahlbearbeitung 5.3.1 Thermische Elektronenstrahlstrukturierung organischer Schichten 5.3.2 Elektronenstrahlstrukturierung für Mikrokavität-OLEDs 6 Zusammenfassung und Ausblick A Technische Ergänzunge B Literaturverzeichnis C Abbildungsverzeichnis D Tabellenverzeichnis E Abkürzungsverzeichnis F Lebenslauf der Autorin G Wissenschaftliche Publikationen H Danksagung / In this work different possibilities of electron beam patterning for organic layers are investigated and characterized. Depending on the energy and power of the accelerated beam electrons, different interaction processes with the material can be initiated. Within the performed experiments it could be demonstrated that these effects range from structural chemical changes up to a localized evaporation of material. In addition to investigations of individual organic layers, organic light-emitting diodes (OLEDs) and their changes under the influence of electrons are also characterized. When OLEDs are patterned with an electron beam process with low power, both the electrical conductivity and the luminance of the OLED are reduced. The changes in the organic materials are locally strongly limited to the location of the electron penetration. This could be used to demonstrate a high-resolution grayscale patterning and to write an image with critical dimensions of 2 µm into a white OLED using an electron beam process. Electron beam processes with higher power cause a thermal effect and are able to evaporate thin organic layers locally. With such a process, a linear and areal shaped removal could be realized without damaging the underlying electrode. OLEDs have the advantage that they can be produced in thin-film technology. Furthermore they are an area light source, that has a high contrast and very good color properties. Therefore, most of the modern displays consist of OLEDs. Traditionally, OLED color displays are made by structured deposition through fine metal masks or by the use of white OLEDs together with color filters. As part of this work, an alternative structuring concept has been developed that offers the possibility of producing an OLED color display using an electron beam process. The layer system of the OLED forms an optical resonator in which the electrodes represent the microcavity and the thickness of the organic layers defines the resonator length. By means of cavity-selective mode selection, it is possible to extract different colors from the spectrum of a white OLED by changing the resonator length. In the present work, this adjustion of the resonator length was carried out by electron beam patterning of the first organic layer, thus generating and characterizing red, green and blue OLEDs. In addition to the fundamental investigations on this approach, limits and future perspectives of the method were finally pointed out.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Leuchtdioden (OLEDs) 2.1.1 Organische Halbleiter 2.1.2 Aufbau und Funktionsweise von OLEDs 2.1.3 Elektro-optische Charakteristik 2.2 OLED-Vollfarbdisplays 2.2.1 Funktionsweise und Konzepte 2.2.2 Strukturierungsmethoden – Stand der Technik 2.3 Elektronenstrahlstrukturierung 2.3.1 Wechselwirkungen von Elektronen mit Festkörpern 2.3.2 Thermische Mikrobearbeitung 2.3.3 Nichtthermische Mikrobearbeitung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 3.1 Ziele dieser Arbeit 3.2 Prinzip Mikrokavität-OLED 4 Methodische Untersuchungen und Charakterisierung 4.1 OLED-Testsubstrate 4.1.1 Aufbau und Layout 4.1.2 Schichtabscheidung 4.2 Elektronenstrahlbehandlung 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Schichtcharakterisierung 4.3.2 Elektro-optische Charakterisierung 4.3.3 FTIR-Spektroskopie 4.3.4 Photolumineszenz-Spektroskopie 5 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion 5.1 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von organischen Einzelschichten 5.1.1 Spektroskopische Untersuchungen 5.1.2 Elektrische Untersuchungen von Hole-Only-Devices 5.2 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von OLEDs 5.2.1 Elektro-optische Untersuchungen 5.2.2 Hochauflösende Graustufenstrukturierung 5.2.3 Einfluss eines anschließenden Temperns 5.3 Thermische Elektronenstrahlbearbeitung 5.3.1 Thermische Elektronenstrahlstrukturierung organischer Schichten 5.3.2 Elektronenstrahlstrukturierung für Mikrokavität-OLEDs 6 Zusammenfassung und Ausblick A Technische Ergänzunge B Literaturverzeichnis C Abbildungsverzeichnis D Tabellenverzeichnis E Abkürzungsverzeichnis F Lebenslauf der Autorin G Wissenschaftliche Publikationen H Danksagung

Die überraschende Entdeckung von ferroelektrischem Hafniumoxid durch Böscke et al. im Jahre 2011 eröffnet zahlreich technologische Möglichkeiten wie zum Beispiel voll CMOS kompatible ferroelektrische RAM Speicherzellen. Als kristallographische Ursache für dieses Verhalten erwies sich die Raumgruppe Pca21. In theoretischen Untersuchungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie erwies sich diese Phase jedoch als thermodynamisch instabil. Ziel dieser Dissertation ist daher zu klären, wie diese Phase stabilisiert werden kann. Dazu werden Faktoren wie Stöchiometrie, Temperatur, Druck, Spannung, Grenzflächenenergie sowie Defekte und Dotierung mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die errechneten Ergebnisse werden mit Hilfe von Modellen interpretiert, welche im laufe dieser Dissertation erarbeitet werden. Es zeigt sich, dass neben dem energetischen Zustand auch der Herstellungsprozess des Materials eine bedeutende Rolle in der Stabilisierung der ferroelektrischen Phase von Hafniumoxid spielt. Abschließend wird versucht Verbindung zum Experiment herzustellen, in dem experimentell zugängliche Stellschrauben aufgezeigt werden, welche die ferroelektrischen Eingenschaften von Hafniumoxid verbessern können und sich aus den erarbeiteten Ergebnissen ableiten. / The surprising discovery of ferroelectric hafnium oxide by Böscke et al. in 2011 enables various technological possibilities like CMOS compatible ferroelectric RAM devices. The space group Pca21 was identified as the crystallographic cause of this behavior. However, this phase was proved to be thermodynamically unstable by several theoretical studies using density functional theory. Therefore, the goal of this dissertation is to investigate physical effects contributing to the stabilization of the ferroelectric phase by means of density functional theory. These effects include stoichiometry, temperature, stress, strain, interface energy, as well as defects and dopants. The computational results will be interpreted with models, which will be developed within this dissertation. It will become apparent, that in addition to the energetic state, the production process of a sample plays an important role in the stabilization of the ferroelectric phase of hafnium oxide. In the conclusion, this work will attempt to find a connection to the experiment, by identifying experimentally accessible parameters within the computational results which can be used to optimize the ferroelectric properties of ferroelectric materials.

Radio resource allocation in communication networks is essential to achieve optimal performance and resource utilization. In modern interference networks the corresponding optimization problems are often nonconvex and their solution requires significant computational resources. Hence, practical systems usually use algorithms with no or only weak optimality guarantees for complexity reasons. Nevertheless, asserting the quality of these methods requires the knowledge of the globally optimal solution. State-of-the-art global optimization approaches mostly employ Tuy's monotonic optimization framework which has some major drawbacks, especially when dealing with fractional objectives or complicated feasible sets. In this thesis, two novel global optimization frameworks are developed. The first is based on the successive incumbent transcending (SIT) scheme to avoid numerical problems with complicated feasible sets. It inherently differentiates between convex and nonconvex variables, preserving the low computational complexity in the number of convex variables without the need for cumbersome decomposition methods. It also treats fractional objectives directly without the need of Dinkelbach's algorithm. Benchmarks show that it is several orders of magnitude faster than state-of-the-art algorithms. The second optimization framework is named mixed monotonic programming (MMP) and generalizes monotonic optimization. At its core is a novel bounding mechanism accompanied by an efficient BB implementation that helps exploit partial monotonicity without requiring a reformulation in terms of difference of increasing (DI) functions. While this often leads to better bounds and faster convergence, the main benefit is its versatility. Numerical experiments show that MMP can outperform monotonic programming by a few orders of magnitude, both in run time and memory consumption. Both frameworks are applied to maximize throughput and energy efficiency (EE) in wireless interference networks. In the first application scenario, MMP is applied to evaluate the EE gain rate splitting might provide over point-to-point codes in Gaussian interference channels. In the second scenario, the SIT based algorithm is applied to study throughput and EE for multi-way relay channels with amplify-and-forward relaying. In both cases, rate splitting gains of up to 4.5% are observed, even though some limiting assumptions have been made.

Development of efficient and clean energy sources to meet the ever-increasing de- mand of humankind is one of the greatest challenges of the 21st century. There is a dire need to decarbonise the power sector, and the focus needs to shift to re- newable resources such as wind and solar energy. In this regard, organic solar cells are a promising and novel technology owing to its low carbon footprint, innovative applications, and possible integration into the current infrastructure. Due to its unique advantages, a considerable research effort has been put into its development in the last decades. As a result, the power conversion efficiency (PCE) of the organic photovoltaics has steadily risen from as low as 0.5% to around 17 % at the current stage. This improvement primarily originates from the better understanding of the underlying physical processes and as a result of extensive material development. In the most general case, organic solar cells consist of a binary blend of an electron donating and an electron accepting organic semiconductor forming the so-called ‘bulk-heterojunction’ (BHJ) morphology. Thermodynamics places an upper limit on the power conversion efficiency (PCE) of binary blend BHJ devices and for further enhancement in efficiency novel device concepts like the use of ternary blends and tandem device architectures is being investigated. In relation to these approaches, the development of low optical-gap (Eopt ≤ 1.5 eV) organic semiconductors has gained importance as these materials provide for the complementary absorption with respect to the other components and better harvesting of the solar spectrum. This work mainly deals with the investigation of low optical gap donor and acceptor materials for organic solar cells. We investigate the effect of the molecular structure on the device performance and the photophysical processes in the binary and ternary blend configuration. In the first part of the thesis, we study a family of low optical- gap diketopyrrolopyrrole (DPP) based polymers while varying the conjugated core and the branching position and length of the solubilizing alkyl side chains. The branching position of the side chains is found to have a significant influence on the polymers ability to crystallize, which in turn influences the mobility of free charge carriers. The branching position also affects the solubility of the polymer, which in turn influences the morphology of the bulk-heterojunction (BHJ) and ultimately the yield of photogenerated charge carriers. To investigate the electron transfer and charge separation dynamics in the blends consisting of DPP polymers and fullerene, we employed ultrafast pump-probe spec- troscopic techniques. In the spectroscopy data, we observe signatures suggesting an ultrafast electron transfer process and an efficient charge separation process due to the high mobility of the free charge carriers shortly after separation (∼10-100 ps). Lastly, we investigated indacenodithiophene (IDT) based non-fullerene acceptor (NFA) molecules. In particular, we studied the effect of fluorination on the device performance when these acceptors are blended with PTB7-Th and P3HT donor polymers. The kinetics of the photophysical processes in the binary and ternary blends are characterized using ultrafast spectroscopy and related to the morphology of the blend and the molecular structure of the acceptors. Overall, we investigated the structural variations in the DPP polymers and flu- orinated non-fullerene acceptor (NFA) molecules and suggest design rules for the synthesis of optimal DPP polymers and non-fullerene acceptors to achieve supe- rior device performance. Additionally, we also shed light on the phenomenological processes happening on an ultrafast time scale (0.2-1000 ps) in the binary and the ternary blends with the aim of developing a better understanding of the photophys- ical processes in these promising material systems.

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK), im Speziellen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), besitzen im Vergleich zu metallischen Werkstoffen bei einer verhältnismäßig geringen Dichte hohe Festigkeitswerte. Die Anforderungen hinsichtlich Emissionsreduzierung und der dadurch gestiegene Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in der Automobilindustrie macht die Verwendung von FVKs zunehmend interessanter. Ein sicherer Betrieb von FVKs über den gesamten Produktlebenslaufzyklus ist nur durch zerstörungsfreie Prüfungen der Bauteile nach definierten Lastzyklen oder Betriebszeiten möglich. Die Schallemissionsprüfung eignet sich hierzu besonders, da sie als passives Prüfverfahren während Belastungstests eingesetzt werden kann. Dabei basiert die Schallemissionsprüfung oder Acoustic Emission Testing (AET oder AT) auf der Detektierbarkeit dynamischer Verschiebungen im Nanometer-Bereich an der Oberfläche von belasteten Prüfobjekten durch hochempfindliche piezoelektrische Sensoren (Messbereich von ca. 50 kHz bis 1 MHz) und deren Umwandlung in weiter verarbeitbare elektrische Signale. Die spezifischen Verschiebungen an der Oberfläche werden durch akustische Wellen (elastische Spannungswellen) erzeugt, die durch temporäre, sehr kleine Materialverschiebungen, bedingt durch beispielsweise das Rückfedern des Materials bei schnell ablaufenden Prozessen wie Rissbildung, Rissausbreitung, Rissuferreibung etc., entstehen können. Die Schallemissionsprüfung bietet die Möglichkeit, dass aus den unterschiedlichen Laufzeiten der Signale der jeweiligen schallemittierenden Quellen bei einer ausreichenden Anzahl an Sensoren (mindestens drei bei einer ebenen Ortung) der Ursprung der Schallemissionsquelle berechnet werden kann. Verschiedene Werkstoffkombinationen von FVKs weisen auch eine unterschiedliche Signalcharakteristik bei den emittierten Signalen auf. Die verwendeten Sensoren müssen folglich für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt werden. Störgeräusche können dabei herausgefiltert werden, wenn sie im für die Schädigung oder dem Schädigungsfortschritt untypischen Frequenzbereich liegen. Hierfür und für das Entfernen von elektromagnetischen Störungen müssen allerdings mehrere Sensoren auf dem Prüfling appliziert sein. In dieser Arbeit wurde die Schallemissionsprüfung als prüfstandsbegleitendes Bewertungsverfahren qualifiziert und zur Bestimmung des Zustandes von Probekörpern und Bauteilen nach und während unterschiedlicher Belastungstests eingesetzt. Dazu wurden Schallemissionsparameter in repräsentativem Umfang zur Bewertung der Strukturintegrität und zur Zuordnung der verschiedenen Schallemissionsparameter zu verschiedenen Schädigungsarten in FVKs ermittelt. Im Detail wurde der Zusammenhang zwischen verschiedenen Schädigungsmechanismen an Couponproben und CT-Aufnahmen untersucht. Des Weiteren wurden die identifizierten Schallemissionsparameter jeweils in Abhängigkeit der eingebrachten Belastung (Maximallast, Belastungshistorie, etc.) auf Couponproben und auf unterschiedlich komplex ausgeführten Demonstratorbauteilen ausgewertet. Hierzu wurde die Übertragbarkeit der bei den Grundlagenversuchen gewonnenen Erkenntnisse auf Couponprobenebene auf komplexe Gesamtbauteile in zwei Schritten untersucht und validiert. Bei Untersuchungen an Demonstratorbauteilen mit komplexeren Geometrien wurden spezielle schallemissionstaugliche Niederlastprüfszenarien entwickelt und untersucht. Hier stand die Anforderung, das Bauteil bei der notwendigen Belastung für die passiv durchgeführte Schallemissionsanalyse nicht zu schädigen, im Vordergrund. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit dem dargelegten Ansatz eine Zuordnung von Schallemissionsparametern zu unterschiedlichen Schädigungsmechanismen möglich ist. Es ist weiterhin möglich, eine Aussage bezüglich der Strukturintegrität des aus FVKs hergestellten Prüflings zu treffen. Dies ist besonders im Hinblick auf Fragestellungen der Betriebsfestigkeit und der Bauteilzustandsbewertung bei der Bauteil- oder Komponentenentwicklung eine wichtige Zusatzinformation.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Faserverbundwerkstoffe (FVK) 3 2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise von faserverstärkten Kunststoffen 3 2.2 Schädigungsmechanismen und Versagensarten 5 2.2.1 Zwischenfaserbruch 6 2.2.2 Delamination 6 2.2.3 Faser Pull-Out 6 2.2.4 Debonding 7 2.2.5 Faserbruch 7 2.2.6 Zugversagen 8 2.2.7 Druckversagen 8 2.2.8 Biegeversagen 9 2.2.9 Torsionsversagen 9 3 ZfP für FVK 11 3.1 Allgemein 11 3.2 Grundlagen der Computertomographie 11 3.2.1 Die Röntgenstrahlung 11 3.2.2 Die kontinuierliche Röntgenbremsstrahlung 12 3.2.3 Die charakteristische Röntgenbremsstrahlung 12 3.2.4 Prinzip der Computertomographie 13 3.2.5 Computertomographie in der Werkstoff- und Bauteilprüfung 14 3.3 Schallemissionsanalyse im Speziellen 15 3.3.1 Besonderheit der Schallemissionsmessung an komplexen Strukturen/Bauteilen 19 3.3.2 Bisherige Erkenntnisse der Untersuchungen von CFK-Strukturen mit der Schallemissionsanalyse 21 3.3.3 Schallemissionsprozesskette 29 3.3.4 Schallemissionsparameter 37 3.3.5 Analysemöglichkeiten der Schallemissionsparameter 39 4 Verfahrensnachweis auf Couponebene 41 4.1 Vorbetrachtung 41 4.1.1 Testaufbau und Durchführung 41 4.1.2 Versuchskonzept / Auswahl geeigneter Schallemissionsparameter 45 4.2 Zerstörende Vorversuche 47 4.3 Ergebnisse zerstörende Vorversuche 52 4.3.1 Vergleich des Schallemissionsverhaltens konventioneller und zyklischer Versuchsdurchführung 52 4.3.2 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit der Lagenanzahl 55 4.3.3 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit des Lagenaufbaus 56 4.3.4 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte der Materialien 60 4.4 Ableitung Versuchskonfiguration und Materialauswahl für nicht zerstörende Prüfung 61 4.4.1 Ergebnisse nicht zerstörende Prüfung 63 4.5 Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse 75 4.6 Ergebnisse weitere Vorversuche mit Geometrievarianz 76 4.6.1 Varianz der Probenbreite bei taillierten Proben 77 4.6.2 Varianz der Probendicke durch Vergleich von 4-lagigen zu 6-lagigen Laminataufbauten 79 4.6.3 Varianz der Probengeometrie 80 4.7 Zuordnung unterschiedlicher Schädigungsmechanismen mittels Computertomographie 83 4.7.1 In-situ Messung Schallemission und CT 86 4.7.2 Analyse und Ergebnisdiskussion 94 4.8 Ergebnisvergleich Vorversuche zu in-situ-Versuche 105 4.9 Schallemissionsergebnisse in Korrelation der CT-Aufnahmen 115 4.10 Zusammenfassung in-situ-Versuche 128 4.11 Parameterstudie zum Einfluss auf Schallemissionsparameter 129 4.12 Zusammenfassung der Ergebnisse auf Couponebene 143 5 Generalisierung und Übertrag auf Bauteile 145 5.1 Vorbetrachtung 145 5.2 Unterschied zwischen Coupon- und Bauteilprüfung 146 5.3 Testaufbau und –durchführung 146 5.3.1 Zerstörende Tests 146 5.3.2 Zerstörungsfreie Tests 151 5.4 Ergebnisse 154 5.4.1 Ergebnisse Rohrprüfung 155 5.4.2 Ergebnisse Räderprüfung 171 6 Zusammenfassung und Ausblick 187