Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: In this dissertation a new type of electrical machine, a Radial Flux Air-Cored Permanent Magnet machine with a Double-sided Rotor and utilising concentrated, non-overlapping windings, is proposed. The concept of the Double-sided Rotor Radial Flux Air-Cored Permanent Magnet machine, or RFAPM machine for short, was derived from the Double-sided Rotor Axial Flux Air-Cored Permanent Magnet (AFAPM) machine. One of the problems that AFAPM machines experience, is the deflection of the rotor discs due to the strong magnetic pull of the permanent magnets, especially with double-sided rotor machines. The main advantage of a RFAPM machine over a AFAPM machine is that the rotor back-iron is cylindrically shaped instead of disk shaped. Due to the structural integrity of a cylinder, the attraction force between the two rotors does not come into play any more. The focus of this dissertation is on a thorough analytical analysis of the Double-Sided Rotor RFAPM machine. With the RFAPM being an air-cored machine, the feasibility to develop a linear, analytical model, to accurately predict the radial flux-density and hence the induced EMF in the stator windings, as well as the accurate calculation of the developed torque of the machine, needed to be investigated. The need for a thorough analytical examination of the Double-Sided Rotor RFAPM machine stemmed from the need to reduce the blind reliance on Finite Element Modelling (FEM) software to calculate the back-EMF and torque produced by these machines. Another problem experienced with the FEM software was to obtain accurate torque results. Excessive ripple torque oscillations were sometimes experienced which took a considerable amount of time to minimise with constant refinement to the meshing of the machine parts. Reduction in the mesh element size unfortunately also added to the simulation time. The requirement for an accurate analytical model of the RFAPM machine was also necessary in order to reduce the amount of time spent on successive FEM simulation to obtain the optimum pole arc width of the permanent magnet in order to minimise the harmonic content of the radial flux-density distribution in the the stator windings. In this dissertation, the use of single-layer and double-layer, non-overlapping, concentrated winding for the RFAPM machine is also investigated. It was decided to include a comparison of these two non-overlapping winding configurations with a “hypothetical” concentrated, overlapping winding configuration. This would allow us to gauge the effectiveness of using nonoverlapping winding with respect to the reduction in copper losses as well as in the reduction in copper volume. It would also allow us to investigate the extent of how much the developed torque is affected by using non-overlapping windings instead of overlapping windings. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie proefskrif word ’n nuwe tipe elektriese masjien, ’n Radiale-vloed Lugkern Permanent Magneet Masjien met ’n dubbelkantige rotor en nie-oorvleuelende Windings voorgestel. Die konsep vir die Radiale-vloed Lugkern Permanent Magneet Masjien, of RVLPM vir kort, is afgelei vanaf die Dubbelkantige Rotor, Aksiale-vloed Lugkern (AVLPM) masjien. Een van die probleme wat met AVLPM masjiene ondervind word, is die defleksie van die rotorjukke as gevolg van die sterk aantrekkingskragte van die permanente magnete, veral in dubbelkantige rotor masjiene. Die hoof voordeel wat die RVLPM masjien inhou bo die AVLPM masjien, is die feit dat die RVLPM se rotorjukke silindries is in plaas van ronde skywe. As gevolg van die strukturele integriteit van ’n silinders, speel die aantrekkingskrag van die permanente magnete nie meer ’n rol nie. Die fokus van die proefskrif gaan oor die deeglike analitiese analise van die dubbelkantige RVLPM masjien. Weens die feit dat die RVLPM masjien ’n lugkern masjien is, is daar besluit om ondersoek in te stel na die moontlikheid om ’n lineêre, analitiese model vir die masjien op te stel waarmee die radiale-vloeddigtheid, teen-EMK asook die ontwikkelde draaimoment vir die masjien akkuraat bereken kan word. Die behoefde aan ’n akkurate analitiese model vir die dubbelkantige rotor RVLPM masjien is om die blinde vertroue te elimineer wat daar in Eindige-Element Modellering (EEM) sagteware gestel word om die teen-EMK en ontwikkelde draaimoment van die RVLPM masjien uit te werk. ’n Verdere probleem wat daar met EEM sagteware ondervind is, is die akkurate berekening van die ontwikkelde draaimoment. Oormatige rimpel draaimoment ossillasies is soms ondervind wat heelwat tyd geverg het om te minimeer, deur voortdurende verfyning van die EEM maas in die verskillende dele van die masjien. Soos die maas egter kleiner word, verleng dit die simulasie tyd van die EEM aansienlik. Nog ’n rede vir ’n akkurate analitiese model van die RVLPM masjien, is om vinnige metode te verkry om die optimale permanente magneet pool hoekwydte te verkry, wat die minste Totale Harmoniese Vervorming (THV) in die radiale-vloeddigtheidsdistribusie in die statorgebied sal veroorsaak, sonder om herhaaldelike EEM simulasies te loop. In die proefskrif word die gebruik van enkellaag en dubbellaag, nie- oorvleuelende, gekonsentreerde wikkelings vir die RVLPM masjien ook ondersoek. Daar is besluit om hierdie twee nie-oorvleuelende windingskonfigurasies met ’n “hipotetiese” gekonsentreerde, oorvleuelende windingskonfigurasie te vergelyk. Dit behoort ons in staat te stel om die doeltreffendheid van nie-oorvleuelende windings te bepaal, met betrekking tot die afname in koperverliese asook die afname in kopervolume. Verder sal dit ons in staat stel om ook mate waartoe die ontwikkelde draaimoment deur nie-oorvleuelende windings beïnvloed word, te ondersoek.

Les broncho-pneumopathies chroniques obstructives (BPCO) constituent un groupe de maladies des poumons caractérisées par le blocage du passage de l’air, rendant la respiration de plus en plus difficile. L’emphysème et la bronchite chronique sont les deux principales affections parmi les BPCO, mais les BPCO peuvent également être provoquées par les dégâts causés par des bronchites chroniques asthmatiques. L’emphysème pulmonaire est une maladie pulmonaire caractérisée par l’élargissement des espaces aériens distaux en amont des bronchioles terminales non respiratoires, accompagné de la destruction des parois alvéolaires. Ces modifications du parenchyme pulmonaire sont pathognomoniques de l’emphysème. La bronchite chronique est une forme de bronchite caractérisée par une production excessive d’expectoration, entraînant l’apparition d’une toux chronique et l’obstruction des voies respiratoires. Dans toutes ces affections, les dégâts causés aux voies respiratoires finissent par affecter les échanges gazeux dans les poumons. L’emphysème est généralement diagnostiqué de façon indirecte, sur la base d’un examen clinique, d’explorations de la fonction respiratoire (EFR), et d’une évaluation visuelle subjective des scanners des tomodensitogrammes. Ces tests présentent une valeur limitée dans les cas d’emphysème léger ou modéré. La présente étude aborde la possibilité d’appliquer une démarche d’analyse non linéaire à la répartition de la densité de l’air au sein de l’arbre des voies respiratoires des poumons à un quelconque niveau des ramifications. Les images sources de tomodensitométrie (TDM) du poumon sont traitées en deux phases, afin de produire un coefficient fractal de répartition de la densité de l’air. Au cours de la première phase, les valeurs brutes de pixel des images sources correspondant à toutes les densités d’air possibles sont traitées par un outil logiciel, mis au point pour construire une image cible. On y parvient par suppression en cascade des éléments indésirables (SCEI) : une étape de prétraitement dans l’analyse de l’image source. Celle-ci permet d’identifier les valeurs de densité d’air au sein de l’arbre des voies respiratoires, tout en éliminant toutes les valeurs non relatives à la densité de l’air. La seconde phase consiste en une réduction itérative de la résolution (RIR). Chaque réduction de la résolution produit un nouvel histogramme. Chaque histogramme ainsi produit comporte un certain nombre de pics, chacun d’entre eux correspondant à un ensemble de densités d’air. La courbe mettant en relation chaque réduction de la résolution avec le nombre de pics correspondant, obtenus à la résolution concernée, est tracée. Ceci permet de calculer la dimension fractale par une régression linéaire sur un graphique log – log. / Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) refers to a group of lung diseases that block airflow and make it increasingly difficult for you to breathe. Emphysema and chronic bronchitis are the two main conditions that make up COPD, but COPD can also refer to damage caused by chronic asthmatic bronchitis. Pulmonary emphysema is defined as a lung disease characterized by “abnormal enlargement of the air spaces distal to the terminal, non-respiratory bronchiole, accompanied by destructive changes of the alveolar walls”. These lung parenchymal changes are pathognomonic for emphysema. Chronic bronchitis is a form of bronchitis characterized by excess production of sputum leading to a chronic cough and obstruction of air flow. In all cases, damage to your airways eventually interferes with the exchange of oxygen and carbon dioxide in your lungs. Habitual techniques of emphysema’s diagnosis are based on indirect features, such as clinical examination; Pulmonary Function Tests (PFT) and subjective visual evaluation of CT scans. These tests are of limited value in assessing mild to moderate emphysema. The presented work discusses the possibility of applying a nonlinear analysis approach on air density distribution within lung airways tree at any level of branching. Computed Tomography (CT) source images of the lung are subjected to two phases of treatment in order to produce a fractal coefficient of the air density distribution. In the first phase, raw pixel values from source images, corresponding to all possible air densities, are processed by a software tool, developed in order to, construct a product image. This is done through Cascading Elimination of Unwanted Elements (CEUE): a preprocessing analysis step of the source image. It identifies values of air density within the airways tree, while eliminating all non-air-density values. Then, during the second phase, in an iterative manner, a process of Resolution Diminution Iterations (RDI) takes place. Every resolution reduction produces a new resultant histogram. A resultant histogram is composed of a number of peaks, each of which corresponding to a cluster of air densities. A curve is plotted for each resolution reduction versus the number of peaks counted at this particular resolution. It permits the calculation of the fractal dimension from the regression slope of log-log power law plot.

In this work, a new organic light-emitting device (OLED) structure is proposed that allows light-emission from a metal-free device region, thus reducing the hurdles towards an electrically pumped organic solid state laser (OSL). Our design concept employs a stepwise change from a highly conductive but opaque metal part to a highly transparent but less conductive intrinsic emission layer. Here, the high current densities are localized to an area of a few micrometer in square, which is in the range of the mode volume of the transverse mode of an organic vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). Besides these experimental results, we present findings from simulations which further support the feasibility of our design concept. Using an equivalent circuit approach, representing the current ow in the device, we calculate the time-dependent length of the emission zone and give estimations for appropriate material parameters.

La Spectroscopie par Effet Tunnel Inélastique (IETS) avec un Microscope à Effet Tunnel (STM) est une nouvelle technique de spectroscopie vibrationnelle, qui permet de caractériser des propriétés très fines de molécules adsorbées sur des surfaces métalliques. Des règles de selection d’excitation vibrationnelle basées sur la symétrie ont été proposées, cependant, elles ne semblent pas exhaustives pour expliquer la totalité du mécanisme et des facteurs en jeu; elles ne sont pas directement transposables pour les propriétés d'un adsorbat et sont lourdes d'utilisation. Le but de cette thèse est donc d'améliorer ces règles de selection par une étude théorique. Un protocole de simulation de l'IETS a été développé, paramétré, et évalué, puis appliqué pour calculer des spectres IETS pour différentes petites molécules, qui sont systématiquement liées, sur une surface de cuivre. Des principes additifs de l'IETS ont été developpés, notamment concernant l’extension dans le vide de l’état de tunnel, l'activation/ quench sélectif de certains modes du aux propriétés électroniques de certains fragments moléculaires, et l'application de certaines règles d'addition de signaux IETS. De plus, des empreintes vibrationnelles par des signaux IETS ont été determinées pour permettre de différentier entre les orientations des adsorbats, la nature chimique des atomes et les isomères de structures. Une stratégie simple utilisant les propriétés de distribution de la densité électronique de la molécule isolée pour prédire les activités IETS sans des couts importants de calculs a aussi été développée. Cette expertise a été utilisée pour rationaliser et interpréter les mesures expérimentales des spectres IETS pour des métalloporphyrines et métallophtalocyanines adsorbées. Ces études sont les premières études IETS pour des molécules aussi larges et complexes. L'approche expérimentale a permis de déterminer les limitations actuelles des simulations IETS. Les défauts associés à l'identification ont été résolus en faisant des simulations d'images STM complémentaires. / Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy (IETS) with the Scanning Tunneling Microscope (STM) is a novel vibrational spectroscopy technique that permits to characterize very subtle properties of molecules adsorbed on metallic surfaces. Its proposed symmetry-based propensity selection rules, however, fail to fully capture its exact mechanism and influencing factors; are not directly retraceable to an adsorbate property and are cumbersome. In this thesis, a theoretical approach was taken to improve them. An IETS simulation protocol has been developed, parameterized and benchmarked, and consequently used to calculate IETS spectra for a set of systematically related small molecules on copper surfaces. Extending IETS principles were deduced that refer to the tunneling state’s vacuum extension, the selective activating/quenching of certain types of modes due to the moieties’ electronic properties, and the applicability of a sum rule of IETS signals. Also, fingerprinting IETS-signals that enable discrimination between adsorbate orientations, the chemical nature of atoms and structural isomers were determined and a strategy using straightforward electronic density distribution properties of the isolated molecule to predict IETS activity without (large) computational cost was developed. This expertise was used to rationalize and interpret experimentally measured IETS spectra for adsorbed metalloporphyrins and metallophthalocyanines, being the first IETS studies of this large size. This experimental approach permitted to determine the current limitations of IETS-simulations. The associated identification shortcomings were resolved by conducting complementary STM-image simulations.

The present work is dealing with the synthesis and characterization of mono- to trinuclear Cu(II)- and Ni(II)-containing bis(oxamato) and bis(oxamidato) complexes, respectively. It will be derived to which extent the spin density distribution of mononuclear complexes, determined by electron paramagnetic resonance studies experimentally and calculated by quantum mechanical calculations, can be regarded as a measure of the magnitude of magnetic superexchange interactions of corresponding trinuclear complexes. The usability of tailor-made trinuclear complexes for their deposition in form of thin film by spin-coating is described as well as the magneto-optical characterization of these thin films. It is shown, that the tailor-made functionalization of mono- to trinuclear bis(oxamidato) complexes with long alkyl chains is suited to allow these complexes to assembly in monolayers on, e.g., HOPG(0001) (highly-oriented pyrolytic graphite), whereas the functionalization of the alkyl chains with S atoms allows the generation of self-assembled monolayers on metallic gold. Furthermore it is shown, that the functionalization of mono- and trinuclear Cu(II)-containing bis(oxamato) complexes with ferrocenediyle fragments allows to modify the magnetic properties by making use of the oxidation process Fe(II)/Fe(III). / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Darstellung und Charakterisierung ein- bis dreikerniger Cu(II)- bzw. Ni(II)-haltiger bis(oxamato) oder bis(oxamidato) Komplexe. Es wird abgeleitet, inwiefern die aus Elektronenenspinresonanz- Untersuchungen experimentell und die quantenmechanisch berechneten Spindichteverteilungen einkerniger Komplexe ein Maß für die Größe der magnetischen Superaustauschwechselwirkungen korrespondierender dreikerniger Komplexe darstellt. Die Eignung maßgeschneiderter dreikerniger Komplexe zu ihrer Überführung in dünne Filme im nm-Bereich mittels Rotationsbeschichtung auf Si/SiO2-Substraten wird beschrieben sowie die magneto-optische Charakterisierung dieser dünnen Filme. Es wird gezeigt, dass durch gezielte Funktionalisierung mit langkettigen Alkylresten ein- bis dreikernige Cu(II)-haltige bis(oxamidato) Komplexe geeignet sind, auf Substraten wie HOPG(0001) (hochorientiertes pyrolytisches Graphit) zu Monolagen zu assemblieren während die zielgerichtete Funktionalisierung der Alkylketten mit S-Atomen es ermöglicht selbst-assemblierte Monolagen auf metallischem Gold zu generieren. Zusätzlich wird beschrieben, dass durch die Funktionalisierung von ein- und dreikernigen Cu(II)-haltigen bis(oxamato) mit Ferrocendiylresten die magentischen Eigenschaften durch den Oxidationsprozess Fe(II)/Fe(III) gezielt modifiziert werden können.

The present work is dealing with the synthesis and characterization of mono- to trinuclear Cu(II)- and Ni(II)-containing bis(oxamato) and bis(oxamidato) complexes, respectively. It will be derived to which extent the spin density distribution of mononuclear complexes, determined by electron paramagnetic resonance studies experimentally and calculated by quantum mechanical calculations, can be regarded as a measure of the magnitude of magnetic superexchange interactions of corresponding trinuclear complexes. The usability of tailor-made trinuclear complexes for their deposition in form of thin film by spin-coating is described as well as the magneto-optical characterization of these thin films. It is shown, that the tailor-made functionalization of mono- to trinuclear bis(oxamidato) complexes with long alkyl chains is suited to allow these complexes to assembly in monolayers on, e.g., HOPG(0001) (highly-oriented pyrolytic graphite), whereas the functionalization of the alkyl chains with S atoms allows the generation of self-assembled monolayers on metallic gold. Furthermore it is shown, that the functionalization of mono- and trinuclear Cu(II)-containing bis(oxamato) complexes with ferrocenediyle fragments allows to modify the magnetic properties by making use of the oxidation process Fe(II)/Fe(III). / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Darstellung und Charakterisierung ein- bis dreikerniger Cu(II)- bzw. Ni(II)-haltiger bis(oxamato) oder bis(oxamidato) Komplexe. Es wird abgeleitet, inwiefern die aus Elektronenenspinresonanz- Untersuchungen experimentell und die quantenmechanisch berechneten Spindichteverteilungen einkerniger Komplexe ein Maß für die Größe der magnetischen Superaustauschwechselwirkungen korrespondierender dreikerniger Komplexe darstellt. Die Eignung maßgeschneiderter dreikerniger Komplexe zu ihrer Überführung in dünne Filme im nm-Bereich mittels Rotationsbeschichtung auf Si/SiO2-Substraten wird beschrieben sowie die magneto-optische Charakterisierung dieser dünnen Filme. Es wird gezeigt, dass durch gezielte Funktionalisierung mit langkettigen Alkylresten ein- bis dreikernige Cu(II)-haltige bis(oxamidato) Komplexe geeignet sind, auf Substraten wie HOPG(0001) (hochorientiertes pyrolytisches Graphit) zu Monolagen zu assemblieren während die zielgerichtete Funktionalisierung der Alkylketten mit S-Atomen es ermöglicht selbst-assemblierte Monolagen auf metallischem Gold zu generieren. Zusätzlich wird beschrieben, dass durch die Funktionalisierung von ein- und dreikernigen Cu(II)-haltigen bis(oxamato) mit Ferrocendiylresten die magentischen Eigenschaften durch den Oxidationsprozess Fe(II)/Fe(III) gezielt modifiziert werden können.