Die Arbeit befasst sich mit der Anwendung der dielektrischen Erwärmung mittels Radiowellen auf unterschiedlichen Gebieten der Umwelttechnik. Im Mittelpunkt stehen die Aufheizung von Schüttbetten aus Adsorbenzien und Katalysatoren sowie die thermisch unterstützte Reinigung kontaminierter Böden und Feststoffe, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Einsatzes bei in-situ-Sanierungsvorhaben. Aus stofflicher Sicht wurde die Erwärmung technisch relevanter Feststoffe wie Aktivkohlen, Molekularsieben (Zeolithen) und anderer Katalysatoren ebenso wie die Behandlung von Modellböden und realen Bodenproben untersucht. Die durchgeführten physikalisch-chemischen Grundlagenuntersuchungen bezogen sich vor allem auf die Fragen, inwiefern sich die Radiowellen-Erwärmung von konventionellen Heizmethoden unterscheidet, ob und unter welchen Bedingungen eine selektive Erwärmung einzelner Feststoffkomponenten (z.B. Katalysatorkomponenten oder Partikel) möglich ist und welchen Einfluss der Wassergehalt und die Temperatur auf den Energieeintrag, den Schadstofftransport sowie den Prozess der Schadstoffdesorption besitzen. Der verfahrenstechnische Aspekt der Arbeit umfasst die Entwicklung der Methode der Radiowellen-Erwärmung vom Labor- bis in den Feldmaßstab, die Entwicklung und den Test eines praxistauglichen und automatisierten Systems zur Feststofferwärmung, die simultane Anwendung mehrerer Frequenzen elektromagnetischer Felder zur optimierten Erwärmung mit größerer Temperaturhomogenität, die Erprobung unterschiedlicher Elektrodengeometrien sowie die Durchführung von Sanierungsvorhaben mit Modellcharakter.

An optical surface roughness model is presented, which allows a reliable determination of the dielectric function of thin films with high surface roughnesses of more than 10 nm peak to valley distance by means of spectroscopic ellipsometry. Starting from histogram evaluation of atomic force microscopy (AFM) topography measurements a specific roughness layer (RL) model was developed for an organic thin film grown in vacuum which is well suited as an example. Theoretical description based on counting statistics allows generalizing the RL model developed to be used for all non-conducting materials. Finally, a direct input of root mean square (RMS) values found by AFM measurements into the proposed model is presented, which is important for complex ellipsometric evaluation models where a reduction of the amount of unknown parameters can be crucial. Exemplarily, the evaluation of a N,N’-dimethoxyethyl-3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-diimide (DiMethoxyethyl-PTCDI) film is presented, which exhibits a very high surface roughness, i.e. showing no homogeneous film at all.

Organic thin film transistors (TFT) are an attractive option for low cost electronic applications and may be used for active matrix displays and for RFID applications. To extend the range of applications there is a need to develop and optimise the performance of non-volatile memory devices that are compatible with the solution-processing fabrication procedures used in plastic electronics. A possible candidate is an organic TFT incorporating the ferroelectric co-polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)) as the gate insulator. Dielectric measurements have been carried out on all-organic metal-insulator-semiconductor structures with the ferroelectric polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) as the gate insu-lator. The capacitance spectra of MIS devices, were measured under different biases, showing the effect of charge accumulation and depletion on the Maxwell-Wagner peak. The position and height of this peak clearly indicates the lack of stable depletion behavior and the decrease of mobility when increasing the depletion zone width, i.e. upon moving into the P3HT bulk. The lack of stable depletion was further investigated with capacitance-voltage (C-V) measurements. When the structure was driven into depletion, C-V plots showed a positive flat-band voltage shift, arising from the change in polarization state of the ferroelectric insulator. When biased into accumulation, the polarization was reversed. It is shown that the two polarization states are stable i.e. no depolarization occurs below the coercive field. However, negative charge trapped at the semiconductor-insulator interface during the depletion cycle masks the negative shift in flat-band voltage expected during the sweep to accumulation voltages. The measured output characteristics of the studied ferroelectric-field-effect transistors confirmed the results of the C-V plots. Furthermore, the results indicated a trapping of electrons at the positively charged surfaces of the ferroelectrically polarized P(VDF-TrFE) crystallites near the insulator/semiconductor in-terface during the first poling cycles. The study of the MIS structure by means of thermally stimulated current (TSC) revealed further evidence for the stability of the polarization under depletion voltages. It was shown, that the lack of stable depletion behavior is caused by the compensation of the orientational polarization by fixed electrons at the interface and not by the depolarization of the insulator, as proposed in several publications. The above results suggest a performance improvement of non-volatile memory devices by the optimization of the interface. / Organische Transistoren sind besonders geeignet für die Herstellung verschiedener preisgünstiger, elektronischer Anwendungen, wie zum Beispiel Radio-Frequenz-Identifikations-Anhänger (RFID). Für die Erweiterung dieser Anwendung ist es notwendig die Funktion von organischen Speicherelementen weiter zu verbessern. Das ferroelektrische Polymer Poly(vinylidene-Fluoride-Trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) eignet sich besonders gut als remanent polarisierbarer Isolator in Dünnschich-Speicherelementen. Um Schalt- und Polarisationsverhalten solcher Speicherelemente zu untersuchen, wurden P(VDF-TrFE)-Kondensatoren und Metall-Halbleiter-Isolator-Proben sowie ferroelektrische Feld-Effekt-Transistoren (Fe-FET) aus dem Halbleiter Poly(3-Hexylthiophene) (P3HT) und P(VDF-TrFE) hergestellt und dielektrisch untersucht. Die Charakterisierung der MIS-Strukturen mittels spannungsabhängiger Kapazitätsspektren machte deutlich, dass es nicht möglich ist, einen stabilen Verarmungzustand (Aus-Zustand) zu realisieren. Kapazität-Spannungs-Messungen (C-V) an MIS-Proben mit uni/bi-polaren Spannungszyklen zeigten eine stabile ferroelektrische Polarisation des P(VDF-TrFE)-Films. Eine Depolarisation des Isolators durch den Mangel an Minoritäts-Ladungsträgern konnte als Grund für die Instabilität des Verarmungs-Zustandes ausgeschlossen werden. Die C-V-Kurven wiesen vielmehr auf die Existenz fixierter, negativer Ladungsträger an der Grenzfläche hin. Zusammenfassend kann festgestellt werden: die Ursache der Ladungsträgerinstabilitäten in organischen ferroelektrischen Speicherelementen ist auf die Kompensation der ferroelektrischen Orientierungspolarisation durch "getrappte"(fixierte) negative Ladungsträger zurückzuführen. Dieses Ergebnis liefert nun eine Grundlage für die Optimierung der Isolator/Halbleiter-Grenzfläche mit dem Ziel, die Zahl der Fallenzustände zu minimieren. Auf diesem Wege könnte die Stabilität des Speicherzustandes in organischen Dünnschichtspeicherelementen deutlich verbessert werden.

In der Arbeit wurden sowohl optische, als auch Schwingungs- und Struktur-Eigenschaften poröser Strukturen auf der Basis von n-GaP, n-GaAs und n-InP mit Hilfe der Raman- und FTIR- Spektroskopie untersucht. Speziell den in polaren Materialien auftretenden Fröhlich-Moden wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Es wurden experimentelle Ergebnisse theoretischen Modellen auf der Basis der Effektiven Medien Theorie gegenübergestellt. Die Ergebnisse sollen helfen, Grundkenntnisse über die Eigenschaften poröser Halbleiterstrukturen zu gewinnen, um zum einen Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen und zum anderen das theoretische Modell zur Beschreibung heterogener Medien zu vervollkommnen.

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Da die dielektrischen Eigenschaften eines jeden Materials, also auch von Fleisch, charakteristisch sind und von Faktoren wie beispielsweise dem Feuchtigkeitsgehalt und der chemischen Zusammensetzung sowie der physikalischen Struktur abhängig sind, gibt es bereits seit einigen Jahren verschiedene Forschungsansätze im Bereich der dielektrischen Messmethoden. Ein neu entwickeltes Messverfahren für die Be-stimmung der Qualitätsparameter Lagerdauer und eventuell erfolgter Gefrierprozesse bei Fisch basiert auf der dielektrischen Zeitbereichsreflektometrie. Die Klärung der Frage, in wie weit dieses Verfahren auch bei Frischfleisch angewendet werden kann, ist das Ziel der vorliegenden Dissertation. In Vorversuchen wurde zunächst die generelle Anwendbarkeit des Verfahrens im Fleischbereich anhand verschiedener Lager- und Gefrierversuche geprüft. Basierend auf diesen Ergebnissen gliederten sich die experimentellen Untersuchungen in fol-gende Abschnitte: Ermittlung der Lagerdauer von SB-verpackten Minutensteaks vom Schweinelachs (MAP) sowie von Hähnchenbrustfilets, Erkennung von Gefrierprozes-sen bei Hähnchenbrustfilets und Schweinelachsen, Gefrierlagerdauerbestimmung verschiedener Fleischsorten (Schweinelachs, Schweinebauch und Rinderbugstück) bei drei unterschiedlichen Gefriertemperaturen und Erkennung von Fremdwasserzu-sätzen bei Hähnchenbrustfilets. Die Vorversuche zeigten eine generelle Eignung des Verfahrens zur Untersuchung von Lagerzeiten und Gefrierprozessen bei Fleisch. Im Bereich der Lagerdauererkennung ist eine Anwendung, auch für SB-verpackte Produkte (in Schutzatmosphäre), denkbar, das Verfahren muss hier allerdings bezüg-lich der zu Grunde liegenden linearen Auswertungsmodelle noch optimiert werden (Kurvenanpassung notwendig). Ebenso konnten gute Ergebnisse in der Gefrierlager-dauerbestimmung erzielt werden, auffällig waren die Fleischsorten-übergreifend bes-seren Ergebnisse der Messungen an vor dem Einfrieren einige Tage gelagerten Pro-ben. Gute Ergebnisse erbrachten auch die Messungen bezüglich der Gefrierprozess-erkennung (Proben frisch, einmal-gefroren und doppelt-gefroren). Ein Einsatz des Verfahrens ist besonders im Geflügelfleischbereich denkbar und angesichts der ge-setzlichen Bestimmungen für Geflügelfleisch (keine Fleischzubereitungen aus gefro-rener und aufgetauter Ware) auch überaus wünschenswert. Die besten Ergebnisse lieferte das Verfahren bei der Fremdwassererkennung an Hähnchenbrustfilets, was auf Grund des starken Dipolcharakters von Wasser bei einem auf Dielektrizität beru-henden Messverfahren auch erklärbar ist. Selbst die zusätzlich mit Geflügelfleisch-Proteinhydrolysatpulver versetzten Proben konnten (bedingt durch die Strukturverän-derungen im Probenmaterial) eindeutig von den unbehandelten Proben abgegrenzt werden, was mittels laborchemischer Analyse über das Wasser-Protein-Verhältnis nicht möglich gewesen wäre. Ein Einsatz des Verfahrens für diese Anwendung erscheint besonders sinnvoll, um der Überwachung und Qualitätssicherung ein ge-eignetes Instrument für die schnelle Feststellung von Wasserzusätzen (bei unverän-dertem Wasser-Eiweiß-Verhältnis) geben zu können. Vor dem praktischen Einsatz dieser Messmethode müssen größere Validierungsver-suche durchgeführt werden, um geeignete Kalibrationssätze für die Anwendung an unbekannten Proben, besonders im Geflügelfleischbereich, zur Verfügung zu haben. Ein Einsatz des Verfahrens zur Qualitätsbestimmung im Fleischbereich ist generell möglich und wäre auf Grund der schnellen Ergebnislieferung und einfachen Handha-bung der (mobilen) Messeinrichtung für Überwachung und Qualitätskontrolle wünschenswert. / As the dielectric properties of each material, thus also for meat, are characteristically and depend on factors as for instance humidity and the chemical composite as well as physical structure there are existing different research approaches in the array of dielectric measurement methods already for many years. A new developed meas-urement method for the estimation of the quality parameters storage time and option-ally occurred freezing processes on fish is basing on the dielectric time domain reflec-tometry. The clarification of the question how far this method can also be used for fresh meat is the intention of the present graduate thesis. In preliminary tests initially the general applicability of the method in the meat sector by means of different storage and freezing examinations was reviewed. Basing on these results the experimental examinations were divided into the following parts: evaluation of the storage time of packaged minute steaks from the pork chop (MAP) as also of chicken breast filets, estimation of freezing processes of chicken breast filets and pork chops, freezing storage time recognition of different meat varieties (pork chop, pork belly and beef bow pieces) with three different freezing temperatures and evaluation of added water in chicken breast filets. The preliminary tests indicated a general ability of the method for the recognition of storage times and freezing processes on meat. In the array of storage time evaluation an appliance, also for MAP-packaged products (in controlled atmosphere), is thinkable, however the method has to be optimized concerning the underlying linear evaluation models (curve fitting is necessary). As well there could be aimed good results for the freezing storage time recognition, the meat variety comprehensive better results for measurements on pattern which were stored some days previously were flashy. Good results were also adduced by the measurements concerning the freezing process recognition (pattern fresh, once- and double-frozen). An application of the technology is notably thinkable for the poultry meat sector and, in the face of the legal requirements for poultry meat (no preparation of frozen and thawed material allowed) also exceedingly desirable. The best results were carried out using the method for the recognition of added water in chicken breast filets, what is explainable by reason of the strong dipole character of water within a measurement method based on dielectricity. Even the pattern additionally glazed with poultry hydrolyzed protein powder could definitely be differentiated from the untreated pattern, what could not be realized with the water protein percentage using a laboratory chemical analysis. After all an appliance of the method for this application seems particularly reasonable, as a suitable instrument for the fast recognition of added water (with an unmodified water-protein-ratio) could be given to the monitoring and quality assurance. Before starting the practically application of this measurement method there have to be accomplished larger validation examinations, to have suitable calibration kits for the application on unknown pattern at one´s disposal, especially in the poultry meat sector. The assignment of the method for quality evaluation in the meat sector is generally possible and would be desirable for the monitoring and quality control by the reason of its fast result delivery and easy handling of the (mobile) measurement arrangement.

Thema der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Konstruktion einer Gasentladungslampe unter Verwendung von transparenten, lumineszenten Dünnfilmen. Zunächst wurden Leuchtstoffe in nanoskaligem Maßstab hergestellt, um daraus anschließend dünne Filme herzustellen, die für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich durchlässig sind. Diese Filme können nach Anregung mit UV-Strahlung sichtbares Licht emittieren und eignen sich daher für den Bau einer transparenten Gasentladungslampe. Als Leuchtstoffe kommen Verbindungen in Frage, die auch in herkömmlichen Leuchtstoffröhren verwendet werden. Dazu zählt unter anderem YVO4:Eu als viel genutzter rot emittierender Leuchtstoff und LaPO4:Ce,Tb mit charakteristischer grüner Emission. Diese beiden Verbindungen wurden zunächst als funktionalisierte Nanopartikel hergestellt. Unter Verwendung einer Mikrowelle wurden agglomeratfreie, wässrige YVO4:Eu Dispersionen synthetisiert, deren Partikel einen hydrodynamischen Durchmesser im Bereich von 45,6 nm bis 51,7 nm aufwiesen. Diese Partikel kristallisieren im tetragonalen Kristallsystem und besitzen eine Kristallitgröße zwischen 9 nm bis 10 nm. Die in wässriger Dispersion ausgelöschte Lumineszenz ist nachweisbar, nachdem die Partikel mit Aceton destablisiert wurden. Die getrockneten Pulverproben zeigen dann nach Anregung mit UV-Licht die typische rote Emission des Eu3+ mit Intensitätsmaximum bei 618 nm und besitzen eine Quantenausbeute von ca. 17,3 %. Durch eine Temperaturbehandlung bei 600 °C konnte die Kristallinität der Partikel erhöht werden. Dies führte zu einer Erhöhung der Quantenausbeute auf bis zu 37,2 %. Die Stabilisierung der LaPO4:Ce,Tb Partikel erfolgte im Gegensatz zu YVO4:Eu aus einem Gemisch von Zitronensäure und Phosphorhexansäure. Auf diese Weise konnten stabile wässrige Dispersionen mit 39 nm (hydrodynamischer Durchmesser) großen Partikeln hergestellt werden. Allerdings konnte nicht eindeutig belegt werden, dass es sich LaPO4 mit hexagonalem Kristallsystem handelt, da die Partikel nur sehr schlecht kristallisieren. Daher ist auch die Bestimmung der Kristallitgröße nicht möglich gewesen. Fällt man die Partikel aus wässriger Dispersion aus, so ist anschließend im Fluoreszenzspektrum die charakteristische Tb3+ Lumineszenz mit Intensitätsmaximum bei  = 544 nm nachweisbar. Die Kristallisierung dieser Partikel durch eine Temperaturbehandlung bei 600 °C führte zur Bildung von monoklinem LaPO4. Dabei kam es jedoch zu einem unerwünschten Nebeneffekt. Das im LaPO4:Ce,Tb enthaltene Cer wurde von Ce3+ zu Ce4+ oxidiert und damit die komplette Tb3+-Emission ausgelöscht. Dieser Vorgang ist reversibel, so dass Tempern unter reduktiven Bedingungen die Lumineszenz wieder aktivierte. Um die Partikel in organischen Medien dispergieren zu können, wurde die Oberfläche beider Partikelsysteme mit Octylamin funktionalisiert. Die agglomeratfreien Dispersionen in THF konnten anschließend für Schleuderprozesse zur Dünnfilmerzeugung genutzt werden. Dünne Schichten von YVO4:Eu bzw. LaPO4:Ce,Tb auf Glassubstraten besaßen auch nach Tempern bei 600 °C eine sehr hohe Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich und emittierten charakteristische Fluoreszenz nach Anregung mit UV-Licht. YVO4:Eu beschichtete Substrate wiesen trotz geringer Schichtdicken von ca. 350 nm hohe Quantenausbeuten in Höhe von 22,9 % auf und eignen sich hervorragend für die Verwendung in Gasentladungslampen. Dagegen sind LaPO4:Ce,Tb beschichtete Substrate problematisch, da die Lumineszenz erst durch Reduktion im Wasserstoffstrom aktiviert werden muss (Reduzierung von Ce4+ zu Ce3+). Ziel war es, mit den hergestellten lumineszenten Dünnfilmen eine transparente Gasentladungslampe herzustellen. Bei der Planung der Konstruktion mussten viele Punkte beachtet werden. Dazu gehörte unter anderem die Art des Füllgases, das Elektrodenmaterial, die Abdichtung der Gaskammer, Messung des Kammerdrucks, Art des Dielektrikums und vor allem Spannungsversorgung. Im Verlauf mehrerer Serien wurden die hergestellten Lampen bis zu einem Prototyp laufend in Hinsicht Gasabdichtung, Gaszuführung und Druckkontrolle weiterentwickelt. Letztlich konnte eine funktionierende Gasentladungslampe gebaut werden, die nach Anlegen einer Spannung von 4 kV bei 50 kHz Licht in der Farbe des Leuchtstoffes der Schicht (rot – YVO4:Eu) emittierte.

Mit dieser Arbeit ist weltweit zum ersten Mal die molekulare Dynamik von vereinzelten,d.h. einander nicht berührenden Polymerketten experimentell bestimmt worden. Die Grundlagen dafür sind einerseits die breitbandige dielektrische Spektroskopie mit ihrer außerordentlich hohen experimentellen Empfindlichkeit und andererseits die Weiterentwicklung einer speziellen Probenanordnung, bei der hochleitfähige Silizium-Elektroden durch elektrisch isolierende Siliziumdioxid-Nanostrukturen in einem vordefinierten Abstand gehalten werden und so den Probenkondensator bilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Höhe der Nanostrukturen (und damit des Elektrodenabstands) auf nur 35 nm reduziert. Damit gelang der Nachweis, dass selbst vereinzelte kondensierte Polymer-Knäuel - im Rahmen der Messgenauigkeit - dieselbe Segmentdynamik (bzw. denselben dynamischen Glasübergang), gemessen in ihrer mittleren Relaxationsrate, wie die makroskopische Schmelze („bulk“) aufweisen. Nur ein kleiner Anteil der Segmente zeigt eine langsamere Dynamik, was auf attraktive Wechselwirkungen mit dem Substrat zurückzuführen ist, wie komplementäre Untersuchungen mittels Infrarot-Spektroskopie zeigen. Zudem bieten diese Experimente die Möglichkeit, nach der dielektrischen Messung die mit Nanostrukturen versehene obere Elektrode zu entfernen und die Verteilung der vereinzelten Polymerketten, deren Oberflächenprofile und Volumen mit dem Rasterkraftmikroskop zu bestimmen. Erst damit gelingt der Nachweis, dass die Polymer-Knäuel im Mittel aus einer einzelnen Kette bestehen. Die Kombination dieser drei unabhängigen Messmethoden liefert ein schlüssiges und detailliertes Bild, gekennzeichnet dadurch, dass attraktive Oberflächenwechselwirkungen die Glasdynamik nur über ca. 0,5nm direkt beeinflussen. In einem zweiten Teil trägt die Arbeit mit der Untersuchung dünner Polymerschichten im Nanometer-Bereich zu einer international geführten, kontroversen Diskussion um die Frage, ob sich im Falle solcher räumlichen Begrenzungen der dynamische und kalorimetrische Glasübergang ändern, bei. Dabei zeigt mit den präsentierten dielektrischen und ellipsometrischen Messungen eine Kombination aus einer Methode, die im Gleichgewichtszustand misst und einer, die den Übergang in den Nichtgleichgewichtszustand bestimmt, dass sich sowohl Polystyrol-Schichten verschiedener Molekulargewichte bis zu einer Dicke von nur 5 nm als auch Polymethylmethacrylat-Schichten auf unterschiedlichen (hydrophilen und hydrophoben) Substraten bis zu einer Dicke von 10 nm weder in ihrem dynamischen noch ihrem kalorimetrischen Glasübergang von der makroskopischen Schmelze unterscheiden.

Dielectric elastomer actuators (DEAs) are compliant capacitors, which are able to transduce electrical into mechanical energy and vice versa. As they may be applied in different surrounding conditions and in applications with alternating excitations, it is necessary to investigate both, the thermal behavior and the in fluence of the temperature change during operation. Due to mechanical and electrical loss mechanisms during the energy transfer, the DEA is subjected to an intrinsic heating. In detail, the dielectric material, which has viscoelastic properties, shows a mechanical hysteresis under varying mechanical loads. This behavior leads to a viscoelastic loss of energy in the polymer layer, resulting in a heating of the structure. The non-ideal conduction of the electrode provokes a resistive loss when charging and discharging the electrode layer. Operation with frequencies in the kilohertz-range leads to remarkable local heat dissipation. The viscoelastic material behavior and the resistivity are assumed to be dependent on the temperature and/or on the strain of the material. By this, a back-coupling from the thermal field to the mechanical field or the electrical field is observed. In order to provide a thermal equilibrium, also the convective cooling { the structure is subjected to { has to be considered. Depending on the frequency and the type of electrical driving signal and mechanical load, viscoelastic and resistive heating provide different contributions during the dynamic process. In the present study we capture the described effects within our modeling approach. For a given dielectric elastomer actuator, numerical investigations are performed for a given electrical load.

In der Arbeit wurden sowohl optische, als auch Schwingungs- und Struktur-Eigenschaften poröser Strukturen auf der Basis von n-GaP, n-GaAs und n-InP mit Hilfe der Raman- und FTIR- Spektroskopie untersucht. Speziell den in polaren Materialien auftretenden Fröhlich-Moden wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Es wurden experimentelle Ergebnisse theoretischen Modellen auf der Basis der Effektiven Medien Theorie gegenübergestellt. Die Ergebnisse sollen helfen, Grundkenntnisse über die Eigenschaften poröser Halbleiterstrukturen zu gewinnen, um zum einen Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen und zum anderen das theoretische Modell zur Beschreibung heterogener Medien zu vervollkommnen.