Transition metal oxide coupling with carbon is an effective method for improving electrical conductivity of battery electrodes and avoiding the degradation of their lithium storage capability due to large volume expansion/contraction and severe particle aggregation during the lithium insertion and desertion process. In our present work, we develop an effective approach to fabricate the nanocomposites of porous rod-shaped Fe₃O₄ anchored on reduced graphene oxide (Fe₃O₄/rGO) by controlling the in situ nucleation and growth of β-FeOOH onto the graphene oxide (β-FeOOH/GO) and followed by dielectric barrier discharge (DBD) hydrogen plasma treatment. Such well-designed hierarchical nanostructures are beneficial for maximum utilization of electrochemically active matter in lithium ion batteries and display superior Li uptake with high reversible capacity, good rate capability, and excellent stability, maintaining 890 mA h g⁻¹ capacity over 100 cycles at a current density of 500 mA g⁻¹.

In dieser Arbeit wird die elektroakustische Kopplung zwischen Ladungsträgern in Graphen und akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, SAWs) untersucht. Es werden elektroakustische Bauelemente aus epitaktischem Graphen auf einem SiC-Substraten demonstriert, auf denen eine piezoelektrische ZnO-Schicht abgeschieden wurde, um die Erzeugung und Ausbreitung von SAWs zu verbessern. Eine dünne MgO-Schicht dient zum Schutz des Graphens während der ZnO Sputterbeschichtung. Bei zwei SAW-Moden mit Frequenzen um 2 GHz können wir in Graphen-Baulementen, welche sich im SAW-Ausbreitungsweg befinden, elektroakustische Ströme messen. Ein klassisches Relaxationsmodell der Wechselwirkung zwischen SAWs und den Ladungsträgern eines zweidimensionalen Elektronengases wird zur Erklärung der Ergebnisse herangezogen. Um die akusto-elektrischen Ströme in unseren Graphen-Bauelementen zu erhöhen, verwenden wir zwei Methoden: (1) Verbesserung der elektronischen Eigenschaften von Graphen und (2) Erzeugung starker Spannungsfelder in den Graphen-Bauelementen. Um die elektronischen Eigenschaften von Graphen zu verbessern, verwenden wir eine Methode namens Hydrierung, welche die Grenzfläche zwischen Graphen und dem SiC-Substrat modifiziert. Durch Raman-Charakterisierung belegen wir die Entkopplung von Pufferschicht und SiC-Substrat während des Hydrierungsprozesses, wodurch quasi-freistehendes zweilagiges Graphen mit verbesserten elektronischen Raumtemperatureigenschaften entsteht. Im Hinblick auf die Verstärkung der SAW-Spannungsfelder untersuchen wir die Leistungfähigkeit von interdigitalen Schallwandlern (engl. interdigital transducers, IDTs) mit unterschiedlichen Strukturformen, wie z. B. Splitfinger-IDTs mit Doppelfingern, fokussierende IDTs und tapered-IDTs. Die Oberflächenverschiebung entlang der SAW-Ausbreitungsstrecke wird gemessen, um die Fähigkeit dieser IDT-Strukturformen zu demonstrieren, starke Spannungsfelder in einem begrenzten Bereich anzuregen. / This thesis investigates the acousto-electric coupling between charge carriers in graphene and surface acoustic waves (SAWs). Acousto-electric devices based on epitaxial graphene on a SiC substrate are demonstrated, where a piezoelectric ZnO layer is deposited to enhance the SAW generation and propagation. A thin MgO layer is used to protect the graphene during the sputtering of the ZnO layer. By Raman spectroscopy and electronic characterization, we show that the structural and electrical properties of graphene are well preserved after the layer deposition. For two SAW modes with frequencies around 2 GHz, we measure acousto-electric currents in graphene devices placed at the SAW propagation path. A classical relaxation model of the interaction between SAWs and charge carriers in a two-dimensional electron gas is used to explain the results. In order to enhance the acousto-electric currents in our graphene devices, we take approaches in two directions: (1) improving the electronic properties of graphene and (2) exciting strong SAW fields in graphene devices. To improve the electronic properties of graphene, we use a method called hydrogenation to modify the interface between graphene and the SiC substrate. By Raman characterization, we confirm the decoupling of the buffer layer after the hydrogenation process, obtaining quasi-free-standing bilayer graphene with improved electronic properties at room temperature. Regarding the enhancement of the SAW field intensity, we investigate the performance of several types of interdigital transducers (IDTs) such as split-finger IDTs, focusing IDTs and tapered IDTs. Surface displacement along the SAW propagation path is measured to demonstrate the capability of these IDT designs to excite strong SAW fields in a confined area.

No description available.

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Electroconductive cellulose-based fibres were fabricated by depositing multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) on the surface using a simple and scalable dip coating. The morphology, mechanical properties and conductive properties of the resultant MWNT–cellulose fibres were investigated by scanning electron microscopy, tensile testing and electrical resistance measurement, respectively. The resistance (RL) of the single MWNT–cellulose fibre can be controlled in a wide range of 50–200 000 kΩ cmˉ¹ by varying the conditions of dip coating. The sensing behaviour of these fibres to liquid water was investigated in detail. The results showed that they exhibit rapid response, high sensitivity and good reproducibility to water, with a relative electrical resistance change of about 100–8000% depending on the initial resistance. It was proposed that the disconnection of MWNT networks caused by swelling effects of the cellulose fibres is the dominant mechanism. Moreover, the sensitivity of the MWNT–cellulose fibres to an electrolyte solution was also investigated.

(ULSI) causes an increase of the resistance of the wiring system by increased scattering of electrons at side walls and grain boundaries in the state of the art Cu technology, which increases the RC delay of the interconnect system and thus degrades the performance of the device. The outstanding properties of carbon nanotubes (CNT) such as a large mean free path, a high thermal conductance and a large resistance against electromigration make them an ideal candidate to replace Cu in future feature nodes. The present thesis contributes to the preparation and properties of CNT based vertical interconnections (vias). In addition, all processes applied during the fabrication are compatible to ULSI and an interface between CNT based vias and a Cu metallization is studied. The methodology for the evaluation of CNT based vias is improved; it is highlighted that by measuring the resistance of one multiwall CNT and taking into account the CNT density, the performance of the CNT based vias can be predicted accurately. This provides the means for a systematic evaluation of different integration procedures and materials. The lowest contact resistance is obtained for carbide forming metals, as long as oxidation during the integration is avoided. Even though metal-nitrides exhibit an enhanced contact resistance, they are recommended to be used at the bottom metallization in order to minimize the oxidation of the metal-CNT contact during subsequent processing steps. Overall a ranking for the materials from the lowest to the highest contact resistance is obtained: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Furthermore the impact of post CNT growth procedures as chemical mechanical planarization, HF treatment and annealing procedures after the CNT based via fabrication are evaluated. The conductance of the incorporated CNTs and the applicable electrical transport regime relative to the CNT quality and the CNT length is discussed. In addition, a strong correlation between the temperature coefficient of resistance and the initial resistance of the CNT based vias at room temperature has been observed. / Die kontinuierliche Miniaturisierung der charakteristischen Abmessungen in hochintegrierten Schaltungen (ULSI) verursacht einen Anstieg des Widerstandes im Zuleitungssystem aufgrund der erhöhten Streuung von Elektronen an Seitenwänden und Korngrenzen in der Cu-Technologie, wodurch die Verzögerungszeit des Zuleitungssystems ansteigt. Die herausragenden Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (CNT), wie eine große mittlere freie Weglänge, hohe thermische Leitfähigkeit und eine starke Resistenz gegenüber Elektromigration machen diese zu einem idealen Kandidaten, um Cu in zukünftigen Technologiegenerationen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und daraus resultierenden Eigenschaften von Zwischenebenenkontakten (Vias) basierend auf CNTs. Alle verwendeten Prozessierungsschritte sind kompatibel mit der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen und eine Schnittstelle zwischen den CNT Vias und einer Cu-Metallisierung ist vorhanden. Insbesondere das Verfahren zur Evaluierung von CNT Vias wurde durch den Einsatz verschiedener Methoden verbessert. Insbesondere soll hervorgehoben werden, dass durch die Messung des Widerstandes eines einzelnen CNTs, bei bekannter CNT Dichte, der Via Widerstand sehr genau vorausgesagt werden kann. Dies ermöglicht eine systematische Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Prozessschritte und der darin verwendeten Materialien auf den Via Widerstand. Der niedrigste Kontaktwiderstand wird für Karbidformierende Metalle erreicht, solange Oxidationsprozesse ausgeschlossen werden können. Obwohl Metallnitride einen höheren Kontaktwiderstand aufweisen, sind diese für die Unterseitenmetallisierung zu empfehlen, da dadurch die Oxidation der leitfähigen Schicht minimiert wird. Insgesamt kann eine Reihenfolge beginnend mit dem niedrigsten zum höchsten Kontaktwiderstand aufgestellt werden: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Desweiteren wurde der Einfluss von Verfahren nach dem CNTWachstum wie die chemischmechanische Planarisierung, eine HF Behandlung und einer Temperaturbehandlung evaluiert, sowie deren Einfluss auf die elektrischen Parameter des Vias untersucht. Die Leitfähigkeit der integrierten CNTs und die daraus resultierenden elektrischen Transporteigenschaften in Abhängigkeit der CNT Qualität und Länge werden besprochen. Ebenso wird die starke Korrelation zwischen dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und des Ausgangswiderstandes der CNT basierten Vias bei Raumtemperatur diskutiert.

Neue elektrische Antriebskonzepte ermöglichen es, eine hohe Funktionalität in einem eingeschränkten Bauraum unterzubringen. Damit steigt auch in der Landwirtschaft das Interesse an elektrischen Antrieben. Die Projektgruppe Elektrische Maschinen und Antriebe der HTW Dresden beteiligt sich mit der TU Dresden an einem Projekt, bei dem beginnend mit der elektrisch angetriebenen Dreschtrommel umfassend an einem Mähdrescher untersucht wird, wie diese Antriebe in einzelne Funktionselemente integriert werden können. Neben der Auslegung der Antriebe werden Verfahren erarbeitet, die Verluste im Motor mit hoher Genauigkeit zu berechnen. So können in Zukunft passgenaue Kühlkonzepte für diese Antriebstechnik entwickelt werden. Anforderungen gerade im Bereich der Elektromobilität fordern den Blick für neue Materialien, deren elektromagnetisches und thermisches Verhalten werden in ihrem Einfluss auf die Erwärmung untersucht. Analytische und kombinierte Berechnungsmethoden in 2D-FEM gestatten die vereinfachte Rechnung unter Berücksichtigung von Grundwelle und entstehenden Harmonischen zu qualifizieren. Verlustberechnungen aus der transienten FEM-Rechnung ermöglichen diese Verbesserung. Die Methode wird am Beispiel der elektrischen Dreschtrommel mit den berechneten Verlustverteilungen beschrieben. Neue Methoden der 3D-FEM, wie sie die Software Ansys bietet, werden für die Nutzung von Einflüssen der Wirbelstromeffekte und in Auswertung für die Segmentierung von Permanentmagneten dargestellt. Die exemplarisch gewonnenen Erkenntnisse liefern einen Beitrag für weitere Schneidwerksantriebe am Mähdrescher, aber auch darüber hinaus in Projekten mit Herstellern elektrischer Maschinen. / New concepts for electrical drives make it possible to put a high functionality into a restricted structural form. Thereby the interest in electrical drives increases also in the farming. The project team Electrical machines and drives of the HTW Dresden participates together with the TU Dresden in a project, where starting with the electrically driven threshing cylinder is comprehensively examined at a combine harvester, how these drives can be integrated into single function elements. Besides the dimensioning of the drives are developed methods to calculate losses in the engine with high precision. So custom-fit cooling concepts can be developed for this drive technology in future. Requirements just in the area of the electric mobility call looking for new materials, whose electromagnetic and thermic behavior are examined in her influence on the warming. Analytical and combined computation methods in 2D-FEM allow the simplified calculation under consideration of the fundamental wave and the arising harmonic ones. Loss calculations by means of the transient FEM calculation make possible this improvement. The method is described at the example of the electrical threshing cylinder with the calculated loss distributions. New methods of the 3D-FEM, as the software of Ansys offers, are presented for the use of influences of the eddy current effects and in evaluation for the segmentation of permanent magnets. The exemplarily got knowledge provides a contribution for further cut header drives at the combine but also furthermore in projects together with manufacturers of electrical machines.

Neue elektrische Antriebskonzepte ermöglichen es, eine hohe Funktionalität in einem eingeschränkten Bauraum unterzubringen. Damit steigt auch in der Landwirtschaft das Interesse an elektrischen Antrieben. Die Projektgruppe Elektrische Maschinen und Antriebe der HTW Dresden beteiligt sich mit der TU Dresden an einem Projekt, bei dem beginnend mit der elektrisch angetriebenen Dreschtrommel umfassend an einem Mähdrescher untersucht wird, wie diese Antriebe in einzelne Funktionselemente integriert werden können. Neben der Auslegung der Antriebe werden Verfahren erarbeitet, die Verluste im Motor mit hoher Genauigkeit zu berechnen. So können in Zukunft passgenaue Kühlkonzepte für diese Antriebstechnik entwickelt werden. Anforderungen gerade im Bereich der Elektromobilität fordern den Blick für neue Materialien, deren elektromagnetisches und thermisches Verhalten werden in ihrem Einfluss auf die Erwärmung untersucht. Analytische und kombinierte Berechnungsmethoden in 2D-FEM gestatten die vereinfachte Rechnung unter Berücksichtigung von Grundwelle und entstehenden Harmonischen zu qualifizieren. Verlustberechnungen aus der transienten FEM-Rechnung ermöglichen diese Verbesserung. Die Methode wird am Beispiel der elektrischen Dreschtrommel mit den berechneten Verlustverteilungen beschrieben. Neue Methoden der 3D-FEM, wie sie die Software Ansys bietet, werden für die Nutzung von Einflüssen der Wirbelstromeffekte und in Auswertung für die Segmentierung von Permanentmagneten dargestellt. Die exemplarisch gewonnenen Erkenntnisse liefern einen Beitrag für weitere Schneidwerksantriebe am Mähdrescher, aber auch darüber hinaus in Projekten mit Herstellern elektrischer Maschinen. / New concepts for electrical drives make it possible to put a high functionality into a restricted structural form. Thereby the interest in electrical drives increases also in the farming. The project team Electrical machines and drives of the HTW Dresden participates together with the TU Dresden in a project, where starting with the electrically driven threshing cylinder is comprehensively examined at a combine harvester, how these drives can be integrated into single function elements. Besides the dimensioning of the drives are developed methods to calculate losses in the engine with high precision. So custom-fit cooling concepts can be developed for this drive technology in future. Requirements just in the area of the electric mobility call looking for new materials, whose electromagnetic and thermic behavior are examined in her influence on the warming. Analytical and combined computation methods in 2D-FEM allow the simplified calculation under consideration of the fundamental wave and the arising harmonic ones. Loss calculations by means of the transient FEM calculation make possible this improvement. The method is described at the example of the electrical threshing cylinder with the calculated loss distributions. New methods of the 3D-FEM, as the software of Ansys offers, are presented for the use of influences of the eddy current effects and in evaluation for the segmentation of permanent magnets. The exemplarily got knowledge provides a contribution for further cut header drives at the combine but also furthermore in projects together with manufacturers of electrical machines.

(ULSI) causes an increase of the resistance of the wiring system by increased scattering of electrons at side walls and grain boundaries in the state of the art Cu technology, which increases the RC delay of the interconnect system and thus degrades the performance of the device. The outstanding properties of carbon nanotubes (CNT) such as a large mean free path, a high thermal conductance and a large resistance against electromigration make them an ideal candidate to replace Cu in future feature nodes. The present thesis contributes to the preparation and properties of CNT based vertical interconnections (vias). In addition, all processes applied during the fabrication are compatible to ULSI and an interface between CNT based vias and a Cu metallization is studied. The methodology for the evaluation of CNT based vias is improved; it is highlighted that by measuring the resistance of one multiwall CNT and taking into account the CNT density, the performance of the CNT based vias can be predicted accurately. This provides the means for a systematic evaluation of different integration procedures and materials. The lowest contact resistance is obtained for carbide forming metals, as long as oxidation during the integration is avoided. Even though metal-nitrides exhibit an enhanced contact resistance, they are recommended to be used at the bottom metallization in order to minimize the oxidation of the metal-CNT contact during subsequent processing steps. Overall a ranking for the materials from the lowest to the highest contact resistance is obtained: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Furthermore the impact of post CNT growth procedures as chemical mechanical planarization, HF treatment and annealing procedures after the CNT based via fabrication are evaluated. The conductance of the incorporated CNTs and the applicable electrical transport regime relative to the CNT quality and the CNT length is discussed. In addition, a strong correlation between the temperature coefficient of resistance and the initial resistance of the CNT based vias at room temperature has been observed. / Die kontinuierliche Miniaturisierung der charakteristischen Abmessungen in hochintegrierten Schaltungen (ULSI) verursacht einen Anstieg des Widerstandes im Zuleitungssystem aufgrund der erhöhten Streuung von Elektronen an Seitenwänden und Korngrenzen in der Cu-Technologie, wodurch die Verzögerungszeit des Zuleitungssystems ansteigt. Die herausragenden Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren (CNT), wie eine große mittlere freie Weglänge, hohe thermische Leitfähigkeit und eine starke Resistenz gegenüber Elektromigration machen diese zu einem idealen Kandidaten, um Cu in zukünftigen Technologiegenerationen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und daraus resultierenden Eigenschaften von Zwischenebenenkontakten (Vias) basierend auf CNTs. Alle verwendeten Prozessierungsschritte sind kompatibel mit der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen und eine Schnittstelle zwischen den CNT Vias und einer Cu-Metallisierung ist vorhanden. Insbesondere das Verfahren zur Evaluierung von CNT Vias wurde durch den Einsatz verschiedener Methoden verbessert. Insbesondere soll hervorgehoben werden, dass durch die Messung des Widerstandes eines einzelnen CNTs, bei bekannter CNT Dichte, der Via Widerstand sehr genau vorausgesagt werden kann. Dies ermöglicht eine systematische Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Prozessschritte und der darin verwendeten Materialien auf den Via Widerstand. Der niedrigste Kontaktwiderstand wird für Karbidformierende Metalle erreicht, solange Oxidationsprozesse ausgeschlossen werden können. Obwohl Metallnitride einen höheren Kontaktwiderstand aufweisen, sind diese für die Unterseitenmetallisierung zu empfehlen, da dadurch die Oxidation der leitfähigen Schicht minimiert wird. Insgesamt kann eine Reihenfolge beginnend mit dem niedrigsten zum höchsten Kontaktwiderstand aufgestellt werden: Ta < Ti < TaN < TiN « TiO2 « Ta2O5 Desweiteren wurde der Einfluss von Verfahren nach dem CNTWachstum wie die chemischmechanische Planarisierung, eine HF Behandlung und einer Temperaturbehandlung evaluiert, sowie deren Einfluss auf die elektrischen Parameter des Vias untersucht. Die Leitfähigkeit der integrierten CNTs und die daraus resultierenden elektrischen Transporteigenschaften in Abhängigkeit der CNT Qualität und Länge werden besprochen. Ebenso wird die starke Korrelation zwischen dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes und des Ausgangswiderstandes der CNT basierten Vias bei Raumtemperatur diskutiert.