Mit der Entdeckung des Gleichrichter-Effekts 1873 wurde der theoretische Grundstein für die Halbleiter-Diode gelegt. Heutzutage sind Dioden auf nahezu allen elektronischen Schaltungen zu finden. Sie erfüllen dabei unterschiedlichste Aufgaben und finden Anwendung zum Beispiel als Gleichrichter, RF-Widerstand oder ESD-Schutzstruktur. Dioden basieren auf einem p/n-Übergang, welcher den Stromfluss in eine Richtung passieren lässt und in die andere Richtung sperrt. Bei PIN-Dioden wird zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Zone noch ein intrinsisches bzw. niedrig dotiertes Gebiet eingefügt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Silizium- und GaAs- basierte PIN-Dioden für den Einsatz als ESD-Schutzstruktur und für Anwendungen in der Leistungselektronik untersucht. Mit Hilfe von TCAD-Simulationen wurden verschiedene Eigenschaften der PIN-Dioden unter Einwirkung eines ESD-Ereignisses analysiert. Die Bildung und Bewegung von Stromfilamenten konnte dabei beobachtet werden. Es stellte sich heraus, dass die Geometrie der Schutzdiode einen direkten Einfluss auf deren Lebensdauer hat. Es konnten Designvorschläge für ein optimiertes ESD-Schutzverhalten gemacht werden. Zur Validierung der Ergebnisse wurden verschiedene PIN-Dioden hergestellt und mittels TLP-Messung charakterisiert. Bei sehr schmalen Strukturgrößen konnten mehrere Spannungsabfälle beobachtet werden, was auf das Vorhandensein mehrerer Stromfilamente hindeutet. Diese Vermutung konnte anhand von TCAD-Simulationen bestätigt werden. Zur Analyse eines Layouts auf dessen ESD-Robustheit sind zeitintensive TCAD-Simulationen ungeeignet. Aus diesem Grund wurden auf Basis der TLP-Messungen und TCAD-Simulationen layoutabhängige Kompaktmodelle entwickelt. Diese ermöglichen eine schnelle Simulation der rückläufigen Kennlinie einer in Sperrrichtung vorgespannten PIN-Diode. Zusätzlich konnten die Bildung und Bewegung eines Stromfilaments nachgebildet werden. Im Hinblick auf Anwendungsmöglichkeiten in der Leistungselektronik, wurden Untersuchungen an GaAs-basierten PIN-Dioden durchgeführt. Diese zeichnen sich vor allem durch deutlich höhere Durchbruchspannungen aus. Mit TCAD-Simulationen und Hochspannungsmessungen wurden die Dioden charakterisiert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen konnte ein analytisches Modell abgeleitet werden, was eine Optimierung der Diodenstruktur im Hinblick auf die Durchbruchspannung ermöglichte.

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Amorphous, hydrogenated carbon films (a-C:H) have been prepared in a PECVD device from methane and ethine as the source gases.The aim was to deposit films at high growth rates while keeping high hardness (25 ± 3 GPa). Hardness, hydrogen content and surface roughness were investigated dependent on the process conditions. Further investigation showed, that the mechanical properties of the a-C:H films are determined by the energy of the ions and the ratio between the film forming ion and the film forming neutral fluxes. On the basis of the collected data the optimal deposition conditions were determined and suggestions for further improvement of the deposition were made. / Amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) wurden mittels PECVD-Verfahren abgeschieden, wobei Methan und Ethin als Quellgase verwendet wurde. Ziel war dabei die Abscheidung der Schichten mit hohen Aufwachsraten unter Beibehaltung hoher Härten (25 ± 3 GPa). Härte, Wasserstoffgehalt und Oberflächenrauhigkeit der Schichten wurden in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen untersucht. Weitere Untersuchungen zeigten, daß die mechanischen Eigenschaften der a-C:H Schichten von der Energie der Ionen und dem Verhältnis der schichtbildenden Ionen- und Neutralteilchenflüsse bestimmt werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten können die optimalen Abscheidebedingungen festgelegt, und Vorschläge zur weiteren Verbesserung der Schichtabscheidung gemacht werden.

Eine der bedeutendsten technischen Errungenschaften des letzten Jahrhunderts beinhaltet zweifelsfrei die Erfindung des Lasers. Bereits wenige Jahrzehnte nach seiner ersten technischen Umsetzung ist er heute aus so unterschiedlichen Anwendungsbereichen wie der Mess- und Regeltechnik, der Unterhaltungselektronik, sowie der industriellen Fertigung und Materialbearbeitung nicht mehr wegzudenken. Die analytische Chemie bildet hier keine Ausnahme. Die Möglichkeit mittels Laserstrahlung sowohl räumlich als auch zeitlich definiert einen maßgeschneiderten Energieeintrag in Materialsysteme vorzunehmen, wird heute umfangreich in diversen Analyseverfahren eingesetzt. Ein Meilenstein auf dem Gebiet der Laserentwicklung stellt die Einführung diodengepumpter Festkörperlaser (DPSS) dar. Diese neuartige Lasergeneration vereint die Vorteile einer begünstigten Energiebilanz durch resonante Anregung im Lasermedium mit einer erhöhten Flexibilität der zeitlichen Modulation der Laserausgangsleistung. Während DPSS Laser auf dem Gebiet der Materialbearbeitung bereits die Hälfte des Marktanteils ausmachen, finden sie bislang in den analytischen Wissenschaften nur wenig Verbreitung. Auch hier könnten die inhärenten Vorteile von DPSS Lasern bezüglich Konversionseffizienz, Stabilität, Flexibilität und Strahlprofil maßgeblich zu einer Optimierung relevanter Teilschritte beitragen. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke, indem sie die Anwendbarkeit eines modernen DPSS Lasers für solch unterschiedliche Aufgaben wie der Laserablation, der Raman-Spektroskopie, der atomaren und molekularen Emissionsspektroskopie, bis hin zur Erzeugung eines neuartigen quasi-kontinuierlichen, luftgetragenen Plasmas für die Atmosphärendruck-Ionisation untersucht. In allen Studien konnten die Verbesserungen der jeweiligen analytischen Verfahren auf die Eigenschaften des verwendeten Lasers zurückgeführt werden. / Without any doubt, one of the most momentous technical achievements of the last century has been the invention of the laser. Today, merely some decades after its first technical realization, the laser has established a leading role in such broad application fields as sensing and control engineering, consumer electronics, as well as industrial production and materials processing. Analytical chemistry does not make an exception. The possibility of both spatially and temporally well-confined introduction of precisely dosed and defined energy into any material is nowadays widely exploited in a plethora of analytical techniques. A milestone in the field of laser technology was the advent of diode-pumped solid-state (DPSS) lasers. This new generation of laser systems combines the benefits of an advantageous energy balance, caused by resonant excitation of the laser medium, with an enhancement in flexibility in terms of modulation of the laser output. While DPSS lasers already account for half of the devices used in materials processing, the dissemination in the analytical sciences has so far hardly occurred. Also here, the inherent advantages of DPSS lasers regarding efficiency, reliability, flexibility, and beam profile could greatly contribute in a multitude of analytically relevant sub-steps. This thesis closes this gap by studying the applicability of a current state-of-the-art DPSS laser for as different tasks as laser ablation, Raman spectroscopy, atomic and molecular emission spectroscopy, all the way to generating a generally new quasi-continuous airborne plasma for ambient ionization. In all cases studied, the improvement of the respective analytical techniques could be ascribed to the intrinsic properties of the used laser.

Memristor, defined as a two-terminal device which exhibits a pinched hysteresis loop in the current-voltage characteristics, is a main component of the resistive random access memory. Both memristor and memristive phenomena, known also as resistive switching (RS), have been thoroughly investigated in the past nearly two decades. This dissertation investigates YMnO3 thin films and explores a new concept concerning utilization of multiferroic properties for activation and/or enhancement of RS. It is hypothesized that the charged domain walls and/or vortex cores in YMnO3 thin films can act as an effective nanoscale features which support formation of the conductive filaments and, in consequence, enable development of an electroforming-free memristive structure. Results of the electrical characterization of YMnO3-based metal-insulator-metal structures indicate that hexagonal YMnO3 films deposited on metal-coated oxide substrate exhibit electroforming-free unipolar resistive switching (URS) while orthorhombic YMnO3 films grown on the doped oxide substrate show bipolar resistive switching (BRS). Observed URS is assigned to the formation and rupture of conductive, metallic-like filaments induced by the thermo-chemical phenomena. Results of polarity-dependent studies reveal that formation of conductive filaments proceeds in the electrostatic discharge event which is followed by their irreversible rupture during the reset process. Main properties of the observed URS include very good retention of programmed states, large memory window (between 10E+2 and 10E+4), high voltage and current required for set and reset, respectively, and low endurance. BRS is attributed to the complementary electronic and ionic processes within the p-n junction formed at the interface between p-YMnO3 and n-type oxide substrate. Results of ferroelectric characterization reveal that resistively switching YMnO3 films do not exhibit ferroelectric properties. Therefore, observed RS in YMnO3-based structures can not be directly related to the presence of charged domain walls and/or multiferroic vortex cores. Prospective functionality extension of YMnO3-based memristive devices is developed and presented on the example of photodetecting properties of metal-YMnO3-insulator-semiconductor stacks. Studies conducted within the framework of this doctoral dissertation investigate the resistive switching behaviour of YMnO3-based junctions. Obtained results contribute to the better understanding of the resistive switching and failure mechanisms in ternary oxides, and provide hints toward device engineering. / Der Memristor ist definiert als eine Zweipol-Vorrichtung, die eine hysteretische Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist. Memristoren sind nichtflüchtige Widerstandsspeicher, deren elektrischer Widerstand mittels elektrischer Spannungspulse verändert werden kann. Sowohl Memristoren als auch memristive Widerstandsschalter (RS) werden seit mehr als zwei Jahrzehnten intensiv untersucht. Diese Dissertation untersucht YMnO3-Dünnschichten mit zirkularen Vorderseiten-Elektroden und unstrukturierten Rückseiten-Elektroden und erforscht ein neues Konzept über die Nutzung der multiferroischen Eigenschaften für die Aktivierung und/oder Verbesserung des memristiven Verhaltens. Es wird angenommen, dass die geladenen Domänenwände und/oder Vortices in YMnO3-Dünnschichten die Bildung leitfähiger Filamente wirksam unterstützt und folglich die Entwicklung eines neuartigen, formierungs-freiem Widerstandsspeichersermöglicht. Die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung von YMnO3-basierten Widerstandsschalter zeigen unipolares RS (URS), wenn eine metallische Rückseitenelektrode verwendet wird und bipolares RS (BRS), wenn als Rückseitenelektrode ein metallisch leitendes Oxid-Substrat verwendet werden. Das URS wird als thermochemisches RS klassifiziert und mit der Bildung und Auflösung metallisch leitender Filamente korreliert. Das BRS wird auf das Einfangen/Freigeben von Defekten in der Raumladungszone des YMnO3 im pn-Übergang von p-YMnO3/n-Nb:SrTiO3-Strukturen zurückgeführt. Die wichtigsten Eigenschaften des formierungsfreien URS sind die sehr gute Retention der programmiertenWiderstandszustände, große Speicherfenster (zwischen 10E+2 und 10E+4), die hohe Schreibspannung für den Set-Prozess und der hohe Schreibstrom für den Reset-Prozess. Die Endurance ist aufgrund der Degradation des Vorderseiten-Elektrode gering. Die Ergebnisse des polaritätsabhängigen Widerstandsschaltens zeigen, dass der Set-Prozess mit elektrostatischer Entladung einhergeht. Die ferroelektrische Charakterisierung zeigt, dass die YMnO3–Dünnfilme keine ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen. Daher kann das beobachtete URS nicht direkt auf die Anwesenheit von geladenen Domänenwände und Vortices zurückgeführt werden. Darüberhinaus wurden die photodetektierenden Eigenschaften von Metall-YMnO3-Isulator-Halbleiter-Stacks als potenzielle Erweiterung der Funktionalität von YMnO3-basierten memristiven Bauelementen vorgestellt und vorgeschlagen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde das Widerstandsschalten von multiferroischen, YMnO3-basierten Widerstandsschaltern untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis des Widerstandsschaltens von multiferroischen Materialien bei.

Die wirtschaftlich vorteilhafte Gestaltung von Geothermiesystemen ist für die Energiewende von zentraler Bedeutung. Das Elektro-Impuls-Verfahren (EIV) bietet ein großes Potential für eine signifikante Reduktion des wirtschaftlichen Risikos beim Abteufen einer Bohrung im Hartgestein für tiefe Geothermie, da es einerseits die Bohrgeschwindigkeit erhöhen sowie andererseits die Standzeit des „Meißels“ erheblich verlängern kann. Es nutzt die zerstörende Wirkung elektrischer Entladungen. Der Hauptvorteil ist, dass nahezu kein mechanischer Verschleiß vorliegt. Der Abbrand an den Elektrodenspitzen durch die elektrischen Impulse ist vernachlässigbar gering. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob und unter welchen Voraussetzungen das neuartige auf dem EIV basierende Bohrsystem in der Tiefbohrtechnik und im speziellen zum Abteufen tiefer Geothermiebohrung eingesetzt werden kann. Die Untersuchung des Standes der Technik erbrachte, dass es bereits F&E-Projekte für den Einsatz des EIV in der Tiefbohrtechnik gibt. Keines der entwickelten Systeme konnte bisher zur Marktreife gebracht werden. Um diesen wichtigen Schritt mit dem in der Arbeit vorgestellten System zu gewährleisten, wurden alle normativen und regulativen Randbedingungen zusammengestellt, bewertet und auf deren Einhaltung in allen Entwicklungsschritten geachtet. Die im Labor mit dem EIV-Bohrsystem durchgeführten Versuche wurden hinsichtlich spezifischer Energie und Bohrlochqualität ausgewertet und die Ergebnisse mit Werten aus der Praxis verglichen. Es zeigte sich, dass der benötigte Energiebedarf zum Lösen des Gesteins sowie die erreichte Bohrlochqualität vergleichbar mit herkömmlichen Bohrverfahren ist. Somit ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in der Tiefbohrtechnik gegeben. Darüber hinaus wurde die Wirtschaftlichkeit an einer Beispielbohrung betrachtet. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigte, dass durch die Erhöhung der Standzeit und der damit einhergehenden Reduzierung der nicht-produktiven Zeit eine Kostenersparnis von bis zu 30 % möglich ist. Ein Feldversuch mit dem Laborprototyp in einer flachen Bohrung führte zu dem Ergebnis, dass es möglich ist, das EIV unter realen Bedingungen einzusetzen und einen Abtrag zu erzielen. Im Ergebnis des Praxisversuches und dessen Auswertung steht der Nachweis, dass die angestrebte Zielstellung erreicht wurde und das EIV wirtschaftlich eingesetzt werden kann.:Symbolverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XII 1 Einleitung 1 2 Das Elektro-Impuls-Verfahren 4 2.1 Grundprinzip 4 2.1.1 Hochspannungsentladung 4 2.1.2 Funktionsweise des Elektro-Impuls-Verfahrens 6 2.1.3 Erzeugung der Hochspannungsimpulse 10 2.2 Stand der Technik 11 2.2.1 EIV zur Gesteinszerkleinerung 11 2.2.2 EIV in der Tiefbohrtechnik 15 2.2.3 Hochspannungsentladungen in anderen Anwendungsgebieten 23 3 Entwicklung eines EIV-Bohrsystems 28 3.1 Konzept und Aufbau des EIV-Bohrsystems 28 3.1.1 Gehäuse 29 3.1.2 Elektrode 30 3.1.3 Impulsspannungsgenerator 32 3.1.4 Gleichrichter, Transformator und Generator 33 3.1.5 Getriebe 36 3.1.6 Dichtungssystem 43 3.1.7 Antrieb für den Generator 48 3.2 Anforderungen an die Komponenten des EIV-Bohrsystems 54 3.2.1 Normen 54 3.2.2 Aufbau eines konventionellen Bohrstranges 55 3.2.3 Mechanische und physikalische Eigenschaften der Bohrgarnitur 59 3.2.4 Geometrische Eigenschaften der Bohrgarnitur 61 3.3 Beanspruchungen der Komponenten des EIV-Bohrsystems 63 4 EIV – Laborversuche 70 4.1 Versuchsstand Grundlagenversuche 70 4.1.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 70 4.1.2 Ergebnisse der Grundlagenversuche 71 4.2 Versuchsstand Hochdruckversuche 73 4.2.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 73 4.2.2 Ergebnisse der Hochdruckversuche 74 4.3 Versuchsstand Bohrlochmaßstab 76 4.3.1 Aufbau des Versuchsstandes und Versuchsdurchführung 76 4.3.2 Ergebnisse der Versuche im Bohrlochmaßstab 78 5 In-Situ-Versuch 79 5.1 Versuchsvorbereitung 79 5.2 Bohrplatz 81 5.3 Versuchsdurchführung 85 5.4 Ergebnisse 86 6 Vergleich mit anderen Bohrverfahren 90 6.1 Spezifische Energie 90 6.1.1 Definition spezifische Energie 90 6.1.2 Beispiele für die spezifische Energie 95 6.1.3 Spezifische Energie des Elektro-Impuls-Verfahrens 96 6.2 Beurteilung der Bohrlochqualität 98 6.2.1 Definition der Bohrlochqualität 98 6.2.2 Kaliberlog 104 6.2.3 Werte aus der Praxis 106 6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 110 7 Zusammenfassung 116 8 Literaturverzeichnis 120 Anlagen 132

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