The increasing share of renewable energies in the power sector influences the economic viability of investments in new conventional power plants. Many studies have investigated these issues by considering power plant operation or the long-term development of the power plant fleet. However, power plant decommissioning, investment and operation are intrinsically linked. This doctoral thesis therefore presents a modelling framework for an integrated consideration of power plant decommissioning, investment and operation. In a case study focusing on Germany, the effects of the integration of renewable energies on power plant decommissioning, investment and operation are evaluated in the context of different assumptions regarding the remaining lifetime of nuclear power plants. With regard to the use of nuclear power, a phase-out scenario and a scenario with lifetime extension of nuclear power plants (by on average 12 years) are considered. The results show that static decommissioning (i.e. considering fixed technical lifetimes) underestimates the capacity available in the power sector in the scenario without lifetime extension since retrofit measures (versus decommissioning) are not taken into account. In contrast, capacity available in the case of nuclear lifetime extension is overestimated since mothballing (versus regular operation) is not considered. If the impact on decommissioning decisions of profit margins accrued during power plant operation are considered (“dynamic decommissioning”), the electricity price reduction effect due to a lifetime extension is reduced by more than half in comparison to static decommissioning. Scarcity situations do not differ significantly between the scenarios with and without lifetime extension with dynamic decommissioning; in contrast, there is a significantly higher need for imports without lifetime extension with static decommissioning. The case study demonstrates that further system flexibility is needed for the integration of renewable energies. It can be further concluded that the share of flexible power plants is higher with the phase-out of nuclear power plants. With regard to the decommissioning dynamics, the phase-out can be considered as beneficial for the economic viability of fossil power plants. Furthermore, the phase-out does not, overall, lead to environmental disadvantages in the medium term, but may be beneficial in the long run since lock-in effects are avoided. Further research is required with regard to the consideration of future flexibility options and a new market design. / Der steigende Anteil erneuerbarer Energien beeinflusst die Wirtschaftlichkeit von Investitionen in neue konventionelle Kraftwerke. Zahlreiche Studien haben diese Aspekte in Bezug auf den Kraftwerksbetrieb oder die langfristige Entwicklung des Kraftwerksparks untersucht. Stilllegungen, Investitionen und Betrieb im Kraftwerkspark bedingen jedoch einander. Aus diesem Grund wird in dieser Doktorarbeit ein Modellierungsansatz für eine integrierte Betrachtung von Kraftwerksstilllegung, -investition und -betrieb vorgestellt. In einer Fallstudie für Deutschland werden die Auswirkungen einer Integration erneuerbarer Energien auf Kraftwerksstilllegung, -investition und -betrieb im Zusammenhang mit unterschiedlichen Annahmen über die Restlaufzeit von Kernkraftwerken untersucht. Bezogen auf die Nutzung der Kernenergie wird hierbei ein Ausstiegsszenario sowie ein Laufzeitverlängerungsszenario (Verlän-gerung der Laufzeit um durchschnittlich 12 Jahre) betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die statische Stilllegung (d.h. die Betrachtung fester technischer Lebensdauern) im Fall eines Verzichts auf die Laufzeitverlängerung die im Kraftwerkspark verfügbare Leistung unterschätzt, da Retrofit-Maßnahmen (im Vergleich zur Stilllegung) nicht berücksichtigt werden. Die verfügbare Leistung im Falle einer Laufzeitverlängerung wird dagegen überschätzt, da die Möglichkeit der Kaltreserve (im Vergleich zum regulären Betrieb) vernachlässigt wird. Werden die Rückwirkungen der im Betrieb erwirtschaftbaren Deckungsbeiträge auf Stilllegungsentscheidungen (“dynamische Stilllegung”) betrachtet, so wird der strompreissenkende Effekt durch die Laufzeitverlängerung im Vergleich zur statischen Stilllegung mehr als halbiert. Knappheitssitutationen unterscheiden sich nicht wesentlich mit und ohne Laufzeitverlängerung im Fall der dynamischen Stilllegung, während bei statischer Stilllegung ohne Laufzeitzeitverlängerung ein deutlich größerer Importbedarf besteht. Die Fallstudie zeigt, dass weitere Systemflexibilitäten für die Integration erneuerbarer Energien benötigt werden. Der Anteil flexibler Kraftwerke ist größer im Fall des Kernenergieausstiegs. Der Kernenergieausstieg wirkt sich in Bezug auf die Stilllegungsdynamik positiv auf die Wirtschaftlichkeit fossiler Kraftwerke aus. Insgesamt führt der Kernenergieausstieg zu keinen mittelfristig nachteiligen Umwelteffekten, er kann sich jedoch langfristig positiv auswirken, da Lock-in-Effekte vermieden werden. Es besteht weiterer Forschungsbedarf in Bezug auf die Berücksichtigung künftiger Flexibilitätsoptionen und ein neues Marktdesign.

Der Karosseriebau stellt einen der bedeutendsten Schritte in der Wertschöpfungskette moderner Fahrzeuge dar. Der Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe sowie Ausführungen derzeitiger Fahrzeugkarosserien führt zu neuen Karosseriekonzepten wie dem Multi-Material-Design. Die spezifischen Eigenschaften einzelner Werkstoffe stellen jedoch insbesondere für die Fügetechnik neue Herausforderungen dar. Dementsprechend steigt die Vielfalt der zur Auswahl stehenden Fügetechnologien zum Verbinden der Werkstoffkombinationen. Die Auswahl der einzusetzenden Fügetechnologie basiert grundsätzlich auf den Erfahrungen der Produktentwicklung. Wissenschaftliche Ansätze beschränken sich im Rahmen des Auswahlprozesses von Fügetechnologien oftmals auf die ökonomische Bewertung für einzelne Fügepunkte. Ein integrierter Bewertungsansatz, welcher bereits während der Festlegung von Werkstoff und Konstruktion die Aspekte der Fügetechnik hinsichtlich ökonomischer, ökologischer sowie technologischer Faktoren für eine gesamte Baugruppe umfasst, existiert bisher nicht. Aufgrund der Intransparenz hinsichtlich monetärer und nicht-monetärer Eigenschaften der jeweiligen Fügetechnologie sowie der zunehmenden Entscheidungskomplexität leitet sich der Bedarf nach einer methodischen Unterstützung des Auswahlprozesses ab. Ziel der Forschung ist es, durch die Entwicklung einer multidimensionalen Auswahlmethodik eine optimierte Entscheidungsfindung in der Karosserieentwicklung zu ermöglichen. / The car body shop has become one of the most significant steps in the automobile value chain nowadays. The usage of a variety of different materials and configurations of current vehicle bodies in lightweight construction leads to new body concepts such as the multi-material design. However, the specific properties of individual materials lead to new challenges, especially in the joining technology where existing technologies face numerous restrictions. Therefore, new joining processes are required, which also results in an increased diversity of joining technologies and complexity of the decision-making. To date, the selection of a joining technology for a component is mostly based on the experience of the product development. The selection process of extant scientific approaches, however, is often limited to the economic assessment of joining technologies for individual joints. An integrated assessment approach, which already includes the aspects of joining technologies with regards to economic, ecological and technological factors for an entire assembly during the definition of material and design, does not exist. Due to the non-transparency of the overall monetary and non-monetary impact of the respective joining technology, the need for a methodological support for the selection process is derived. An essential part of this research work is the development of a multidimensional selection methodology to allow an optimized decision-making in the early stage of car body development.

Die Gestaltung berufsorientierender Lehr- und Lernprozesse für Naturwissenschaft und Technik besitzt insbesondere vor dem immer wieder diskutierten Fachkräftemangel in diesem Bereich eine zentrale Bedeutung. In diesem Sinne soll Berufsorientierung für Naturwissenschaft und Technik dazu beitragen, dass Lernende naturwissenschaftsbezogene Berufe als Option für die Gestaltung der eigenen Ausbildungs- und Berufsbiographie wahrnehmen. Um diese Funktion zu realisieren, sind Maßnahmen notwendig, die auf eine Veränderung der für die Berufswahl relevanten Schüler-merkmale fokussieren. Im ersten Teil der Arbeit wurde daher zunächst der Stand der Forschung zu Modellen der Berufswahl sowie empirischen Studien hinsichtlich der für die Berufsentscheidung bedeutsamen Schülermerkmale analysiert. Als Handlungskonsequenzen für die Gestaltung schulischer Berufsorientierungsprozesse hat sich ergeben, dass zum einen Interesse und Fähigkeitsselbstkonzept gefördert werden müssen, um die Entscheidung für ein naturwissenschaftlich-technisches Studium zu begünstigen. Über die Förderung von Interesse und Fähigkeitsselbstkonzept hinaus bedarf es zum anderen im Sinne einer nachhaltigen Berufsorientierung der Ausbildung naturwissenschaftlich-technischer Kompetenzen hinreichender Qualität sowie wahrscheinlich der Entwicklung eines realistischen Berufskonzepts. Die ebenfalls im theoretischen Teil der Arbeit vorgenommene Analyse von best-practice-Beispielen an explizit berufsorientierenden Maßnahmen hat gezeigt, dass insbesondere eine in den Fachunterricht integrierte Berufsorientierung besonders wirksam ist. Jedoch gibt es hierfür bisher keine tragfähigen Ansätze, die alle genannten Aspekte miteinander verknüpfen. Es bedarf somit einer konkreten konzeptionellen Grundlage. Da im Rahmen einer in den Fachunterricht integrierten Berufsorientierung die Arbeit von Natur- und Ingenieurwissenschaftlern neben den natur- und ingenieurwissenschaftlichen Fachinhalten zu einem expliziten Aneignungsgegenstand wird, ist eine valide Beschreibung dieser notwendige Voraussetzung für die konzeptionelle Umsetzung. Diese stellt jedoch ebenso wie der Gestaltungsansatz eine Lücke der Forschung und Entwicklung im Bereich der Berufsorientierung bzw. Naturwissenschaftsdidaktik dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher zunächst die Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren beschrieben und strukturiert. Um dann auf dieser Basis ein Ansatz zur Gestaltung integrierter Berufsorientierung zu entwickeln. Darüber hinaus wurden im Sinne einer passfähigen Berufsorientierung die Kenntnisse von Lernenden über die Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren und der Zusammenhang zwischen einem realistischen Berufskonzept und der Ausbildung natur- und ingenieurwissenschaftlicher Berufserwartungen untersucht. Denn obwohl stets die Bedeutung von Berufskenntnissen betont wird, kann diese nur normativ begründet werden, da belastbare Forschungsergebnisse fehlen. In den Teilen II bis IV der Arbeit wurden somit folgende Problemfelder nacheinander bearbeitet: - die Beschreibung und Strukturierung der Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren (= Teil II); - die Ermittlung der Kenntnisse von Lernenden über die Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren sowie deren Einfluss auf die Ausbildung naturwissenschaftlicher bzw. technischer Berufserwartungen (= Teil III); - die Entwicklung eines Ansatzes für die Gestaltung berufsorientierender Konzepte im Rahmen des Naturwissenschaftsunterrichts (= Teil IV). Für die Charakterisierung der Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren konnte nicht auf bestehende Erkenntnisse zurückgegriffen werden. Denn in anderen Forschungsgebieten wie z. B. der Arbeits- und Organisationspsychologie oder der berufswissenschaftlichen Forschung, werden lediglich Ausschnitte natur- und ingenieurwissenschaftliche Arbeit unter jeweils wissen-schaftsspezifischen Fragestellungen analysiert. Eine systematische für berufsorientierende Lehr- und Lernprozesse geeignete Aufarbeitung fehlt bisher. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher in der ersten empirischen Studie auf Basis berufswissenschaftlicher Arbeitsanalysen in Unternehmen sowie Forschungseinrichtungen zentrale Initiierungskontexte und Arbeitsaufträge naturwissenschaftlicher bzw. ingenieurwissenschaftlicher Arbeit bestimmt. Die Arbeitsanalyse stellt eine Kombination verschiedener qualitativer Befragungs- und Beobachtungsmethoden zur Erfassung der Arbeitswelt dar. Die ermittelten Daten wurden mittels eines in Anlehnung an die strukturierende Inhaltsanalyse von Mayring entwickelten Auswertungssystems analysiert. Hierdurch konnte ein Überblick zu den typischen Initiierungskontexten und Arbeitsaufträgen sowie den jeweils zugehörigen Arbeitsaufgaben natur- und ingenieurwissenschaftlicher Arbeit ermittelt werden. Für die berufsspezifische Beschreibung wurde ein Perspektivwechsel von einer auftragsbezogenen zu einer berufsbezogenen Betrachtung vorgenommen. Dies bedeutet, dass die innerhalb eines Arbeitsauftrags anfallenden Arbeitsaufgaben bzw. Arbeitsaufgabenkomplexe dem Beruf des Naturwissenschaftlers oder Ingenieurs zugeordnet und kategorisiert worden sind. Ergebnis dieses Prozesses war, dass die von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren übernommene Arbeit mittels berufsspezifischen Kernarbeitsaufträge und -aufgaben sowie berufsübergreifenden Managementaufgaben und Transferaufgaben beschrieben werden können. Diese Kategorisierung natur- bzw. ingenieurwissenschaftlicher Arbeit war Grundlage für die Erfassung der Berufskenntnisse. Ziel der zweiten Studie war, das bei den Lernenden bestehende Konzept über die Arbeit von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren zu charakterisieren sowie dessen Bedeutsamkeit für die Ausbildung natur- bzw. ingenieurwissenschaftlicher Berufserwartungen zu bestimmen. Hierfür wurden Gymnasiasten der 10. und 11. Klasse (N = 450) ein Testinstrument zur Erhebung der Berufskenntnisse sowie ein Fragebogen zur Erfassung der Berufswünsche und weiterer berufswahlrelevanter Merkmale vorgelegt. Für die Auswertung der erhobenen Daten wurden zur Beschreibung des Berufskonzepts deskriptive Methoden eingesetzt und für die Bestimmung der Bedeutsamkeit von Berufskenntnissen logistische Regressionsmodelle spezifiziert sowie Mediationseffekte mittels Bootstrapping geprüft. Hinsichtlich der Kenntnis natur- und ingenieurwissenschaftlicher Arbeit wurde deutlich, dass Lernende bereits einen guten Überblick über die zentralen Arbeitsaufträge von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren besitzen, jedoch die bei der Bearbeitung auftretenden Arbeitsaufgaben kaum kennen sowie natur- und ingenieurwissenschaftlicher Arbeit nur un-genügend zu entsprechender Facharbeit abgrenzen können. Bezogen auf die Bedeutsamkeit von Berufskenntnissen konnte gezeigt werden, dass lediglich ausgewählte Aspekte in einem Zusammenhang mit natur- bzw. ingenieurwissenschaftlichen Berufserwartungen stehen. Für die Ausbildung von naturwissenschaftlichen Berufswünschen sind dies die Kenntnis der Transferaufgaben sowie die Abgrenzung von natur- zu ingenieurwissenschaftlicher Arbeit. Für die Ausbildung von ingenieurwissenschaftlichen Berufswünschen sind dies hingegen die Kenntnis der Kernarbeitsaufträge sowie die Abgrenzung von ingenieurwissenschaftlicher zu betriebswirtschaftlicher Arbeit. Die Ergebnisse verweisen darauf, dass berufsorientierende Lehr- und Lernprozesse neben naturwissenschaftlich-technischen Interessen und Fähigkeiten auch die Ausbildung eines realistischen Berufskonzeptes fördern müssen. In Bezug zu den Ergebnissen beider empirischer Studien wurden abschließend Kriterien und Ziele berufsorientierender Lehr- und Lernprozesse differenziert sowie ein konkreter Gestaltungsansatz entwickelt und hinsichtlich einer projektorientierten Umsetzung untersetzt Im Rahmen der Arbeit wurde weiterhin ein Ansatz zur Gestaltung von in den naturwissenschaftlichen Fachunterricht inte-grierten Berufsorientierungsprojekten unter Rückgriff auf kontextorientierte bzw. berufsbildende Ansätze entworfen. Grundlegendes Prinzip des Konzepts ist die Konfrontation der Lernenden mit didaktisch-aufbereiteten beruflichen Arbeitsaufträgen des Naturwissenschaftlers bzw. Ingenieurs. Zur Bearbeitung des Auftrags sind die damit verbundenen Arbeitsaufgaben auszuführen. Hierbei wird von den Lernenden das erforderliche naturwissenschaftliche Know-how angewendet bzw. angeeignet. Weiterhin erschließen sich die Lernenden die Arbeitswelt von Ingenieuren bzw. Naturwissenschaftlern aktiv. Perspektivisch ist dieser Ansatz weiterzuentwickeln und hinsichtlich seiner Wirksamkeit zu evaluieren. Hierbei eröffnen sich Potentiale an die Evaluation berufsorientierender Konzepte weiterführende Forschungsfragen hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen von Berufskenntnissen und Berufserwartungen zu koppeln.

Es besteht weitgehender Konsens darüber, dass Designer mit anderen Beteiligten gemeinsam bereits in frühe Phasen von Innovations- und Entwicklungsprozessen eingebunden werden müssen. Unterschiedliche Ausbildungsformen, Begriffe, Methoden und Fachkulturen von Designern und den traditionell in Technologieentwicklung involvierten Ingenieuren und Naturwissenschaftlern erschweren oder verhindern in der Praxis oftmals eine effektive Zusammenarbeit. Dieses Buch widmet sich in diesem Kontext dem bislang nur unzureichend gelösten Problem der Akquise des für den Designentwurf relevanten Wissens aus dem individuell verfügbaren Repertoire: Während diese bei Experten weitgehend intuitiv abläuft ist, stellt sie insbesondere für ingenieurwissenschaftlich vorgebildete Designnovizen ohne spezifische methodische Unterstützung ein Problem dar. Um geeignete Methoden auswählen und entwickeln zu können, wird in einem umfangreichen theoretischen Teil untersucht, wie dieses individuelle Designwissen charakterisiert ist. Auf Grundlage einer umfassenden Definition von Designwissen werden potenziell geeignete Methoden zur Unterstützung dessen Akquise dargestellt und bewertet. Reflexive Methoden auf der Basis generischer Fragelisten sowie narrative Methoden auf Basis von Nutzer-Archetypen (Personas) und normativen Szenarien bilden dabei den Schwerpunkt. Der empirische Teil umfasst vier Untersuchungen. Der tatsächliche Effekt von spezifischen reflexiven und narrativen Methoden bei der individuellen Wissensakquise wird in drei Studien mit experimentellem Charakter nachgewiesen und diskutiert. Eine vergleichende explorative Feldstudie zum Einsatz von Methoden in der beruflichen Praxis von Designern und Konstrukteuren ergänzt die Erkenntnisse und hilft, diese in einen breiteren Kontext einzuordnen.:0 VORWORT v 0.1 Danksagung v 0.2 Anmerkungen zu Form und Sprache vii 0.3 Einordnung der Arbeit in den Designforschungskontext viii 1 EINFÜHRUNG 1 1.1 Wissenschaftliche Problemlage 1 1.2 Methodisches Vorgehen 7 2 THEORETISCHE GRUNDLAGEN 9 2.1 Entwerfen 9 2.1.1 Neues Schaffen 9 2.1.2 Entwurfsdisziplinen 10 2.1.3 Innovation 21 2.1.4 Kreativität 27 2.2 Entwurfsaufgaben als Probleme 33 2.2.1 Entwurfsaufgaben als schwach strukturierte Probleme 34 2.2.2 Entwurfsaufgaben als bösartige Probleme 37 2.2.3 Entwurfsaufgaben als komplexe Probleme 39 2.2.4 Entwurfsaufgaben als wissensreiche Probleme 41 2.2.5 Entwurfsprobleme als Kategorie 43 2.2.6 Zusammenfassung 45 2.3 Entwurfsprozesse 47 2.3.1 Entwerfen als menschliches Problemlösen 47 2.3.2 Entwerfen als reflexive Konversation 53 2.3.3 Entwerfen als psychisch regulierte Tätigkeit 56 2.3.4 Vorgehensmodelle in den Disziplinen 68 2.3.5 Zusammenfassung 72 2.4 Entwurfswissen 74 2.4.1 Eingrenzung des Begriffs 74 2.4.2 Nicht-Wissen und Unsicherheit 80 2.4.3 Vor- und Erfahrungswissen 83 2.4.4 Fakten- und Episodisches Wissen, Sach- und Handlungswissen 86 2.4.5 Soziokulturelles und Alltagswissen 89 2.4.6 Implizites und explizites Wissen 92 2.4.7 Objektives, subjektives, rationales und emotionales Wissen 100 2.4.8 Zusammenfassende Definition 103 2.5 Methoden zur Wissensakquise 108 2.5.1 Markt- und Zielgruppenanalysen 109 2.5.2 Anforderungslisten 113 2.5.3 Brainstorming und Derivate 117 2.5.4 Assoziation und Analogiebildung 119 2.5.5 Entwurfszeichnen und Entwurfshandeln 122 2.5.6 Fragenbasierte Selbstreflexion 124 2.5.7 Narration 126 2.5.8 Persona 129 2.5.9 Szenario 135 2.5.10 Methodenakzeptanz in der Praxis 143 2.6 Zusammenfassung und Auswahl geeigneter Methoden 147 3 EMPIRISCHE UNTERSUCHUNGEN 151 3.1 Methodeneinsatz in frühen Entwurfsphasen in der Praxis von Designern und Konstrukteuren 154 3.1.1 Problem und Fragestellungen 154 3.1.2 Aufbau und Durchführung der Untersuchung 157 3.1.3 Ergebnisse der Untersuchung 160 3.1.4 Interpretation und Diskussion 176 3.2 Unterstützung der Anforderungsermittlung durch fragenbasierte Selbstreflexion 180 3.2.1 Problem und Fragestellungen 180 3.2.2 Aufbau und Durchführung der Untersuchung 183 3.2.3 Ergebnisse der Untersuchung 184 3.2.4 Diskussion und Interpretation 186 3.3 Unterstützung der Akquise von Designwissen durch narrative Methoden 189 3.3.1 Problem und Fragestellungen 189 3.3.2 Aufbau und Durchführung der Untersuchung 192 3.3.3 Ergebnisse der Untersuchung 197 3.3.4 Interpretation und Diskussion der Ergebnisse 205 3.4 Unterstützung der Akquise von Designwissen durch fragenbasierte Selbstreflexion 211 3.4.1 Problem und Fragestellungen 211 3.4.2 Aufbau und Durchführung der Untersuchung 212 3.4.3 Ergebnisse der Untersuchung 216 3.4.4 Interpretation und Diskussion der Ergebnisse 227 4 ZUSAMMENFASSUNG 233 5 AUSBLICK 243 6 VERZEICHNISSE 247 6.1 Literaturverzeichnis 247 6.2 Abbildungsverzeichnis 282 6.3 Tabellenverzeichnis 285 6.4 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 287 7 ANHANG 289

Following the intensive development of isolated (i.e., not coupled with on-chip waveguide) vertically rolled-up microtube ring resonators (VRU-MRRs) for both active and passive applications, a variety of microtube-based devices has been realized. These include microcavity lasers, optical sensors, directional couplers, and active elements in lab-on-a-chip devices. To provide more advanced and complex functionality, the focus of tubular geometry research is now shifting toward (i) refined vertical light transfer in 3D stacks of multiple photonic layers and (ii) to make microfluidic cooling system in the integrated optoelectronic system. Based on this motivation, this PhD research is devoted to the demonstration and the implementation of monolithic integration of VRU-MRRs with photonic waveguides for 3D photonic integration and their optofluidic applications. Prior to integration, high-quality isolated VRU-MRRs on the flat Si substrate are firstly fabricated by the controlled release of differentially strained titanium-dioxide (TiO2) bilayered nanomembranes. The fabricated microtubes support resonance modes for both telecom and visible photonics. The outcome of the isolated VRU-MRRs is a record high Q (≈3.8×10^3) in the telecom wavelength range with optimum tapered optical fiber resonator interaction. To further study the optical modes in the visible and near infrared spectral range, μPL spectroscopy is performed on the isolated VRU-MRRs, which are activated by entrapping various sizes of luminescent nanoparticles (NPs) within the windings of rolled-up nanomembranes based on a flexible, robust and economical method. Moreover, it is realized for the first time, in addition to serving as light sources that NPs-aggregated in isolated VRU-MRRs can produce an optical potential well that can be used to trap optical resonant modes. After achieving all the required parameters for creating a high-quality TiO2 VRU-MRR, the monolithic integration of VRU-MRRs with Si nanophotonic waveguides is experimentally demonstrated, exhibiting a significant step toward 3D photonic integration. The on-chip integration is realized by rolling up 2D pre-strained TiO2 nanomembranes into 3D VRU-MRRs on a microchip which seamlessly expanded over several integrated waveguides. In this intriguing vertical transmission configuration, resonant filtering of optical signals at telecom wavelengths is demonstrated based on ultra-smooth and subwavelength thick-walled VRU-MRRs. Finally, to illustrate the usefulness of the fully integrated VRU-MRRs with photonic waveguides, optofluidic functionalities of the integrated system is investigated. In this work, two methods are performed to explore optofluidic applications of the integrated system. First, the hollow core of an integrated VRU-MRR is uniquely filled with a liquid solution (purified water) by setting one end of the VRU-MRRs in contact with a droplet placed onto the photonic chip via a glass capillary. Second, the outside of an integrated VRU-MRR is fully covered with a big droplet of liquid. Both techniques lead to a significant shift in the WGMs (Δλ≈46 nm). A maximum sensitivity of 140 nm/refractive index unit, is achieved. The achievements of this PhD research open up fascinating opportunities for the realization of massively parallel optofluidic microsystems with more functionality and flexibility for analysis of biomaterials in lab-on-a-tube systems on single chips. It also demonstrates 3D photonic integration in which optical interconnects between multiple photonic layers are required.

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Cu(Ag)-Dünnschichten als potentiellen Werkstoff für Leiterbahnen in der Mikroelektronik zu untersuchen. Für die Beurteilung dieses Materialsystems wurden vier Schwerpunkte bezüglich der Schichtcharakterisierung definiert: Herstellung, Gefüge, thermomechanische Eigenschaften, Elektromigrationsresistenz. Grundlage sämtlicher Untersuchungen ist eine geeignete Probenpräparation. In Anlehnung an Technologien, die zur Zeit bei der Herstellung von reinen Cu-Leiterbahnen Anwendung finden, erfolgte die Beschichtung der Cu(Ag)-Schichten (Dicke bis 1 µm) galvanisch aus einem schwefelsauren Elektrolyten unter Additiveinsatz auf thermisch oxidierten Siliziumwafern. Hierbei war nicht nur die Abscheidung von ganzflächigen Dünnschichten, sondern auch die Beschichtung auf strukturierte Substrate von Interesse. Die erzeugten Schichtproben werden in ihren Gefügeeigenschaften, vergleichend zu reinen Kupferschichten, charakterisiert. Hierzu zählen Korngrößen und -orientierungen, thermisches Gefügeverhalten, Einbau, Verteilung und Segregation von Silber und Fremdstoffen sowie die elektrischen Eigenschaften. Von grundsätzlicher Bedeutung für das Elektromigrationsverhalten und damit für die Zuverlässigkeit und das Leistungsvermögen sind die thermomechanischen Eigenschaften. Diese werden an ausgedehnten Schichten mit der Substratkrümmungsmessung bis zu Temperaturen von 500°C beschrieben. Die Diskussion des mechanischen Schichtverhaltens umfasst sowohl thermische als auch temporale Charakteristika. Die Untersuchungen geben einen Einblick in die wirkenden Mechanismen des Stofftransports und des Spannungsabbaus. Den Abschluss der Arbeit stellen erste Experimente zum Elektromigrationsverhalten der Cu(Ag)-Dünnschichten dar. Den Kern dieser Analysen bilden Messungen an sog. Blech-Strukturen (Materialdriftexperimente). Hierbei werden geeignete Technologien für die mikrotechnologische Herstellung von derartigen Cu(Ag)-Strukturen vorgestellt. Anhand erster Messungen wird das Elektromigrationsverhalten von Cu(Ag)-Metallisierungen in seinen Grundcharakteristika beschrieben.

1. Ziel Schlaganfall ist mit deutschlandweit jährlich bis zu 200.000 neuen Fällen ein weit verbreitetes Krankheitsbild. Schlaganfall führt häufig zu neurologischen Schädigungen, Pflegebedürftigkeit oder zum Tod. Das Statistische Bundesamt beziffert die Ausgaben für Schlaganfälle (Hirninfarkte, Schlaganfälle, die nicht als Blutung oder Infarkt bezeichnet werden, Subarachnoidalblutungen und intrazerebrale Blutungen) auf 5,875 Milliarden Euro im Jahr (2008). In entwickelten Ländern entfallen ca. 3% der Gesundheitsausgaben auf Schlaganfall. Vor diesem Hintergrund interessiert, welche Faktoren Sterblichkeit und Pflegebedürftigkeit nach Schlaganfall sowie die Versorgungskosten von Schlaganfallpatienten beeinflussen. Die vorliegende Analyse setzte sich zum Ziel, diese Frage anhand einer retrospektiven, empirischen Analyse von fast 13.000 hessischen Schlaganfallpatienten der Jahre 2005 bis 2007 zu beantworten. Im Einzelnen wird analysiert, (1) welche Faktoren schlechtes Outcome nach der akutstationären Versorgung beeinflussen, (2) welche Faktoren hinsichtlich akutstationärer Versorgungsqualität bzw. hinsichtlich der nachstationären Versorgung das Überleben nach Schlaganfall beeinflussen und (3) welche Aspekte die aus Sicht der Kranken- und Pflegeversicherung entstehenden Versorgungskosten von Schlaganfallpatienten determinieren. Eine retrospektive Analyse der Versorgungsrealität für hessische Schlaganfallpatienten wird unter anderem folgende Detailfragen beantworten: Welche (patientenspezifischen) Faktoren begünstigen die Umsetzung von akutstationären Qualitätsindikatoren? Welche Aspekte verkürzen oder verlängern die Zeit zwischen Schlaganfall und Krankenhausaufnahme (Prähospitalisierungszeit)? Welche Patienten werden in Krankenhäusern mit neurologischen Fachabteilungen betreut und welche Patienten erhalten Rehabilitationsmaßnahmen? Darüber hinaus wird aufgezeigt, wie die Umsetzung von Empfehlungen zur medikamentösen Sekundärprophylaxe erfolgt. 2. Forschungsstand Für Deutschland wurden bereits mehrere Studien zum Outcome nach Schlaganfall durchgeführt. In den meisten Studien wurde das Outcome drei Monate nach Krankenhausentlassung analysiert [z. B. Schneider u. a. (2009), Marquart (2009),Weimar und Diener (2003), Audebert u. a. (2006)], wobei dann die untersuchte Stichprobe aufgrund des Erfassungsaufwandes jeweils bei maximal 3.000 Patienten lag. Einige Studien bewerteten dagegen das Outcome bei Krankenhausentlassung [z. B. Heuschmann u. a. (2004)]. Diesen Studien liegen zumeist Daten aus krankenhausbasierten Registern zugrunde, die eine breite Datenbasis bieten. Wenig Aussagen gibt es dagegen zur Umsetzung der Sekundärprophylaxe nach Schlaganfall [vgl. Schneider u. a. (2009)], gar keine zu deren Einfluss auf die Überlebenswahrscheinlichkeit. Verschiedene Qualitätsregister erfassen seit geraumer Zeit Qualitätsindikatoren für die akutstationäre Versorgung des Schlaganfalls. Inwieweit diese Qualitätsindikatoren jedoch Faktoren abbilden, die mittel- und/ oder langfristige Auswirkungen auf Outcome, Überlebenszeit oder Versorgungskosten haben, ist bisher nicht analysiert worden. Auch zu den Versorgungskosten des Schlaganfalls existieren aktuell nur wenige Studien, in denen eine detaillierte Darstellung von Teilkosten etwa für Pflegebedürftigkeit oder Krankhausaufenthalte aufgrund von Folgeerkrankungen fehlt. Eine Studie, in der Daten krankenhausbasierter Schlaganfallregister mit Abrechnungsdaten der Sozialversicherung verknüpft wurden, ist bisher nicht publiziert worden. 3. Vorgehensweise Die in vorliegender Analyse durchgeführte Verknüpfung der zwei genannten Datenquellen (krankenhausbasiertes Schlaganfallregister - Gesellschaft für Qualitätssicherung Hessen (GQH) und Daten eines Kostenträgers - AOK Hessen) ermöglicht neben einer externen Validierung der Daten die Auswertung von Langzeitdaten (hier: bis 2 Jahre) zu Mortalität und Kosten für eine große Stichprobe von Schlaganfallpatienten. Im Einzelnen werden folgende Fragestellungen untersucht: - Sind die zugrunde liegenden Daten valide? - Sind die hier betrachteten, bei der AOK Hessen versicherten Patienten mit den hessischen Schlaganfallpatienten vergleichbar? - Wie hoch ist die Neuerkrankungsrate bezüglich Schlaganfall? - Welche Prognose hat ein Schlaganfallpatient? - Wie teuer ist ein Schlaganfallpatient? - Welche Bedeutung hat Versorgungsqualität (Struktur- und Prozessqualität) in der akutversorgenden Einrichtung für Outcome und Überlebenszeit nach dem Schlaganfall? bzw. Sind die Indikatoren, die die Versorgungsqualität aktuell abbilden, prognoserelevant für Outcome und Überlebenszeit nach dem Schlaganfall? - Welche Kriterien beeinflussen die Prähospitalisierungszeit und die Wahl der akutversorgenden Einrichtung? - Welche Faktoren beeinflussen die Versorgungsqualität im Krankenhaus? - Wie beeinflusst die der akutstationären Versorgung folgende Versorgung (Rehabilitation, medikamentöse Sekundärprophylaxe, Integrierte Versorgung) die Prognose nach dem Schlaganfall? - Wie beeinflussen Versorgungsqualität und die der akutstationären Versorgung folgende Versorgung (Rehabilitation, medikamentöse Sekundärprophylaxe, Integrierte Versorgung) die Versorgungskosten nach dem Schlaganfall? - Welche Empfehlungen können für die Qualitätssicherung in der akutstationären Versorgung und die Nachbetreuung von Schlaganfallpatienten abgeleitet werden? Die Beantwortung der genannten Fragestellungen erfolgt unter Nutzung multivariater Regressionsmodelle zur Prognose nach dem Schlaganfall und zu den Versorgungskosten nach dem Schlaganfall. Ergänzend werden LOGIT-Modelle eingesetzt, mit deren Hilfe Faktoren ermittelt werden, die die Wahrscheinlichkeit schnell in einem Krankenhaus hoher Strukturqualität (d.h. in einem Krankenhaus mit neurologischer Fachabteilung) versorgt zu werden und die Wahrscheinlichkeit einer qualitativ hochwertigen Versorgung (gemessen in Qualitätsindikatoren) beeinflussen. Außerdem erfolgt eine detaillierte Analyse der Umsetzung medikamentöser Sekundärprophylaxe nach einem Schlaganfall oder einer Transitorischen Ischämischen Attacke (TIA). 4. Ergebnisse Die vorliegende Analyse ist geeignet, die Versorgungsrealität für Schlaganfall- und TIA-Patienten anhand einer vergleichsweise großen Teilgesamtheit dieser Patienten und über einen vergleichsweise großen Follow-Up-Zeitraum zu beschreiben und so Empfehlungen für weitergehende Analysen abzuleiten. Über ein Fünftel der hessischen Schlaganfall- und TIA-Patienten im Betrachtungszeitraum wurden im Median 556 Tage nach Schlaganfall, knapp 60% der Patienten wurden über einen Zwei-Jahreszeitraum analysiert. Im Rahmen der Analyse konnte gezeigt werden, dass die aus dem krankenhausbasierten Register stammenden Angaben zur medikamentösen Sekundärprophylaxe sich nur in geringem Ausmaß durch Abrechnungsdaten bestätigen lassen. Die Chance auf eine, gemessen an den erfassten Qualitätsindikatoren, hohe akutstationäre Versorgungsqualität ist deutlich höher, wenn die akutstationäre Versorgung in Krankenhäusern mit neurologischer Fachabteilung erfolgt. Erfolgt die Einlieferung ins Krankenhaus durch den Rettungsdienst, ist die Chance, innerhalb von drei Stunden nach dem Schlaganfall in einem solchen Krankenhaus behandelt zu werden, gegenüber Einlieferung durch einen anderen Arzt, ein anderes Krankenhaus oder Selbsteinweisung, deutlich erhöht. Fast alle von der GQH erfassten Qualitätsindikatoren haben hinsichtlich des Outcomes bei Krankenhausentlassung Prognoserelevanz. Einzelne Qualitätsindikatoren haben darüberhinaus direkten Einfluss auf die Überlebenszeit nach Schlaganfall. Innerhalb des ersten Jahres nach Schlaganfall verstirbt fast ein Fünftel der betrachteten Patienten, das sind gegenüber Menschen der gleichen Alters- und Geschlechtsgruppe mehr als dreimal so viele Todesfälle. Auf Basis der in der Analyse ermittelten Werte zur Neuerkrankungsrate bei Versicherten der AOK Hessen kann deutschlandweit von 250.000 neuen Schlaganfällen und TIAs ausgegangen werden. Bei Bewertung mit den in der Analyse ermittelten Ein-Jahres-Versorgungskosten ergeben sich für diese Patienten jährlich Kosten von 4,03 Mrd. EUR. Die Betreuung im Rahmen des hessischen Vertrags zur Integrierten Versorgung führte - das konnte die vorliegende Analyse zeigen - zu einer Verlängerung der Überlebenszeit nach Schlaganfall. Die Effekte der Integrierten Versorgung ergaben sich jedoch im Wesentlichen aus einer besseren Umsetzung der medikamentösen Sekundärprophylaxe und häufigeren rehabilitativen Maßnahmen. Aktuell gibt es insbesondere hinsichtlich der Umsetzung medikamentöser Sekundärprophylaxe Probleme an der Schnittstelle zwischen Krankenhausentlassung und der nachfolgenden Versorgung. Eine bessere Abstimmung an dieser Schnittstelle kann die Überlebenszeit nach Schlaganfall verlängern und zusätzlich zu Kosteneinsparungen (aus Sicht der Sozialversicherung) führen. Die Letalität nach Schlaganfall ist, gegenüber der Allgemeinbevölkerung, insbesondere im ersten halben Jahr nach Schlaganfall deutlich erhöht. In diesem Zeitraum entsteht auch der mit Abstand größte Teil der Versorgungskosten. Daher sollten sich Maßnahmen zur Optimierung der Sekundärprophylaxe auf diesen Zeitraum konzentrieren.:1 Zielstellung 2 Stand der Forschung 2.1 Das Krankheitsbild 2.2 Versorgung des Schlaganfalls in Deutschland 2.3 Epidemiologie des Schlaganfalls 2.4 Outcome nach Schlaganfall 2.5 Kosten des Schlaganfalls 3 Perspektive/ Fragestellungen 4 Daten 4.1 Datengrundlage 4.2 Variablen 4.2.1 Übersicht 4.2.2 Bewusstseinslage 4.2.3 Risikofaktoren 4.2.4 Diagnoseklassen 4.2.5 TOAST-Klassen 4.2.6 Modifizierter Rankin-Scale und Barthel-Index 4.2.7 Qualitätsindikatoren 4.2.8 Pflegebedürftigkeit 4.2.9 Rehabilitation 4.2.10 Sekundärprophylaxe 4.2.11 Teilnahme an der Integrierten Versorgung 4.3 Plausibilisierung der Daten 4.4 Betrachtungszeitraum 5 Statistische Methoden 5.1 Kaplan-Meier-Funktion 5.2 Logit-Modelle 5.3 Accelerated Failure Time - Modelle 5.4 Cox - Modelle 5.5 Multivariate lineare Regressionsmodelle 6 Vorgehensweise 6.1 Übersicht 6.2 Betrachtete Patienten und deren Repräsentativität 6.3 Überlebenszeit nach Schlaganfall, Letalität 6.4 Versorgungskosten nach Schlaganfall 6.5 Modellierung von Einflussgrößen auf Outcome und Überlebenszeit nach Schlaganfall 6.6 Prähospitalisierungszeit und akutstationär versorgende Einrichtung 6.7 Qualitätsindikatoren 6.8 Modellierung von Einflussgrößen auf Überlebenszeit nach akutstationärer Versorgung von Schlaganfall 6.9 Umsetzung der medikamentösen Sekundärprophylaxe 6.10 Modellierung von Einflussgrößen auf Versorgungskosten nach Schlaganfall 7 Ergebnisse 7.1 Plausibilisierung der Daten 7.2 Betrachtete Patienten und deren Repräsentativität 7.3 Überlebenszeit nach Schlaganfall, Letalität 7.4 Versorgungskosten nach Schlaganfall 7.5 Modellierung von Einflussgrößen auf Outcome und Überlebenszeit nach Schlaganfall 7.5.1 Outcome 7.5.2 Einflussgrößen auf Outcome 7.5.3 Einflussgrößen auf Überlebenszeit 7.6 Prähospitalisierungszeit und akutstationär versorgende Einrichtung 7.7 Qualitätsindikatoren 7.8 Modellierung von Einflussgrößen auf Überlebenszeit nach akutstationärer Versorgung von Schlaganfall 7.9 Umsetzung der medikamentösen Sekundärprophylaxe 7.10 Modellierung von Einflussgrößen auf Versorgungskosten nach Schlaganfall 8 Diskussion 8.1 Schlussfolgerungen 8.2 Methodenkritik 8.3 Ausblick A Anhang A.1 Tabellen A.2 Abbildungen

We present a new course titled “Introduction to the Mathematical Sciences.” The course content is 1/3 algebra, 1/3 statistics, and 1/3 computer science and is taught in a laboratory environment on computers. The course pedagogy departs radically from traditional mathematics courses taught in the U.S. and makes extensive use of spreadsheet software to teach algebraic and statistical concepts. The course is currently offered in area high schools and two-year postsecondary institutions with financial support from a Blandin Foundation grant (referenced under BFG). We will present empirical evidence that indicates students in this course learn more algebra than students in a traditional semester-long algebra course. Additionally, we present empirical evidence that students learn statistical and computer science topics in addition to algebra. We will also present the model of developing this course which depended on increasing future student success in a variety of disciplines at the post-secondary level of study.

As a possible alternative for growing seed layers required for electrochemical Cu deposition of metallization systems in ULSI circuits, the atomic layer deposition (ALD) of Cu is under consideration. To avoid drawbacks related to plasma-enhanced ALD (PEALD), thermal growth of Cu has been proposed by two-step processes forming copper oxide films by ALD which are subsequently reduced. This talk, given at the 8th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2008), held in Bruges, Belgium from 29 June to 2 July 2008, summarizes the results of thermal ALD experiments from [(^<i>n</i>Bu₃P)₂Cu(acac)] precursor and wet O₂. The precursor is of particular interest as it is a liquid at room temperature and thus easier to handle than frequently utilized solids such as Cu(acac)₂, Cu(hfac)₂ or Cu(thd)₂. Furthermore the substance is non-fluorinated, which helps avoiding a major source of adhesion issues repeatedly observed in Cu CVD. As result of the ALD experiments, we obtained composites of metallic and oxidized Cu on Ta and TaN, which was determined by angle-resolved XPS analyses. While smooth, adherent films were grown on TaN in an ALD window up to about 130°C, cluster-formation due to self-decomposition of the precursor was observed on Ta. We also recognized a considerable dependency of the growth on the degree of nitridation of the TaN. In contrast, smooth films could be grown up to 130°C on SiO₂and Ru, although in the latter case the ALD window only extends to about 120°C. To apply the ALD films as seed layers in subsequent electroplating processes, several reduction processes are under investigation. Thermal and plasma-assisted hydrogen treatments are studied, as well as thermal treatments in vapors of isopropanol, formic acid, and aldehydes. So far these attempts were most promising using formic acid at temperatures between 100 and 120°C, also offering the benefit of avoiding agglomeration of the very thin ALD films on Ta and TaN. In this respect, the process sequence shows potential for depositing ultra-thin, smooth Cu films at temperatures below 150°C.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung von porösen Membranen mit integrierter Stützstruktur, wobei ihre Membrandicke geringer als ihr Porendurchmesser ist. Derartige Membranen können unter dem Begriff Mikrosiebe zusammengefasst werden und versprechen ein hohes Anwendungspotential als Filtermedien in industriellen und medizinischen Bereichen. Für die Membranstabilisierung werden Gewebe, extrudierte Gitter und Gewirke eingesetzt und erforscht. Gleichzeitig erfolgt die Weiterentwicklung eines bestehenden Herstellungsverfahrens von Membranen, welche nach dem Prinzip der partikelassistierten Benetzung (PAB) hergestellt werden. Die verschiedenen Stützstrukturen werden direkt bei der Membranherstellung fest in diese integriert. Weiterhin werden verschiedene Herstellungsparameter, wie zum Beispiel das Membranmaterial, die Funktionalisierung der Porenbildner und die leichtflüchtige Komponente gezielt untersucht und optimiert. Somit können mechanisch stabilisierte Membranen hergestellt werden, welche einen Durchmesser von bis zu 10 cm aufweisen. Für die abschließende Charakterisierung werden Filtrationsversuche und Stabilitätsmessungen durchgeführt.