Large area OLEDs show pronounced Joule self-heating at high brightness. This heating induces brightness inhomogeneities, drastically increasing beyond a certain current level. We discuss this behavior considering 'S'-shaped negative differential resistance upon self-heating, even allowing for 'switched-back' regions where the luminance finally decreases (Fischer et al., Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 3367). By using a multi-physics simulation the device characteristics can be modeled, resulting in a comprehensive understanding of the problem. Here, we present results for an OLED lighting panel considered for commercial application. It turns out that the strong electrothermal feedback in OLEDs prevents high luminance combined with a high degree of homogeneity unless new optimization strategies are considered.

A high performance vertical organic transistor based on the organic semiconductor C60 is developed in this work. The sandwich geometry of this transistor, well known from organic light-emitting diodes or organic solar cells, allows for a short transfer length of charge carriers in vertical direction. In comparison to conventional organic field-effect transistors with lateral current flow, much smaller channel lengths are reached, even if low resolution and low-cost shadow masks are used. As a result, the transistor operates at low voltages (1 V), drives current densities in the range of 10 A/cm², and enables a switching speed in the MHz range. The operation mechanism is studied in detail. It is demonstrated that the transistor can be described by a nano-porous permeable base electrode insulated by a thin native aluminum oxide film on its surface. Thus, the transistor has to be understood as two metal-oxide-semiconductor diodes, sharing a common electrode, the base. Upon applying a bias to the base, charges accumulate in front of the oxide, similar to the channel formation in a field-effect transistor. Due to the increased conductivity in this region, charges are efficiently transported toward and through the pinholes of the base electrode, realizing a high charge carrier transmission. Thus, even a low concentration of openings in the base electrode is sufficient to ensure large transmission currents. The device concept turns out to be ideal for applications where high transconductance and high operation frequency are needed, e.g. in analog amplifier circuits. The full potential of the transistor is obtained if the active area is structured by an insulating layer in order to perfectly align the three electrodes. Besides that, molecular doping near the charge injecting contact is essential to minimize the contact resistance. Due to the high power density in the vertical C60 transistor, Joule self-heating occurs, which is discussed in this work in the context of organic semiconductors. The large activation energies of the electrical conductivity observed cause the presence of S-shaped current-voltage characteristics and result in thermal switching as well as negative differential resistances, as demonstrated for several two-terminal devices. A detailed understanding of these processes is important to determine restrictions and proceed with further optimizations. / In dieser Arbeit wird ein vertikaler organischer Transistor mit hoher Leistungsfähigkeit vorgestellt, der auf dem organischen Halbleiter C60 basiert. Die von organischen Leuchtdioden und organischen Solarzellen bekannte \'Sandwich’-Geometrie wird verwendet, so dass es möglich ist, für die vertikale Stromrichtung kurze Transferlängen der Ladungsträger zu erreichen. Im Vergleich zum konventionellen organischen Feldeffekttransistor mit lateralem Stromfluss werden dadurch viel kleinere Kanallängen erreicht, selbst wenn preisgünstige Schattenmasken mit geringer Auflösung für die thermische Verdampfung im Vakuum genutzt werden. Daher kann der Transistor bei einer Betriebsspannung von 1 V Stromdichten im Bereich von 10 A/cm² und Schaltgeschwindigkeiten im MHz-Bereich erreichen. Obwohl diese Technologie vielversprechend ist, fehlt bislang ein umfassendes Verständnis des Funktionsmechanismus. Hier wird gezeigt, dass der Transistor eine nanoporöse Basiselektrode hat, die durch ein natives Oxid auf ihrer Oberfläche elektrisch isoliert ist. Daher kann das Bauelement als zwei Metall-Oxid-Halbleiter-Dioden verstanden werden, die sich eine gemeinsame Elektrode, die Basis, teilen. Unter Spannung akkumulieren Ladungsträger vor dem Oxid, ähnlich zur Ausbildung eines Ladungsträgerkanals im Feldeffekttransistor. Aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit in dieser Region werden Ladungsträger effizient zu und durch die Öffnungen der Basis transportiert, was zu hohen Ladungsträgertransmissionen führt. Selbst bei einer geringen Konzentration von Löchern in der Basiselektrode werden so hohe Transmissionsströme erzielt. Das Bauelementkonzept ist ideal für Anwendungen, in denen eine hohe Transkonduktanz und eine hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht werden soll, z.B. in analogen Schaltkreisen, die kleine Signale verarbeiten. Das volle Potential des Transistors offenbart sich jedoch, wenn die aktive Fläche durch eine Isolatorschicht strukturiert wird, um den Überlapp der drei Elektroden zu optimieren, so dass Leckströme minimiert werden. Daneben ist die Dotierung der Molekülschichten am Emitter essentiell, um Kontaktwiderstände zu vermeiden. Aufgrund der hohen Leistungsdichten in den vertikalen C60-Transistoren kommt es zur Selbsterwärmung, die in dieser Arbeit im Kontext organischen Halbleiter diskutiert wird. Die große Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit führt zu S-förmigen Strom-Spannungs-Kennlinien und hat thermisches Umschalten sowie negative differentielle Widerstände zur Folge, was für verschiedene Bauelemente demonstriert wird. Ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse ist wichtig, um Beschränkungen für Anwendungen zu erkennen und um entsprechende Verbesserungen einzuführen.

Cette thèse s'intéresse au développement de stratégies de décalage de charge pouvant être appliquées à un parc de chauffe-eau Joule (CEJ).On propose une modélisation entrée-sortie du système que constitue le CEJ. L'idée est de concevoir un modèle précis et peu coûteux numériquement, qui pourrait être intégré dans un CEJ intelligent. On présente notamment un modèle phénoménologique multi-période d'évolution du profil de température dans le CEJ ainsi qu'un modèle de la demande en eau chaude. On étudie des stratégies d'optimisation pour un parc de CEJ dont la résistance peut être pilotée par un gestionnaire central. Trois cas de figures sont étudiés. Le premier concerne un petit nombre de ballons intelligents et présente une méthode de résolution d'un problème d'optimisation en temps discret. Puis, on s'intéresse à un parc de taille moyenne. Une heuristique gardant indivisibles les périodes de chauffe (pour minimiser les aléas thermo-hydrauliques) est présentée. Enfin, un modèle de comportement d'un nombre infini de ballon est présenté sous la forme d'une équation de Fokker-Planck. / This thesis focuses on the development of advanced strategies for load shifting of large groups of electric hot water tanks (EHWT).The first part of this thesis is dedicated to representing an EHWT as an input-output system. The idea is to design a simple, tractable and relatively accurate model that can be implemented inside a low-power computing unit embedded in a smart EHWT, for practical applications of optimization strategies. It includes in particular a phenomenological multi-period model of the temperature profile in the tank and a realistic domestic hot water consumption model.The second part focuses on the design of optimal control strategies for a group of tanks. Three use-cases are studied. The first one deals with a small number of smart and controllable EHWT for which we propose a discrete-time optimal resolution method. The second use-case adresses a medium-scale group of controllable tanks and proposes a heuristic which keeps the heating period undivided to minimize thermo-hydraulic hazards. Finally, we present the modelling of the behavior of a infinite population of tanks under the form of a Fokker-Planck equation.

Thermal and chemical recovery processes are important EOR methods used often by the oil and gas industry to improve recovery of heavy oil and high viscous oil reservoirs. Knowledge of underlying mechanisms and their modeling in numerical simulation are crucial for a comprehensive study as well as for an evaluation of field treatment. EOS-compositional, thermal, and blackoil reservoir simulators can handle gas (or steam)/oil/water equilibrium for a compressible multiphase flow. Also, a few three-phase chemical flooding reservoir simulators that have been recently developed can model the oil/water/microemulsion equilibrium state. However, an accurate phase behavior and fluid flow formulations are absent in the literature for the thermal chemical processes to capture four-phase equilibrium. On the other hand, numerical simulation of such four-phase model with complex phase behavior in the equilibrium condition between coexisting phases (oil/water/microemulsion/gas or steam) is challenging. Inter-phase mass transfer between coexisting phases and adsorption of components on rock should properly be modeled at the different pressure and temperature to conserve volume balance (e.g. vaporization), mass balance (e.g. condensation), and energy balance (e.g. latent heat). Therefore, efforts to study and understand the performance of these EOR processes using numerical simulation treatments are quite necessary and of utmost importance in the petroleum industry. This research focuses on the development of a robust four-phase reservoir simulator with coupled phase behaviors and modeling of different mechanisms pertaining to thermal and chemical recovery methods. Development and implementation of a four-phase thermal-chemical reservoir simulator is quite important in the study as well as the evaluation of an individual or hybrid EOR methods. In this dissertation, a mathematical formulation of multi (pseudo) component, four-phase fluid flow in porous media is developed for mass conservation equation. Subsequently, a new volume balance equation is obtained for pressure of compressible real mixtures. Hence, the pressure equation is derived by extending a black oil model to a pseudo-compositional model for a wide range of components (water, oil, surfactant, polymer, anion, cation, alcohol, and gas). Mass balance equations are then solved for each component in order to compute volumetric concentrations. In this formulation, we consider interphase mass transfer between oil and gas (steam and water) as well as microemulsion and gas (microemulsion and steam). These formulations are derived at reservoir conditions. These new formulations are a set of coupled, nonlinear partial differential equations. The equations are approximated by finite difference methods implemented in a chemical flooding reservoir simulator (UTCHEM), which was a three-phase slightly compressible simulator, using an implicit pressure and an explicit concentration method. In our flow model, a comprehensive phase behavior is required for considering interphase mass transfer and phase tracking. Therefore, a four-phase behavior model is developed for gas (or steam)/ oil/water /microemulsion coexisting at equilibrium. This model represents coupling of the solution gas or steam table methods with Hand’s rule. Hand’s rule is used to capture the equilibrium between surfactant, oil, and water components as a function of salinity and concentrations for oil/water/microemulsion phases. Therefore, interphase mass transfer between gas/oil or steam/water in the presence of the microemulsion phase and the equilibrium between phases are calculated accurately. In this research, the conservation of energy equation is derived from the first law of thermodynamics based on a few assumptions and simplifications for a four-phase fluid flow model. This energy balance equation considers latent heat effect in solving for temperature due to phase change between water and steam. Accordingly, this equation is linearized and then a sequential implicit scheme is used for calculation of temperature. We also implemented the electrical Joule-heating process, where a heavy oil reservoir is heated in-situ by dissipation of electrical energy to reduce the viscosity of oil. In order to model the electrical Joule-heating in the presence of a four-phase fluid flow, Maxwell classical electromagnetism equations are used in this development. The equations are simplified and assumed for low frequency electric field to obtain the conservation of electrical current equation and the Ohm's law. The conservation of electrical current and the Ohm's law are implemented using a finite difference method in a four-phase chemical flooding reservoir simulator (UTCHEM). The Joule heating rate due to dissipation of electrical energy is calculated and added to the energy equation as a source term. Finally, we applied the developed model for solving different case studies. Our simulation results reveal that our models can accurately and successfully model the hybrid thermal chemical processes in comparison to existing models and simulators. / text

Le nombre d'appareils électroniques et de systèmes de communication sans fil a considérablement augmenté au cours des 20 dernières années. Les boîtiers de blindage utilisés pour protéger les appareils électroniques contre les radiations externes, mais aussi pour limiter leurs émissions sont généralement conçus en alliages d'aluminium. Mais la nécessité de réduire le poids des aéronefs incite l'industrie aéronautique à l'utilisation de matériaux composites.La modélisation de boîtiers de blindage composés de matériaux homogènes est possible par l'utilisation d'outils numériques tels que la méthode des éléments finis. Mais la discrétisation de boîtiers constitués de matériaux composites impliquerait un nombre d'éléments trop important rendant impossible toute modélisation numérique. Le recours à l'homogénéisation semi-analytique est une possibilité pour s'affranchir de cette restriction. Les milieux homogènes équivalents obtenus avec ces méthodes peuvent être insérés dans des outils numériques pour simuler le comportement électromagnétique de boîtiers de blindage complexes. Les modèles d'homogénéisation existants, tel que le modèle de Maxwell-Garnett, sont toutefois limités a des applications quasi-statiques.La définition des propriétés effectives de matériaux composites illuminés par des ondes électromagnétiques est l'objectif principal de ce travail. Il en résulte deux méthodes d'homogénéisation dynamiques. La première introduit un effet de taille entre les fibres et la longueur d'onde. Elle permet ainsi d'étendre une méthode basée sur des problèmes d'inclusion aux micro-ondes. Mais elle reste limitée par l'apparition de l'effet de peau dans les renforts conducteurs. La seconde est basée sur la définition des pertes par effet Joule dans les fibres, permettant ainsi d'étendre la première méthode après l'apparition de l'effet de peau. Cette dernière est enfin utilisée pour modéliser le comportement électromagnétique d'un boîtier de blindage réaliste.

My thesis is devoted to the study of transport properties of Silicon Nanowires obtained by a bottom-up approach. The choice for the material system has been limited to undoped SiNWs because they are considered as the ultimate choice for ultrascaled electronic devices. For these systems, the problem of an effective carrier injection in the semiconductor is particularly important. The mechanism of carrier injection in Gate-All-Around Schottky barrier transistors was studied by temperature dependent measurements. Multiple gates are used to discriminate between different device switching mechanisms occurring either at the source and drain contacts, or at the level of the silicon channel. The gating scheme has proved be effective in suppressing the Schottky barrier enabling carrier injection at low temperature. Moreover, different electronic functionalities like p-n junctions and logic gates can be successfully implemented in such devices without the need of doping. I will describe a novel technique for the fabrication of metal silicide contacts to individual silicon nanowires based on an electrically-controlled Joule annealing process. This has enabled the realization of silicide-silicon-silicide tunnel junctions with silicon channel lengths down to 8nm. The silicidation of silicon nanowires by Nickel and Platinum could be observed in-situ and in real time by performing the experiments of Joule assisted silicidation in the chamber of a Scanning Electron Microscope. Lastly, signatures of resonant tunneling through an isolated Platinum Silicide cluster were detected in a Silicon tunnel junction. Tunneling spectroscopy in a magnetic field revealed the Zeeman splitting of the ground and the excited states.

Techniky rychlého slinování jako „Spark Plasma Sintering (SPS)“, „Flash Sintering“ (FS), „Selective Laser Sintering“ (SLS), „Induction Sintering“ (IS) a „Microwave Sintering“ (MS) jsou navrženy tak, aby účinně a předvídatelně kontrolovaly mikrostrukturu během slinovací proces. Spark Plasma Sintering jako jedna z nejmodernějších technik rychlého slinování a byla studována po celá desetiletí. V SPS má tři hlavní rysy: přímý ohřev elektrickým proudem, pulzní stejnosměrný elektrický proud a mechanický tlak. Mechanismy působení faktorů během SPS procesu však nejsou zatím jasně objasněny. Tato práce byla inspirována zvýšeným zájmem o techniky rychlého slinování a snahou o objasnění působení hlavních faktorů. Tato studie je rozdělena do čtyř částí: efekt elektromagnetického pole, efekt pulzního vzoru, tlakový efekt a přímý Joulův ohřev. Výsledky ukázaly, že elektromagnetické pole v SPS může být ignorováno, jak ukázaly simulace, a rovněž během experimentů nebyl nalezen žádný „efekt pole“. Na druhou stranu účinek pulzního vzoru byl významný, prášek TiO2 byl slinován pulzními vzory 12:2 a 10:9 s konstantním příkonem. Po aplikaci pulzního vzoru 10:9 došlo ke zvýšení velikosti zrna o jeden řád a ke zvýšení hustoty o 8%, zatímco množství spotřebované energie zůstalo konstantní. Při zahřátí s různými vzory pulzů se mění účinný výkon a kontaktní odpor indukovaný mechanickým pulsem, což jsou dva hlavní důvody, které vysvětlují měnící se energetickou účinnost. Vliv tlaku byl také významný, výsledky ukázaly, že použití tlaku při 900 ° C přineslo vysokou hustotu a malou velikost zrn, což vedlo k nejvyšší tvrdosti měřenou podle Vickerse. Interakce mezi tlakem a parami, vedoucí k rozdílné rychlosti přenosu páry v prvním slinovacím stupni, je považována za důvod pro rozdíly v mikrostruktuře, jako jsou mikropóry. Načasování mechanického tlaku může také podporovat difúzní mechanismy zhutňování během druhého slinovacího stupně, jako je difúze na hranicích zrn a mřížková difúze. Přímý ohřev, kdy se vede elektrický proud přímo skrz vzorek, vede k nízké měřené teplotě při slinování karbidu boru a jeho kompozitů, avšak teplota uvnitř vzorku je podstatně vyšší. Přidání slitiny titanu a křemíku do B4C významně zvýšilo finální hustotu, což byl hlavní důvod ovlivnění mechanických vlastností. Vzorek B4C + 1.0Ti (1 obj. % Ti slitiny) dosáhl nejvyšší tvrdosti 3628.5 ± 452.6 HV1 (16.2% vyšší než čistý B4C) s lomovou houževnatostí 2.11 ± 0.25 MPa m0.5. Zatímco při dopování křemíkem dosáhl vzorek B4C + 0.5Si (0.5 obj. % křemíku) nejvyšší tvrdosti 3524.6 ± 207.8 HV1 (o 13.0% vyšší než čistý B4C), vzorek B4C + 1.0Si dosáhl nejvyšší lomové houževnatosti 2.97 ± 0.03 MPa m0.5 (o 15.6% vyšší než čistý B4C). Velikost zrn kompozitů dotovaných titanem se oproti čistému karbidu boru byla o něco větší a mikrostruktura více nehomogenní. Naproti tomu se velikost zrn vzorků dotovaných křemíkem příliš nezměnila ve srovnání s velikostí zrn čistého karbidu boru. Sekundární fáze karbid křemíku byla dobře spojena s matricí karbidu boru a vykazovala pozitivní účinek jak na tvrdost, tak na lomovou houževnatost. Tato práce zkoumala vliv různých kontroverzních a nepopsaných aspektů na slinování keramických materiálů metodou Spark Plasma Sintering, což vedlo k lepšímu pochopení této techniky slinování.

The oldest and also most used type of secondary cells is lead-acid accumulator. Basic functional principle stayed same as in foundation time, only operation parameters are still improving (for example one of the most important is lifetime). Significant technical problem is temperature of lead-acid battery and her influence on functionality and running reactions. Master thesis is focused on this section, when is necessary to evaluate new pieces of knowledge in development. The work deals with description existing types of accumulators, further deals with theory of temperature balance and in the end by measured datas and theirs analyzing.

Securing of electrical devices is important not only to protect against destruction under the effects of electric current, but also for protection of people or animals against electric shock. With increasing of living standards goes hand in hand increasing of the electricity consumption. Therefore In the grid of low voltage, there are increasing short-circuit currents. With improving technology is posed considerable demand on the performance, security and switching capacity of circuit breakers. This thesis is oriented on development of thermal and electromagnetic switch of circuit breaker on which is put a big demand in development of new types of circuit breakers. The thesis is interesting because of comprehensive use of circuits’ breakers since it can be used in AC and DC networks with frequency of 50 Hz and 400 Hz.

Práce se zabývá výpočty magnetických a tepelných vlastností servomotoru s permanentními magnety (motor M718 I vyráběný firmou VUES s.r.o. v Brně). Všechny uvedené výpočty jsou založené na numerických metodách konečných prvků a konečných objemů. 2D magnetická analýza motoru byla řešena s pomocí programu FEMM, zatímco pro 3D analýzu byl využit software ANSOFT. Magnetické analýzy umožnily stanovit rozložení magnetického pole v motoru a ve vzduchové mezeře. Ztráty způsobené vířivými proudy byly počítány v závislosti na rozměrech permanentních magnetů a velikosti toku magnetické indukce ve vzduchové mezeře. U 3D modelu v programu ANSOFT byly vypočítány i Joulovy ztráty. Pro daný servomotor byly navrženy dva způsoby chlazení. V prvním případě se jedná o vnitřní chladicí systém. K původnímu modelu motoru byly přidány některé modifikace (otvory v rámu motoru a radiální ventilátor na hřídeli uvnitř rámu motoru). U druhého způsobu chlazení bylo navrženo vnější chlazení. K původnímu rámu byly přidána chladicí žebra a radiální ventilátor na hřídeli vně rámu motoru. Výpočty proudění a tepelná analýza byly provedeny jak pro původní model motoru, tak i pro modifikovaný návrh (vnitřní a vnější chlazení) pomocí software ANSYS Workbench. Teplotní charakteristiky původního motoru byly měřeny různými senzory. Bylo provedeno porovnání experimentálně získaných výsledků s vypočteným teplotním modelem. Práce byla vytvořena v rámci doktorského studijního programu Elektrotechnika a komunikační technologie, obor Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika. Podstatná část práce vznikla za podpory Centra výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie a výzkumných projektů CZ.1.05/2.1.00/01.0014 and FEKT S-11-9.