In an increasing number of use cases, databases face the challenge of managing heterogeneous data. Heterogeneous data is characterized by a quickly evolving variety of entities without a common set of attributes. These entities do not show enough regularity to be captured in a traditional database schema. A common solution is to centralize the diverse entities in a universal table. Usually, this leads to a very sparse table. Although today’s techniques allow efficient storage of sparse universal tables, query efficiency is still a problem. Queries that address only a subset of attributes have to read the whole universal table includingmany irrelevant entities. Asolution is to use a partitioning of the table, which allows pruning partitions of irrelevant entities before they are touched. Creating and maintaining such a partitioning manually is very laborious or even infeasible, due to the enormous complexity. Thus an autonomous solution is desirable. In this article, we define the Online Partitioning Problem for heterogeneous data. We sketch how an optimal solution for this problem can be determined based on hypergraph partitioning. Although it leads to the optimal partitioning, the hypergraph approach is inappropriate for an implementation in a database system. We present Cinderella, an autonomous online algorithm for horizontal partitioning of heterogeneous entities in universal tables. Cinderella is designed to keep its overhead low by operating online; it incrementally assigns entities to partition while they are touched anyway duringmodifications. This enables a reasonable physical database design at runtime instead of static modeling.

Die laserinduzierte Zerstoerschwelle ist ein Mass fuer die Laserfestigkeit optischer Schichten und Mehrschichtsysteme. In der Arbeit werden Zerstoerschwellenmessungen hauptsaechlich bei der Wellenlaenge 248 nm an Substraten, Oxid- und Fluorid-Einfachschichten sowie l/4-Mehrschichtsystemen vorgestellt. Schichtmaterialien mit hoher Laserfestigkeit sind SiO2, MgF2, Al2O3 und LaF3. Bei einem Vergleich von verschiedenen Schichtabscheideverfahren erweisen sich die Laserstrahlverdampfung oder die lasergestuetzte i Elektronenstrahlverdampfung als vorteilhaft fuer eine hohe laserinduzierte Zerstoerschwelle. Als Hauptgrund wird der geringe Fremdstoffeinbau durch wegfallende geheizte Elemente im Abscheideraum angesehen. Deck- und Barriereschichten der Dicke l/2 fuehren zu einer Steigerung der Zerstoerschwelle um maximal 200 %. Dies wird durch eine mechanische und thermische Stabilisierung der Funktionsschichten erreicht. Die Berechnungen zum Temperaturfeld in dielektrischen Schichten dienen der Modellierung des thermischen Zerstoerungsmechanismus. Sie zeigen, dass bei Bestrahlung mit Laserpulsen von 20 ns Pulsdauer nach ca. 100 ns die Temperatur an der Probenoberflaeche auf die Haelfte des Maximums abgesunken ist. Weitere Ergebnisse belegen den starken Einfluss des Absorptionskoeffizienten auf die Maximaltemperatur. Untersuchungen zur Pulsdauerabhaengigkeit der Zerstoerschwelle weisen fuer Substrate eine gute Uebereinstimmung mit dem t0,5-Gesetz aus. Daraus wird ein thermischer Zerstoerungsmechanismus bei defektarmen Materialien abgeleitet. Bei Morphologieuntersuchungen an Bestrahlungsflecken von Schichten wurden typische Zerstoerungserscheinungen gefunden, die auf die zusaetzliche oder dominierende Wirkung von Elektronenlawinen bei der laserinduzierten Zerstoerung defektreicher Materialien hinweisen.

Process-induced Long-term Deformation Behavior of Injection Molded Semicrystalline Thermoplastics Injection molding is a very complex process because the polymer experiences a complex thermorheological history during molding that influences the molecular orientation, residual stresses, frozen-in free volume and crystallinity inside the part. These generally govern the final part properties. Therefore it is highly desirable to anticipate the effect of process parameters on the resulting microstructure and mechanical properties of the finished part in the long run. In the case of a semicrystalline thermoplastic part, the problem in understanding the deformation behavior arises from its two-phase structure and a tendency exists to concentrate primarily on the effect of the crystalline phase on the deformation behavior, while the contribution of the amorphous phase is less investigated. In this work, the influence of the processing parameters on the deformation behavior of injection molded semicrystalline thermoplastic parts, viz., syndiotactic Polystyrene (sPS) and Polybutylene terepthalate (PBT), has been monitored through creep. The resulting internal structures due to processing have been determined and the deformation behavior has been analyzed. It has been observed that only the rate of cooling shows a remarkable effect on the long-term viscoelastic behavior of an injection molded semicrystalline thermoplastic part as it influences not only the crystalline, but also the free volume fraction, whereas the different states of frozen-in orientations and pressure-induced densification have only a negligible effect. Besides, physical aging also plays an important role in the deformation behavior of the injection moldings which was manifested with the decrease in the tendency to creep. Therefore, it was suggested that the cooling rate during injection molding and the aging time can significantly affect the long-term deformation behavior of the injection molded semicrystalline thermoplastics. The results also showed that when no significant effect is observed in terms of short-term mechanical properties by changing the processing conditions, but while considering the long-term behavior they show a significant effect.

Cyber-physikalische Systeme (CPS) sind eine erweitere Sicht auf eingebettete Systeme, die die konkreten umgebenden Elemente in das Systemdesign einbeziehen. Das Design solcher Systeme erfordert neue Herangehensweisen: Während beispielsweise in "normalen" verteilten Systemen Aspekte wie "Bewegung" oder "Ort" möglichst transparent und damit für den Nutzer unsichtbar gestaltet werden, benötigen CPS-Anwendungen häufig Bewusstsein für Bewegung oder Ort, d.h., sie sind _motion aware_ oder _location aware_. Die Professur "Betriebssysteme" der TUC hat sich die Frage gestellt, wie eine generische Unterstützung für solche verteilte mobile Systeme aussehen könnte. Im Vortrag werden Probleme, Konzepte und erste Lösungsansätze für ein künftiges Betriebssystem für diese Art von Systemen vorgestellt.

Electronic Packaging is currently deeply in need of new solutions concerning vertical interconnection strategies. With respect to downscaling the geometrical limits, entering the nanoscale for first-level interconnects is nothing more than a consequence. This thesis proposes a new strategy for highly resolved vertical interconnects that are realized by metallic nanowires (NWs). These are embedded inside a dielectric matrix enabling the further raster size reduction for chip interconnects. The creation of NW arrays in self-ordering templates (anodized Al2O3 (AAO) and track-etched poly carbonate) by electrochemical deposition of Ag and Ni inside the pores of these as well as the characterisation of the NWs' properties with respect to the film's applicability are to the fore. Electrical properties are shown to be sensitive to the mode of deposition. Crystallographic properties do not seem to be responsible for this while the NWs' morphology slightly differs and is therefore expected to remarkably influence electron transport. Additionally, the deposition mechanism in high-aspect-ratio pores of AAO is in another focus of investigation. This process was in the past described as diffusively controlled, but this assertion was not further evaluated. The presence of a gradient in the diffusion coefficient as well as the presence and expansion of an electrochemical double layer located at the template's inner surface are responsible limiting the deposition process. An existing model of porous electrodes is compared to the measured data and found not to be valid for the system of highly recessed ultramicroelectrode arrays by which this system is described. Therefore a new model that differentiates between charge-transfer and diffusive motion is proposed and shown to fit to the system's properties. Apart from mechanistic investigations, the implementation of the obtained NW arrays as an interconnector film proposes these to be applied best by adhesive bonding. Bonding properties were found to be well realizable by the additional coverage of the filled membranes with a polymer thin film. This can easily be attached onto the film by spin-coating the corresponding monomer and reactive curing while already being embedded in the package. Alternative methods for contact formation, such as non-reactive bonding and nanosoldering using segmented NWs, are proposed. The strategy is shown to still lack important technological questions while the findings with respect to fabrication, growth and implementation are very promising.:List of Figures List of Tables List of Acronyms List of Symbols 1 Nanoscale interconnects 1 1.1 Introduction 1.2 Electronic device development and its consequences 1.3 The need for and the design of a nanoscale wiring film 1.3.1 Nanomaterials for packaging - Some examples 1.3.2 Preconsiderations for designing nanoscale interconnects 1.3.3 Compatitibility of ACANWF to industrial applications 1.3.4 Demands to the film 1.4 Resumée - Strategy 2 NW fabrication by electodeposition and synthesis-property relationships 2.1 Templates for NW electrodeposition 2.1.1 Anodized Al2O3 (AAO) 2.1.2 Track-etched polymer membranes 2.2 Template-assisted Electrochemical Deposition (ECD) of NWs 2.2.1 Concept 2.2.2 Deposition modes 2.2.3 In_uences of other physical parameters 2.2.4 Errors and error mechanisms 2.2.5 Deposition in chemically functionalized AAO 2.3 Synthesis-property relationships for single NWs 2.3.1 NiNWs 2.3.2 AgNWs 2.4 Resumée . 3 Growth processes in mesoporous templates 3.1 Relevance for mechanistic investigations 3.2 Processes during NW growth 3.2.1 Electrode kinetics 3.2.2 Diffusion 3.2.3 Interactions with pore walls 3.3 Model systems 3.3.1 DeLevie's model for porous electrodes 3.3.2 Model verification 3.3.3 Model adaptation to non-ideal behaviour 3.4 Resumée 4 Implementation of nanowire arrays into microelectronic packaging 4.1 Adhesive Bonding 4.1.1 Adhesion by thin adhesive layers 4.1.2 Thermocompression bonds 4.2 Nanosoldering 4.2.1 Deposition of low melting point materials 4.2.2 Segmented nanowires 4.3 Resumée 5 Conclusion and perspectives 5.1 Conclusion 5.2 Perspectives on further investigations 6 Appendices 6.1 Technical equipment 6.2 Experimental methods 6.3 Selected characterisation techniques 6.4 Supplementary Information 6.5 Glossary 6.6 List of publications & presentations Bibliography / Die Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik wird in absehbarer Zeit Größenskalen erreichen, bei denen die verwendeten Materialien in der ersten Kontaktierungsebene als Nanomaterialien zu bezeichnen sind, das heißt ≤ 100 nm sind. Des Weiteren bestehen momentan nur bedingt viele Ansätze zu deren Implementierung in Vertikalverbindungsstrukturen (zum Beispiel für die dreidimensionale Integration). Die vorliegende Dissertation schlägt daher vor, die vertikale Verbindung über einen zwischen die Chips laminierbaren Film mit hochdichten und vertikal ausgerichteten nanoskaligen Drähten (NWs) zu realisieren. Diese sind in einer dielektrischen Matrix fixiert und gewährleisten die elektrische Anisotropie des Kontaktfilms. Innerhalb dieser Matrix werden die metallischen Drähte durch elektrochemische Abscheidung erzeugt. Der Fokus dieser Arbeit liegt somit auf der Charakterisierung des reduktiven Wachstumsprozesses von Ag und Ni innerhalb dünner Poren. Dabei können die Eigenschaften durch verschiedene Abscheidemodi gezielt beeinflusst werden. Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften ergibt sich im Vergleich zu der zugrundeliegenden Kristallographie ein wesentlich stärkerer Einfluss der Draht-Morphologie. Der Prozess der Porenfüllung wird im Allgemeinen als stark diffusionskontrolliert angenommen, wurde jedoch bisher nicht weiter quantifiziert. Die der Abscheidung zugrundeliegenden Prozesse Elektrolytdiffusion, Ladungstransfer an der Elektrode und Migrationsbeeinflussung durch die Porengeometrie werden daher voneinander getrennt und einzeln charakterisiert. Das vorliegende System kann als Matrix von stark versenkten Ultramikroelektroden abstrahiert werden. Existente Modelle zur Beschreibung derartiger Systeme treffen auf den vorliegenden Fall im Allgemeinen nicht zu, sodass basierend auf elektrochemischen Untersuchungen ein variiertes Abscheidemodell vorgeschlagen wird. Dieses berücksichtigt die Nicht-Linearität der elektrochemischen Doppelschicht, die von der Porenoberfläche ausgeht sowie deren Frequenzabhängigkeit. Neben mechanistischen Untersuchungen schließen sich Versuche an, deren Fokus auf der direkten Anwendung der mit Nanodrähten gefüllten Membranen liegt. Dabei wird vornehmlich deren Fixierung per Klebeverbindung angestrebt. Die Realisierung klebbarer Filme gelingt über die Auftragung von polymeren Dünnfilmen durch Spin-Coating des jeweiligen Monomeren. Diese Filme werden hinsichtlich ihrer Klebeeigenschaften charakterisiert. Abschließend werden alternative Kontaktiermethoden wie die Thermokompression oder das nanoskalige Löten basierend auf der Herstellung von segmentierten Nanodrähten demonstriert und hinsichtlich ihrer Applizierbarkeit diskutiert. Die erreichten Ergebnisse zeigen den noch vorhandenen Bedarf an technologischer Optimierung sowie Kompatibilisierung auf. Die Erkenntnisse hinsichtlich der Herstellung, des Wachstums sowie der Implementierungsansätze sind jedoch vielversprechend.:List of Figures List of Tables List of Acronyms List of Symbols 1 Nanoscale interconnects 1 1.1 Introduction 1.2 Electronic device development and its consequences 1.3 The need for and the design of a nanoscale wiring film 1.3.1 Nanomaterials for packaging - Some examples 1.3.2 Preconsiderations for designing nanoscale interconnects 1.3.3 Compatitibility of ACANWF to industrial applications 1.3.4 Demands to the film 1.4 Resumée - Strategy 2 NW fabrication by electodeposition and synthesis-property relationships 2.1 Templates for NW electrodeposition 2.1.1 Anodized Al2O3 (AAO) 2.1.2 Track-etched polymer membranes 2.2 Template-assisted Electrochemical Deposition (ECD) of NWs 2.2.1 Concept 2.2.2 Deposition modes 2.2.3 In_uences of other physical parameters 2.2.4 Errors and error mechanisms 2.2.5 Deposition in chemically functionalized AAO 2.3 Synthesis-property relationships for single NWs 2.3.1 NiNWs 2.3.2 AgNWs 2.4 Resumée . 3 Growth processes in mesoporous templates 3.1 Relevance for mechanistic investigations 3.2 Processes during NW growth 3.2.1 Electrode kinetics 3.2.2 Diffusion 3.2.3 Interactions with pore walls 3.3 Model systems 3.3.1 DeLevie's model for porous electrodes 3.3.2 Model verification 3.3.3 Model adaptation to non-ideal behaviour 3.4 Resumée 4 Implementation of nanowire arrays into microelectronic packaging 4.1 Adhesive Bonding 4.1.1 Adhesion by thin adhesive layers 4.1.2 Thermocompression bonds 4.2 Nanosoldering 4.2.1 Deposition of low melting point materials 4.2.2 Segmented nanowires 4.3 Resumée 5 Conclusion and perspectives 5.1 Conclusion 5.2 Perspectives on further investigations 6 Appendices 6.1 Technical equipment 6.2 Experimental methods 6.3 Selected characterisation techniques 6.4 Supplementary Information 6.5 Glossary 6.6 List of publications & presentations Bibliography

Colloidal semiconductor nanocrystals (NCs) have attracted a great deal of interest as bright and stable chromophores for a variety of applications. Their superior physicochemical properties depend on characteristics of the inorganic core, as well as on the chemical nature and structure of the stabilizing organic ligand shell. To evaluate the promising material, a thorough knowledge of structure-property relationships is still demanded. The present work addresses this challenge to three water-soluble NC systems, namely thiol-capped CdTe, thiol-capped CdHgTe, and DNA-functionalized CdTe NCs with special emphasis on the investigation of structure, modification, and influence of the ligand shell. Remarkably, CdTe NCs show bright emission in the visible spectral region and can be synthesized in high quality directly in water. It was shown that the aqueous synthesis also facilitates the preparation of strongly near-infrared (NIR) emitting CdHgTe NCs. The current work presents a detailed study on parameters, by which the emission can be tuned, such as the growth time, the initial Cd : Hg ratio, and the choice of ligand. These insights contribute to the knowledge, which is essential for the design of highly emissive and long-term stable NIR emitting NCs. Further variations of the NC/ligand system include the modification of the ligand shell of CdTe NCs with oligonucleotides based on the strong attachment of DNA molecules to the NC. The successful functionalization of NCs with single-stranded DNA molecules is very promising for the precise and programmable assembly of NCs using DNA origami structures as templates. For both, functionality and optical properties, the surface chemistry of the NCs plays a substantial role and was subject to an extensive investigation. As there is no generally applicable technique to determine the amount of stabilizers and the structure of the ligand shell, the presented study is based on a combination of various methods particularly tailored to the analysis of water-soluble CdTe NCs capped by short-chain thiols. CdTe NCs served as a model system for the described analysis of the ligand shell, since they are thoroughly studied regarding synthesis and features of the core. Aiming for the quantification of thiols, a straightforward colorimetric assay, the Ellman\'s test, is for the first time introduced for the analysis of NCs. Accompanied by elemental analysis an approximate number of thiols per NC becomes accessible. Moreover, theoretical calculations were performed to estimate the amount of ligand that would cover the NC in a monolayer of covalently bound molecules. In contrast to these results, the experimental values point to a larger amount of thiols immobilized on the NC. Attempts to remove the ligand indicate the presence of Cd in the ligand shell and thermogravimetric studies show that the ligands are not loosely assembled in the ligand shell. The outstanding conclusion of these findings involves the presence of Cd-thiol complexes in the ligand shell. Further results unambiguously show that the amount of Cd-thiol complexes present in the NC solution strongly influences the concentration-dependent emission yield of the NCs. Additional studies dedicated to the considerable influence of the ligand shell highlight a strong effect of pH, NC concentration, type and purity of the solvent, and the number of precipitation steps on the emission of water-soluble semiconductor NCs. These substantial investigations emphasize the need to carefully control the conditions applied for handling, optical measurements, and application of NCs. In order to gain a deeper insight into the complex structure of the native ligand shell, techniques deliberately chosen for the in situ analysis were applied for thioglycolic acid-capped CdTe NCs. Information from dynamic light scattering (DLS) regarding the stability and the shell thickness are consistent with previous results showing a large ligand network on the NC surface and a decreasing stability of the NCs upon dilution. Importantly, nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy allows for the distinction of bound and free ligands directly in solution and proves the presence of these species for the NCs studied. In particular, the results indicate that the ligands are not strongly bound to the NC core and that both, free and bound ligand species, consist of modified thiol molecules, such as Cd-thiol complexes. These findings support previous assumptions and allow to establish a distinct picture of the ligand shell of water-soluble semiconductor NCs. Further insights were obtained from small-angle X-ray scattering (SAXS), which facilitates the identification and the determination of the composition of NC core as well as ligand shell. Element-specific SAXS yields the final proof of the presence of Cd in the ligand shell. The model developed for the optimal fitting of the experimental scattering curves additionally confirms the findings from the other methods. In conclusion, the present work contributes to the challenging goal of a comprehensive knowledge of interactions between the NC core and the ligands. The fundamental development of a structural model of water-soluble CdTe NCs including information on stoichiometries is accomplished by the combination of the techniques presented and emphasizes the challenge to assign a clear border between the ligand shell and the Cd-thiol complexes in solution. Altogether, CdTe NCs capped by thioglycolic acid are best described by a crystalline core surrounded by a water-swollen Cd-thiolate shell that considerably affects the optical properties of the system. Notably, the results of the versatile study provide the opportunity to control the overall properties and to evaluate water-soluble semiconductor NCs for particular applications in photonics and optoelectronics.

Colloidal semiconductor quantum dots (QDs) have gained substantial interest as adjustable, bright and spectrally tunable fluorophores in the past decades. Besides their in-depth analyses in the scientific community, first industrial applications as color conversion and color enrichment materials were implemented. However, stability and processability are essential for their successful use in these and further applications. Methods to embed QDs into oxides or polymers can only partially solve this challenge. Recently, our group introduced the embedding of QDs into ionic salts, which holds several advantages in comparison to polymer or oxide-based counterparts. Both gas permeability and environmental-related degradation processes are negligible, making these composites an almost perfect choice of material. To evaluate this new class of QD-salt mixed crystals, a thorough understanding of the formation procedure and the final composites is needed. The present work is focused on embedding both aqueous-based and oil-based metal-chalcogenide QDs into several ionic salts and the investigations of their optical and chemical properties upon incorporation into the mixed crystals. QDs with well-known, reproducible and high-quality synthetic protocols are chosen as emissive species. CdTe QDs were incorporated into NaCl as host matrix by using the straightforward "classical" method. The resulting mixed crystals of various shapes and beautiful colors preserve the strong luminescence of the incorporated QDs. Besides NaCl, also borax and other salts are used as host matrices. Mercaptopropionic acid stabilized CdTe QDs can easily be co-crystallized with NaCl, while thioglycolic acid as stabilizing agent results in only weakly emitting powder-like mixed crystals. This challenge was overcome by adjusting the pH, the amount of free stabilizer and the type of salt used, demonstrating the reproducible incorporation of highest-quality CdTe QDs capped with thioglycolic acid into NaCl and KCl salt crystals. A disadvantage of the "classical" mixed crystallization procedure was its long duration which prevents a straightforward transfer of the protocol to less stable QD colloids, e.g., initially oil-based, ligand exchanged QDs. To address this challenge, the "Liquid-liquid-diffusion-assisted-crystallization" (LLDC) method is introduced. By applying the LLDC, a substantially accelerated ionic crystallization of the QDs is shown, reducing the crystallization time needed by one order of magnitude. This fast process opens the field of incorporating ligand-exchanged Cd-free QDs into NaCl matrices. To overcome the need for a ligand exchange, the LLDC can also be extended towards a two-step approach. In this modified version, the seed-mediated LLDC provides for the first time the ability to incorporate oil-based QDs directly into ionic matrices without a prior phase transfer. The ionic salts appear to be very tight matrices, ensuring the protection of the QDs from the environment. As one of the main results, these matrices provide extraordinary high photo- and chemical stability. It is further demonstrated with absolute measurements of photoluminescence quantum yields (PL-QYs), that the PL-QYs of aqueous CdTe QDs can be considerably increased upon incorporation into a salt matrix by applying the "classical" crystallization procedure. The achievable PL enhancement factors depend strongly on the PL-QYs of the parent QDs and can be described by the change of the dielectric surrounding as well as the passivation of the QD surface. Studies on CdSe/ZnS in NaCl and CdTe in borax showed a crystal-induced PL-QY increase below the values expected for the respective change of the refractive index, supporting the derived hypothesis of surface defect curing by a CdClx formation as one main factor for PL-QY enhancement. The mixed crystals developed in this work show a high suitability as color conversion materials regarding both their stability and spectral tunability. First proof-of-concept devices provide promising results. However, a combination of the highest figures of merit at the same time is intended. This ambitious goal is reached by implementing a model-experimental feedback approach which ensures the desired high optical performance of the used emitters throughout all intermediate steps. Based on the approach, a white LED combining an incandescent-like warm white with an exceptional high color rendering index and a luminous efficacy of radiation is prepared. It is the first time that a combination of this highly related figures of merit could be reached using QD-based color converters. Furthermore, the idea of embedding QDs into ionic matrices gained considerable interest in the scientific community, resulting in various publications of other research groups based on the results presented here. In summary, the present work provides a profound understanding how this new class of QD-salt mixed crystal composites can be efficiently prepared. Applying the different crystallization methods and by changing the matrix material, mixed crystals emitting from blue to the near infrared region of the electromagnetic spectrum can be fabricated using both Cd-containing and Cd-free QDs. The resulting composites show extraordinary optical properties, combining the QDs spectral tunability with the rigid and tight ionic matrix of the salt. Finally, their utilization as a color conversion material resulted in a high-quality white LED that, for the first time, combines an incandescent-like hue with outstanding optical efficacy and color rendering properties. Besides that, the mixed crystals offer huge potential in other high-quality applications which apply photonic and optoelectronic components.

In this thesis, we investigate physical-layer network coding in an L × M × K relay network, where L source nodes want to transmit messages to K sink nodes via M relay nodes. We focus on the information processing at the relay nodes and the compute-and-forward framework. Nested lattice codes are used, which have the property that every linear combination of codewords is a valid codeword. This property is essential for physical-layer network coding. Because the actual network coding occurs on the physical layer, the network coding coefficients are determined by the channel realizations. Finding the optimal network coding coefficients for given channel realizations is a non-trivial optimization problem. In this thesis, we provide an algorithm to find network coding coefficients that result in the highest data rate at a chosen relay. The solution of this optimization problem is only locally optimal, i.e., it is optimal for a particular relay. If we consider a multi-hop network, each potential receiver must get enough linear independent combinations to be able to decode the individual messages. If this is not the case, outage occurs, which results in data loss. In this thesis, we propose a new strategy for choosing the network coding coefficients locally at the relays without solving the optimization problem globally. We thereby reduce the solution space for the relays such that linear independence between their decoded linear combinations is guaranteed. Further, we discuss the influence of spatial correlation on the optimization problem. Having solved the optimization problem, we combine physical-layer network coding with physical-layer secrecy. This allows us to propose a coding scheme to exploit untrusted relays in multi-user relay networks. We show that physical-layer network coding, especially compute-and-forward, is a key technology for simultaneous and secure communication of several users over an untrusted relay. First, we derive the achievable secrecy rate for the two-way relay channel. Then, we enhance this scenario to a multi-way relay channel with multiple antennas. We describe our implementation of the compute-and-forward framework with software-defined radio and demonstrate the practical feasibility. We show that it is possible to use the framework in real-life scenarios and demonstrate a transmission from two users to a relay. We gain valuable insights into a real transmission using the compute-and-forward framework. We discuss possible improvements of the current implementation and point out further work. / In dieser Arbeit untersuchen wir Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht in einem Relay-Netzwerk, in dem L Quellen-Knoten Nachrichten zu K Senken-Knoten über M Relay-Knoten senden wollen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Informationsverarbeitung an den Relay-Knoten und dem Compute-and-Forward Framework. Es werden Nested Lattice Codes eingesetzt, welche die Eigenschaft besitzen, dass jede Linearkombination zweier Codewörter wieder ein gültiges Codewort ergibt. Dies ist eine Eigenschaft, die für die Netzwerkcodierung von entscheidender Bedeutung ist. Da die eigentliche Netzwerkcodierung auf der Übertragungsschicht stattfindet, werden die Netzwerkcodierungskoeffizienten von den Kanalrealisierungen bestimmt. Das Finden der optimalen Koeffizienten für gegebene Kanalrealisierungen ist ein nicht-triviales Optimierungsproblem. Wir schlagen in dieser Arbeit einen Algorithmus vor, welcher Netzwerkcodierungskoeffizienten findet, die in der höchsten Übertragungsrate an einem gewählten Relay resultieren. Die Lösung dieses Optimierungsproblems ist zunächst nur lokal, d. h. für dieses Relay, optimal. An jedem potentiellen Empfänger müssen ausreichend unabhängige Linearkombinationen vorhanden sein, um die einzelnen Nachrichten decodieren zu können. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu Datenverlusten. Um dieses Problem zu umgehen, ohne dabei das Optimierungsproblem global lösen zu müssen, schlagen wir eine neue Strategie vor, welche den Lösungsraum an einem Relay soweit einschränkt, dass lineare Unabhängigkeit zwischen den decodierten Linearkombinationen an den Relays garantiert ist. Außerdem diskutieren wir den Einfluss von räumlicher Korrelation auf das Optimierungsproblem. Wir kombinieren die Netzwerkcodierung mit dem Konzept von Sicherheit auf der Übertragungsschicht, um ein Übertragungsschema zu entwickeln, welches es ermöglicht, mit Hilfe nicht-vertrauenswürdiger Relays zu kommunizieren. Wir zeigen, dass Compute-and-Forward ein wesentlicher Baustein ist, um solch eine sichere und simultane Übertragung mehrerer Nutzer zu gewährleisten. Wir starten mit dem einfachen Fall eines Relay-Kanals mit zwei Nutzern und erweitern dieses Szenario auf einen Relay-Kanal mit mehreren Nutzern und mehreren Antennen. Die Arbeit wird abgerundet, indem wir eine Implementierung des Compute-and-Forward Frameworks mit Software-Defined Radio demonstrieren. Wir zeigen am Beispiel von zwei Nutzern und einem Relay, dass sich das Framework eignet, um in realen Szenarien eingesetzt zu werden. Wir diskutieren mögliche Verbesserungen und zeigen Richtungen für weitere Forschungsarbeit auf.

Es wird der Eigenschaftsbereich von thermisch modififizierter Kartoffelstärke erweitert und durch viele Proben sowie eine große Probenmenge verififiziert. Ziel ist es neue Möglichkeiten zur Optimierung der Stärke-Prozesskette zu erschließen und somit das industrielle Anwendungsspektrum für den Ausgangsstoff Stärke zu vergrößern. Native und konditionierte Kartoffelstärke werden auf neuartige Weise durch eine (Vakuum-)Mikrowellenbehandlung und durch eine konvektive Ofenbehandlung im Labormaßstab thermisch modififiziert. Um Einflussparameter auf die resultierende Eigenschaftsänderung zu identififizieren, werden das Quellungs- und Lösungsverhalten der Stärkeproben in wässriger Umgebung charakterisiert sowie das Stärkegel mikroskopisch untersucht. Eine Steigerung der variierten Behandlungsparameter (Behandlungsdauer und -temperatur bzw. -leistung) bewirkt unabhängig vom Behandlungsverfahren eine Zunahme der Quellung und der Löslichkeit. Die schlüssige grafifische Darstellung der Ergebnisse offenbart die Unterschiede zwischen den thermischen Verfahren. Bei der Mikrowellenbehandlung verursacht der ungehinderte Eintrag der Feldenergie in die Stärke eine erheblich schnellere Modififikation gegenüber der Ofenbehandlung. Bei der Vakuum-Mikrowellenbehandlung bewirkt der große Dampfdruck-Gradient eine intensivere Behandlung gegenüber der Mikrowellenbehandlung bei Atmosphärendruck. Mit den Verfahren können vorbestimmte Eigenschaften der Kartoffelstärke bewirkt werden, bspw. verursacht die Mikrowellenbehandlung eine geringere Löslichkeit als die Ofenbehandlung. Bei der Ofenbehandlung verringert eine Befeuchtung die Quellung und die Löslichkeit, was ähnlich dem Heat-Moisture-Effekt auf eine Modififikation der Stärkestruktur bei erhöhter Feuchte zusammen mit hoher Temperatur hindeutet. Die mikroskopische Geluntersuchung zeigt Unterschiede des Stärkegels für die verschiedenen Verfahren. Nach der Vakuum-Mikrowellenbehandlung brechen bei der Quellung einzelne Körner im Glasübergangsstadium auf und die Kornfragmente sind als Schlieren sichtbar.:1 Einleitung 1.1 Hintergrund - Marktrelevanz von Stärke 1.2 Motivation - Verfahrensrelevanz von Stärke 1.3 Zielsetzung und Lösungsansatz 2 Stand des Wissens über Stärke 2.1 Thermodynamische Modellvorstellung für hygroskopische, kapillarporöse Materialien 2.2 Aufbau 2.3 Eigenschaften in wässriger Umgebung 2.4 Thermische Behandlungsverfahren und Charakterisierungsmethoden 3 Material und Methoden 3.1 Ausgangsmaterial Kartoffelstärke 3.2 Bestimmung der Feuchte im Stärkepulver 3.3 Konditionierung zur Variation der Anfangsfeuchte im Stärkepulver 3.4 Thermische Behandlung der Stärke im Ofen 3.5 Thermische Behandlung der Stärke in der Mikrowelle 3.6 Labortechnische Charakterisierung der Quellung und der Löslichkeit 3.7 Mikroskopische Untersuchung des Stärkegels 4 Durchführung 4.1 Experimenteller Ablauf 4.2 Versuchsplanung 4.3 Ergebnisdarstellung 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Einfluss der Wasserbadtemperatur auf Charakterisierungsparameter 5.2 Charakterisierung nativer Stärke mit variierter Anfangsfeuchte 5.3 Charakterisierung der im Ofen behandelten Stärke 5.4 Charakterisierung der Vakuum-Mikrowellen behandelten Stärke 5.5 Charakterisierung der Mikrowellen behandelten Stärke 5.6 Gegenüberstellung der untersuchten Behandlungsverfahren 6 Zusammenfassung und Ausblick

Zwei Modellreaktionen wurden mit thermoresponsiven Nanoreaktoren untersucht. Die Reduktion von 4-Nitrophenol und von Kaliumhexacyanidoferrat(III) mit Natriumborhydrid. Die Nanoreaktoren bestehen aus einem Polystyrol Kern, umgeben von einer Hydrogel Schale aus Poly-(N-Isopropylacrylamid). Die Reaktionen werden auf der Oberfläche von Metall Nanopartikeln in der Hydrogel Schale katalysiert. In einer auf Gold- und Silberkatalysatoren fokussierten Literaturstudie zeigte sich, dass der geschwindigkeitsbestimmende Reaktionsschritt zwischen beiden Metallen variieren könnte. Kinetische Studien mit Silber haben gezeigt, dass ein erfolgreich auf Gold angewandtes Modell modifiziert werden muss um auf Silber anwendbar zu sein und haben gezeigt, dass sich die Kinetik der Reaktion auf beiden Metallen unterscheidet. Die weitere Analyse ergab die typische, nicht der Arrhenius Abhängigkeit folgende, Abhängigkeit der Reaktionsrate von der Temperatur und hat gezeigt, dass die Partitionierung der Reaktanden im Hydrogel für das kinetische Modell relevant ist. Die Reduktion von Kaliumhexacyanidoferrat(III) auf Gold hat gezeigt, dass elektrostatische Effekte hier eine maßgebliche Rolle spielen. Ein kinetisches Modell wurde erarbeitet, dass die relevanten Einflussfaktoren durch Hydrogel, Geometrie der Nanoreaktoren, diffusions- und elektrostatische Effekte miteinbezieht. Die gewonnenen Daten konnten mittels eines auf der Auswertung des stationären Zustands basierenden Modells erfolgreich gefittet werden. Hierbei wurde das komplexe Zusammenspiel von elektrostatischen Effekten, deren Abschirmung und Einfluss auf die Diffusion sowie die Reaktionsrate gezeigt. Mit wenigen physikalisch aussagekräftigen Fitparametern konnten alle beobachteten Effekte erfolgreich erklärt werden. Der Vergleich der Reduktion von 4-Nitrophenol und von Hexacyanidoferrat(III) zeigt hierbei die entscheidenden Faktoren sowohl für reaktions- als auch für diffusionskontrollierte Reaktionen in thermoresponsiven Hydrogelen. / Two model reactions were investigated with thermoresponsive core-shell nanoreactors, the reduction of 4-nitrophenol and of potassium hexacyanoferrate(III), both reduced with sodium borohydride. The nanoreactors comprise of a polystyrene core surrounded by a hydrogel shell of poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) crosslinked with N,N’-methylenebisacrylamide. Metal nanoparticles are immobilized inside the hydrogel shell on the surface of which the model reactions are catalyzed. In the reduction of 4-nitrophenol, special emphasis is laid on the reduction on gold and silver catalysts. A literature review of mechanistic as well as kinetic studies reveals that the rate determining step may differ between the two catalyst metals. Kinetic investigations with a silver catalyst reveal that the kinetic model derived previously for gold catalysts needs to be modified for the kinetic analysis in this study, confirming a difference in the kinetics for both catalyst metals. The temperature dependent analysis reveals the typical non-Arrhenius dependency of the reaction rate and shows that the partition ratio of the reactants is relevant for the kinetics. The reduction of potassium hexacyanoferrate(III) on gold reveals that electrostatic effects play a major role in this reaction. A new kinetic model is derived, accounting the relevant influence factors of the hydrogel, the nanoreactor geometry, diffusional and electrostatic effects. With a stationary state approach the experimental data are fitted successfully, revealing the complex interplay of electrostatic effects, the screening thereof and the influence on diffusion and reaction rate. With only a few physically meaningful fit parameters all observed effects can be explained successfully. The comparison of the reduction of 4-nitrophenol and potassium hexacyanoferrate(III) highlights the decisive factors in both, reaction and diffusion controlled reactions inside thermoresponsive hydrogels.