Hochleistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien sind insbesondere von der hohen spezifischen Kapazität ihrer Elektrodenmaterialien abhängig. Intermetallische Phasen sind vielversprechende Kandidaten für alternative Anodenmaterialien mit verbesserten spezifischen Kapazitäten (LiAl: 993 Ah/kg; Li22Si5: 4191 Ah/kg) gegenüber den derzeit vielfach verwendeten Kohlenstoff-Materialien (LiC6: 372 Ah/kg). Nachteilig ist jedoch, dass die kristallinen Phasenumwandlungen während der Lade-Entlade-Prozesse Volumenänderungen von 100-300% verursachen. Durch die Sprödigkeit der intermetallischen Phasen führt dies zum Zerbrechen des Elektrodenmaterials und damit zum Kontaktverlust. Um Lithiierungs- und Delithiierunsprozesse ohne kristalline Phasenumwandlungen zu realisieren und somit große Volumenänderungen zu vermeiden, wurden amorphe Al-Legierungen untersucht. In amorphe, mittels Schmelzspinnen hergestellte Legierungen (Al86Ni8La6 und Al86Ni8Y6) kann beim galvanostatischen Zyklieren nur sehr wenig Li eingelagert werden. Da kristalline Phasenumwandlungen im amorphen Zustand nicht möglich sind, wird für die Diffusion und Einlagerung von Li-Ionen ein ausreichendes freies Volumen im amorphen Atomgerüst benötigt. Die Dichtemessung der Legierungen zeigt, dass dieses freie Volumen für eine signifikante Lithiierung nicht ausreichend ist. Wird Li bereits in die amorphe Ausgangslegierung integriert, können Li-Ionen auf elektrochemischem Wege aus ihr entfernt und auch wieder eingebaut werden. Die neuartige Legierung Al43Li43Ni8Y6, die Li bereits im Ausgangszustand enthält, konnte mittels Hochenergiemahlung als amorphes Pulver hergestellt werden. Verglichen mit den Li-freien amorphen Legierungen Al86Ni8La6 bzw. Al86Ni8Y6 und ihren kristallisierten Pendants zeigt diese neu entwickelte, amorphe Legierung eine signifikant höhere Lithiierungsfähigkeit und erreicht damit eine spezifische Kapazität von ca. 800 Ah/kg bezogen auf den Al-Anteil. Durch den Abrieb des Stahlmahlbechers enthält das Pulver Al43Li43Ni8Y6 einen Fe-Anteil von ca. 15 Masse%. Dieses mit Fe verunreinigte Material zeigt besonders bei niedrigen Laderaten eine bessere Zyklenstabilität als ein im abriebfesten Siliziumnitrid-Becher gemahlenes Pulver der gleichen Zusammensetzung. Mittels Mössbauerspektroskopie wurde nachgewiesen, dass das Pulver z.T. oxidisches Fe enthält. Dieses kann über Konversionsmechanismen einen Beitrag zur spezifischen Kapazität leisten. / High-energy Li-ion batteries exceedingly depend on the high specific capacity of electrode materials. Intermetallic alloys are promising candidates to be alternative anode materials with enhanced specific capacities (LiAl: 993 Ah/kg; Li22Si5: 4191 Ah/kg) in contrast to state-of-the-art techniques, dominated by carbon materials (LiC6: 372 Ah/kg). Disadvantageously the phase transitions during the charge-discharge processes, induced by the lithiation process, cause volume changes of 100-300 %. Due to the brittleness of intermetallic phases, the fracturing of the electrode material leads to the loss of the electrical contact. In order to overcome the huge volume changes amorphous Al-based alloys were investigated with the intension to realize the lithiation process without a phase transformation. Amorphous powders (Al86Ni8La6 and Al86Ni8Y6) produced via melt spinning and subsequent ball milling only show a minor lithiation during the electrochemical cycling process. This is mainly caused by the insufficient free volume, which is necessary to transfer and store Li-ions, since phase transitions are impossible in the amorphous state. If Li is already integrated into the amorphous alloy, Li-ions can easily be removed and inserted electrochemically. The new alloy Al43Li43Ni8Y6 contains Li already in its initial state and could be prepared by high energy milling as an amorphous powder. Compared with the Li-free amorphous alloys Al86Ni8La6 or Al86Ni8Y6 and their crystalline counterparts, this newly developed amorphous alloy achieves a significantly higher lithiation and therefore reaches a specific capacity of 800 Ah/kg, based on the Al-content. By the abrasion of the steel milling vials the powder contains a wear debris of 15 mass% Fe. This contaminated material shows a better cycling stability than a powder of the same composition, milled in a non-abrasive silicon nitride vial. By means of Mössbauer spectroscopy has been shown that the wear debris contains Fe oxides. This may contribute to the enhancement of the specific capacity about conversion mechanisms.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spaltreaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss ausgesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nanohärtemessungen und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Abhängigkeit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für ausgewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronenbestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernisstärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungsbedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungsreihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

Electronic systems of the future require a very high bandwidth communications infrastructure within the system. This way the massive amount of compute power which will be available can be inter-connected to realize future powerful advanced electronic systems. Today, electronic inter-connects between 3D chip-stacks, as well as intra-connects within 3D chip-stacks are approaching data rates of 100 Gbit/s soon. Hence, the question to be answered is how to efficiently design the communications infrastructure which will be within electronic systems. Within this paper approaches and results for building this infrastructure for future electronics are addressed.

Jahresbericht des Instituts für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Dresden

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Die extrem große Bandbreite, die UWB-Systeme zur Übertragung von Daten nutzen können, ermöglicht theoretisch eine sehr hohe Datenrate. Eine mögliche Umsetzung der UWB-Technologie ist die sogenannte Multiband-Impuls-Radio-Architektur (MIRA). Dieses UWB-System basiert auf der Übertragung von Daten mittels kurzer Impulse parallel in mehreren Frequenzbändern. Als Empfänger kommen einfache Energiedetektoren zum Einsatz. Diese Komponenten haben entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Deshalb liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung der Leistungsfähigkeit und im speziellen der Herleitung der Bitfehlerwahrscheinlichkeiten für Energiedetektoren in unterschiedlichen UWB-Kanälen. Aufgrund des sehr einfachen Aufbaus eines Energiedetektors wird dieser auch in vielen anderen Bereichen eingesetzt. So werden Energiedetektoren zur Detektion von freien Bereichen im Übertragungsspektrum bei Cognitive Radio und für weitere unterschiedliche Übertragungssysteme wie z.B. Sensorsysteme mit geringer Datenrate und Übertragungssysteme die zusätzlich Ortung ermöglichen, genutzt.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) verfügen über eine Vielzahl von herausragenden und möglicherweise nutzbringenden Eigenschaften. Die kontrollierte Integration von CNT in technische Systeme stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für den Aufbau von Strukturen und Bauelementen aus CNT entwickelt, die auf Selbstorganisation bzw. bottom-up assembly basieren. Dabei kamen sowohl biochemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Einzelsträngige DNA wurde verwendet um CNT in wässrigen Medien zu suspendieren und zu vereinzeln. Beides sind wichtige Voraussetzungen, um die günstigen elektronischen Eigenschaften der CNT zugänglich zu machen. DNA-CNT-Suspensionen wurden sowohl spektroskopisch in ihrer Gesamtheit als auch kraftmikroskopisch auf molekularer Ebene untersucht. So konnten wesentliche Parameter des Herstellungsprozesses optimiert werden, um Suspensionen mit einem hohen Gehalt an langen, sauberen, vereinzelten CNT zu erhalten. Durch die Verwendung von funktionalisierten DNA-Molekülen ist es gelungen, Halbleiterquantenpunkte und Goldkolloide an CNT anzubinden. Im Fall der Quantenpunkte gelang dies mit Hilfe der Biotin-Streptavidin Bindung unter Anwendung des Prinzips der molekularen Erkennung. Die Anbindung dieser Nanopartikel kann als Prototyp für den DNA-vermittelten Strukturaufbau aus CNT angesehen werden. Zur Deposition von CNT in Elektrodenstrukturen wurde ein auf Dielektrophorese beruhendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es gelungen, die wesentlichen Parameter zu identifizieren, die für die Morphologie der abgeschiedenen CNT entscheidend sind. So konnte die Dichte der CNT-Verbindungen zwischen Elektroden von einzelnen Verbindungen über wenige bis hin zu sehr vielen parallel assemblierten CNT eingestellt werden. Durch ein sich selbst steuerndes Hintereinanderlagern von CNT war es möglich auch Elektroden zu verbinden, deren Abstand größer war als die Länge der verwendeten CNT. Durch gezieltes Eliminieren metallischer CNT-Strompfade nach der Deposition ist es gelungen, CNT-Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) mit Schaltverhältnissen von bis zu sieben Dekaden herzustellen. Auch dieses Verfahren ist skalierbar und unkompliziert, da es sich selbst steuert. Es ist skalierbar und deshalb auch für technische Anwendungen geeignet. An Hand des Beispiels der Detektion von Ethanoldampf konnte gezeigt werden, dass die über Dielektrophorese aufgebauten CNT-FETs auch als Sensoren eingesetzt werden können. Durch eine Kombination der dielektrophoretischen Deposition von CNT und dem dielektrophoretisch gesteuerten Wachstum metallischer Nanodrähte konnte eine neuartige Hybridstruktur aus CNT und Palladium-Nanodrähten erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist eine Voraussetzung für den Aufbau integrierter nanoskaliger Schaltkreise. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen zahlreiche Möglichkeiten auf, verschiedenartige nanoskopische Objekte miteinander integrieren, um neue Anwendungen zu ermöglichen.

Although the design principles of the Switched Reluctance Machines (SRMs) are available in different fragments in numerous bibliography positions, there no exists the complex design procedure of whole drive system taking into account the SR Machine, control system and supply device as well. The hybrid design method for SRM drives with application of new analytical calculation methods, finite element method and simulation models is proposed in this thesis. The calculation/design system is characterised by important effectivity and reliability. The new possibilities in analytical determination of saturation effects and core losses under various modes of control, including sensorless method, are also taken into account. The correctness of the proposed design algorithms are verified by laboratory tests made on three motor prototypes manufactured in industry for concrete application. This dissertation provides the elements indispensable for more accurate and complex analysis and design of drives with switch reluctance motors. The elements of electrical motor and control system design as well as the considerations on the choice of supply device and controller subsystems are jointed in the thesis for final receiving of the design tool for considered industrial drive system.

Mit zunehmender Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente steigen die Anforderungen an reproduzierbare qualitätskonforme Schichten. Um die zur Herstellung notwendigen ALD/PVD/CVD-Schichtabscheideanlagen in einen zuverlässigen Zustand zu versetzen, ist eine regelmäßige Kammerreinigung notwendig. Während des Abscheideprozesses werden nicht nur das Substrat, sondern auch die umliegenden Kammerteile beschichtet. Diese Schichten wachsen mit jedem Beschichtungszyklus weiter an. Der Stress zwischen Schicht und Kammerwand steigt beständig, und es besteht das Risiko das Teile abplatzen und auf die Waferoberfläche fallen und damit die Struktur unbrauchbar machen. Um das zu verhindern, muss die Kammerwand in einen regelmäßigen Zustand versetzt werden, in dem sichergestellt ist, daß keine Schichtreste abplatzen können. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Trockenreinigung von ALD-Titannitrid Kammern vorgestellt. Dazu wurden TiN-Stücke (hergestellt im ALD, CVD, PVD-Verfahren) auf einem temperaturgeregelten Probenhalter platziert. Eine Argon/NF3 Gasmischung wurde in einer externen Plasmaquelle (RPS) zerlegt und in die Reaktionskammer geschleust. Die Ätzung wurde mit in-situ Reflexionsmessung beobachtet. Experimente mit Chlorzugabe wurden unternommen und ein starker Einfluss auf den Ätzmechanismus beobachtet. Die Ätzraten des TiN sind exponentiell abhängig von der Temperatur und proportional abhängig von der Verfügbarkeit atomaren Fluors. Dieses wird bei der Zerlegung von NF3 frei gesetzt und steht der Reaktion zur Verfügung. Die NF3-Zerlegung in Fluor und Stickstoff wurde mit Hilfe der Massenspektrometrie (QMS) untersucht, Zerlegungsgrade größer 96% wurden erreicht. Mit Hilfe dieser Messung kann der Einfluss der Kammerreinigung auf den Treibhausgasausstoß (GWP) bestimmt werden. Mit dem Ar/NF3-Verfahren können die GWP-Emissionen um 90% im Vergleich zur RIE-Ätzung mit SF6 reduziert werden. Mit Argon/Chlor-Plasmen konnte kein Titannitrid geätzt werden, da die physikalische Sputterkomponente fehlte. Durch Hinzufügen von Chlor zu einer Ar/NF3-Gasmischung konnte die Ätzrate um bis zu 270% im Bereich niedrige Temperaturen/niedriger Druck gesteigert werden. Bei höheren Temperaturen/höherem Druck fielen die Ar/NF3/Chlor Ätzraten allerdings deutlich hinter die des Ar/NF3 zurück. Die dazu führenden Effekte werden untersucht und ausgeführt. Die Nutzung von externen Plasmaquellen bietet eine vielversprechende Alternative um Abscheideanlagen von TiN-Rückständen reinigen zu können. Bei hohen Temperaturen werden deutlich höhere Ätzraten als bei anderen Schichten (SiN, SiO2, W) erreicht. Für Anwendungen im niedrigen Temperaturbereich erlaubt die Zugabe von Chlor interessante Anwendungsmöglichkeiten. / Demands on state of the art deposition technologies for semiconductor production focus on uniformity, repeatability and low defectivity. The chamber condition is a key parameter to achieve these high demands in chemical vapour deposition (CVD) processes and are even more critical to the atomic layer deposition processes (ALD). During the deposition process not only the wafer surface but other chamber parts as well are covered with a thin film. This film accumulates during the deposition cycles and is prone to fall off the walls and pollute the wafer surface. The chamber parts that are exposed to the deposition must be set back to a steady state so that no deposits fall off the walls. The chamber condition also changes uncontrolled with varying film condition on the wall. A new approach for cleaning of ALD-titanium nitride (TiN) deposition chambers was investigated. To determine etch rates TiN-samples (created by ALD, CVD and PVD) were placed on a temperature controlled sample holder. An argon/NF3 mixture was excited in an upstream remote plasma source (RPS) and then routed through the reaction chamber. No further plasma activation inside the reaction chamber was done. The etching was monitored by in-situ reflectometry and etch rates were calculated. The effect of chlorine addition was also studied and strong influence on etch rates was found. The etch rate of TiN is dependent exponentially on temperature and very low etch rates were achieved below 70◦C at a chamber pressure ranging from 20-300 Pa. It was found that this correlates very well with the vapour pressure of the reaction product TiF4. At temperatures of 300◦C etch rates up to 800 nm/min were achieved. The optimum pressure for etching was found at 100 Pa while the pressure effect was small. The etch rate was mainly dependent on the availability of activated fluorine to create TiF4 by the reaction 2 NF3 → N2 + 6 F* 2 TiN + 8 F* → 2 TiF4 + N2 The NF3 decomposition to nitrogen and fluorine was monitored by quadrupole mass spectrometry (QMS) and was found to be greater than 96%. This figure allows an estimation of the amount of Global warm potential (GWP) gas emmited by the process for environmental considerations. Using argon/NF3 or argon/fluorine mixtures in RPS devices reduces the GWP emissions by more than 90% compared to RIE plasma cleaning with SF6. No etching occurred by using argon/chlorine only mixtures as no physical etch component was involved in RPS etch. However adding chlorine to the argon/NF3 mixture accelerated the etching process. Chlorine addition to the argon/NF3 mixture increased the etch rates up to 270% in the low pressure/low temperature regime. At higher temperatures or higher pressures the etch rates dropped below the etch rates achieved solely with fluorine chemistry. It must be emphasized that there is no physical acceleration of the ionized molecules toward the etched sample in this remote plasma setup. The usage of a remote plasma offers an alternative way to remove residues from chambers running TiN deposition processes. At high temperatures the Ar/NF3 offers remarkably high etching rates for TiN compared to other films (silicon nitride, -oxide, tungsten) usually cleaned by remote plasma. For low temperature applications the chlorine enhancement offers an interesting alternative to accelerate the etch process.

Drei numerische Feldberechnungsverfahren - die Momentenmehtode, die Einheitliche Geometrische Beugungstheorie und die Verallgemeinerte Multipoltechnik - werden schrittweise zu einer Erweiterten Hybridmethode (EHM) kombiniert. Dabei wird jeder einzelne Kombinationsschritt anschaulich anhand von Beispielen erläutert, die den Vorteil der EHM verdeutlichen: Mit diesem Verfahren lassen sich bestimmte Anordnungen äußerst effektiv analysieren.