Efficient substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) are under constant development, since time-consuming and costly fabrication routines are often an issue for high-throughput spectroscopy applications. In this research, we use a two-step fabrication method to produce self-organized parallel-oriented plasmonic gold nanostructures. The fabrication routine is ready for wafer-scale production involving only low-energy ion beam irradiation and metal deposition. The optical spectroscopy features of the resulting structures show a successful bidirectional plasmonic response. The localized surface plasmon resonances (LSPRs) of each direction are independent from each other and can be tuned by the fabrication parameters. This ability to tune the LSPR characteristics allows the development of optimized plasmonic nanostructures to match different laser excitations and optical transitions for any arbitrary analyte. Moreover, in this study, we probe the polarization and wavelength dependence of such bidirectional plasmonic nanostructures by a complementary spectroscopic ellipsometry and Raman spectroscopy analysis. We observe a significant signal amplification by the SERS substrates and determine enhancement factors of over a thousand times. We also perform finite element method-based calculations of the electromagnetic enhancement for the SERS signal provided by the plasmonic nanostructures. The calculations are based on realistic models constructed using the same particle sizes and shapes experimentally determined by scanning electron microscopy. The spatial distribution of electric field enhancement shows some dispersion in the LSPR, which is a direct consequence of the semi-random distribution of hotspots. The signal enhancement is highly efficient, making our SERS substrates attractive candidates for high-throughput chemical sensing applications in which directionality, chemical stability, and large-scale fabrication are essential requirements.

In smart item environments, multitude of sensors are applied to capture data about product conditions and usage to guide business decisions as well as production automation processes. A big issue in this application area is posed by the restricted quality of sensor data due to limited sensor precision as well as sensor failures and malfunctions. Decisions derived on incorrect or misleading sensor data are likely to be faulty. The issue of how to efficiently provide applications with information about data quality (DQ) is still an open research problem. In this paper, we present a flexible model for the efficient transfer and management of data quality for streaming as well as static data. We propose a data stream metamodel to allow for the propagation of data quality from the sensors up to the respective business application without a significant overhead of data. Furthermore, we present the extension of the traditional RDBMS metamodel to permit the persistent storage of data quality information in a relational database. Finally, we demonstrate a data quality metadata mapping to close the gap between the streaming environment and the target database. Our solution maintains a flexible number of DQ dimensions and supports applications directly consuming streaming data or processing data filed in a persistent database.

Feature selection or variable selection is an important step in different machine learning tasks. In a traditional approach, users specify the amount of features, which shall be selected. Afterwards, algorithm select features by using scores like the Joint Mutual Information (JMI). If users do not know the exact amount of features to select, they need to evaluate the full learning chain for different feature counts in order to determine, which amount leads to the lowest training error. To overcome this drawback, we extend the JMI score and mitigate the flaw by introducing a stopping criterion to the selection algorithm that can be specified depending on the learning task. With this, we enable developers to carry out the feature selection task before the actual learning is done. We call our new score Historical Joint Mutual Information (HJMI). Additionally, we compare our new algorithm, using the novel HJMI score, against traditional algorithms, which use the JMI score. With this, we demonstrate that the HJMI-based algorithm is able to automatically select a reasonable amount of features: Our approach delivers results as good as traditional approaches and sometimes even outperforms them, as it is not limited to a certain step size for feature evaluation.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige Materialien basierenden auf Gold-Nanopartikeln (AuNP) untersucht. AuNP kommen als Materialien für optische und chemiresistive Sensoren zum Einsatz, deren besondere optische und elektrische Eigenschaften sich je nach Form, Größe, Oberflächenchemie oder Aggregatzustand des Nanopartikels verändern kann. Außerdem kann die Kopplung von AuNP mit organischen Molekülen die optischen und elektrischen Eigenschaften dabei beeinflussen. Diese Untersuchung basiert auf dem Au-NP-Komposit, welches durch lagenweise Selbstassemblierung entweder automatisch mit einer Durchflusszelle oder manuell durch das Aufschleudern mit Spincoater hergestellt wurden. Für die Selbstassemblierung werden Dodecylamine-stabilisierte AuNP sowie Alkandithiole, Alkandiamine, Alkanbisdithiocarbamate mit unterschiedlicher Alkylenkette und Polyphenyle mit unterschiedlicher Ringzahl verwendet. In dieser Arbeit wurden die für die Untersuchungen verwendeten Methoden und Materialien beschrieben, ein besonderer Fokus lag dabei in der Anwendung verschiedener Methoden der Probenherstellung und Lagerbedingungen für die Erreichung einer optimierten Herstellungsmethode. In den folgenden Kapiteln wurden sowohl die Probenvorbereitung mit einem eigens angefertigten automatischem Aufbau betrachtet, als auch das Assemblierungsverhalten und die Eigenschaften der Proben, die mit verschiedenen organischen Molekülen verknüpft sind. Die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie wurde angewendet, um die Filmzusammensetzung und den Grad der Vernetzung zu untersuchen. Die Empfindlichkeit der Filme wurde durch Dosierung mit Dämpfen von Toluol, 1-Propanol, 4-Methyl-2-pentanon und Wasser im Konzentrationsbereich von 100 ppm bis 5000 ppm untersucht. Alle Proben reagieren hierbei mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands auf die Analyte. Obwohl die Änderung des Gesamtwiderstandes eher schwach ist, zeigen die Sensoren ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, das für alle Testdämpfe eine Nachweisgrenze unter 100 ppm anzeigt. Die Reaktionsdynamik zeigt eine hohe Reversibilität und einen schnellen Sensormechanismus. Darüber hinaus wurden die optischen Eigenschaften der Linkers mittels UV-Vis-Spektroskopie untersucht und die Probendicke mit Profilometer gemessen. Außerdem wurde eine oberflächenverstärkten Raman-Streuung, sowie eine oberflächenverstärkten Infrarotabsorption durchgeführt, um die Möglichkeit der Umsetzung kugelförmige Dodecylamine-stabilisierte AuNP mit einer durchschnittlichen Größe von 4 nm für den optischen Nachweis zu überprüfen. Im abschließenden Teil der Arbeit wurden die Auswirkungen von Oxidationsprozessen und Alterung auf das Au-NP-Komposit untersucht. Um die Auswirkungen der Oxidation auf die dünnen Gold-Nanopartikel-Filme zu erforschen wurden die Proben mit Ozon in einer unterschiedlichen Oxidationzeit behandelt. Mit Hilfe von XPS bestimmte ich die genaue chemische Zusammensetzung und das Maß des Sauerstoffgehalts in den Filmen. Die Sorption von volatilen organischen Komponenten in den organischen MolekülenNanopartikel-Kompositen wurde untersucht, um zu verstehen, wie die Oxidation die Sensoreigenschaften beeinflusst. In Folge dessen wurden die erhaltenen Ergebnisse mit unoxidierten Proben verglichen. Das ermöglicht eine Analyse, wie sich die Selektivität und die Empfindlichkeit während der Wechselwirkungen mit der Atmosphäre ändern, und erweitert den gegenwärtigen wissenschaftlichen Kenntnisstand. Durchgeführte Messungen und Befunde bestätigen, dass sowohl die Vielzahl an Alkandithiole, Alkandiamine, Alkanbisdithiocarbamate und Polyphenyle als auch die besonderen Eigenschaften der AuNP, ein großes Potential für die Entwicklung weiterer sensorischer Anwendungen haben.:Abstract Zusammenfassung Abbreviations 1. Motivation and goals setting 2. Materials and Methods 2.1 Characteristics of gold nanoparticles 2.1.1 Characteristics of the gold nanoparticles used for the preparation of thin films 2.2 Organic linkers for gas sensors 2.2.1 Synthesis of linkers 2.3 Preparation of the substrates and transducers 2.3.1 Other materials 2.4 Assembling of the thin films 2.4.1 Manual preparation 2.4.1.1 Common preparation 2.4.1.2 Preparation with lower oxidation level 2.4.1.3 Preparation under argon atmosphere 2.4.2 Automatic layer-by-layer self-assembling using cross flow cell 2.4.3 Oxidation of the samples 2.5 Characterization methods and experimental setups 2.5.1 Profilometer 2.5.2 UV-Vis Spectroscopy 2.5.3 Raman spectroscopy 2.5.4 Infrared absorption spectroscopy 2.5.5 X-ray photoelectron spectroscopy 2.5.6 Current-voltage (I-V) measurements 2.5.7 Investigations of sensor characteristics 3. Results and discussion 3.1 Nanocomposites interlinked with polyphenyls 3.1.1. Optical investigations 3.1.1.1 UV-Vis spectroscopy 3.1.1.2 Surface-enhanced Raman spectroscopy 3.1.1.3 Surface-enhanced infrared absorption spectroscopy 3.1.2 Measurements of thickness 3.1.3 Investigations of chemical composition 3.1.3.1 Manually prepared films 3.1.3.2 Films prepared with automatic setup 3.1.4 Investigations of sensor characteristics 3.1.5 Chapter conclusions 3.2 Nanocomposites interlinked with dithiols, amines and bisdithiocarbamates 3.2.1 Layer-by-layer growth of the DT-composites 3.2.2 Layer-by-layer growth of the OBDTC- and ODA-composites 3.2.3 Thickness measurements and density calculations 3.2.4 Absorbance measurements on nanocomposite thin films 3.2.5 Investigations of chemical composition 3.2.6 Electrical characterization and sensor measurements 3.2.7 Chapter conclusions 3.3 Impact of the oxidation processes on the sensing properties of gold nanoparticle composites 3.3.1 Preparation and oxidization of the samples 3.3.2 Investigations of chemical composition 3.3.3 Investigations of sensor characteristics 3.3.4 Chapter conclusions 4. Conclusions and outlook Index of images Index of tables Appendix A Appendix B Appendix C Publications related to this dissertation Conference participations with poster Conference participations with oral talks Bibliography

Carbon nanotubes (CNTs) have attracted great attentions in the field of electronics, sensors, healthcare, and energy conversion. Such emerging applications have driven the carbon nanotube research in a rapid fashion. Indeed, the structure control over CNTs has inspired an intensive research vortex due to the high promises in electronic and optical device applications. Here, this in-depth review is anticipated to provide insights into the controllable synthesis and applications of high-quality CNTs. First, the general synthesis and post-purification of CNTs are briefly discussed. Then, the state-of-the-art electronic device applications are discussed, including field-effect transistors, gas sensors, DNA biosensors, and pressure gauges. Besides, the optical sensors are delivered based on the photoluminescence. In addition, energy applications of CNTs are discussed such as thermoelectric energy generators. Eventually, future opportunities are proposed for the Internet of Things (IoT) oriented sensors, data processing, and artificial intelligence

AlGaAs/GaAs- und AlGaAs/GaAs/InGaAs-Quantengraben-Strukturen mit dotiertem Kanal sowie modulationsdotierte AlGaAs/InGaAs/GaAs- Heterostrukturen auf Halbleitermaterialien mit hoher Elektronendriftgeschwindigkeit werden erfolgreich zur Herstellung von Mikro-Hall-Bauelementen eingesetzt. Mit Blick auf ihre Eignung als Magnetfeldsensoren werden die Signal-Linearität, die Sensitivität und das Rauschen bei schwachen und starken elektrischen Feldern untersucht. Auch bei höheren elektrischen Feldern von mehr als 1.8 kV/cm zeigen die Bauelemente mit dotiertem Kanal eine ausgezeichnete Linearität des Signals. Magnetische Empfindlichkeiten von bis zu 600 V/A/T werden im Konstantstrombetrieb gemessen. Unter Verwendung eines Si-δ-dotierten pseudomorphen InGaAs-Quantengrabens wird sowohl eine bessere Sensitivität als auch ein besseres Rauschverhalten erzielt als bei homogen dotiertem GaAs-Kanal. Als beste Signal-Rausch-Empfindlichkeit wird ein Wert von 138 dB/T erreicht für ein Bauelement von 10·10 µm Fläche (bei 300 K, 100 kHz Messfrequenz und 1 Hz Bandbreite). Da das elektrische Verhalten dieser Strukturen besonders durch die hohen Elektronendriftgeschwindigkeiten bestimmt wird, tritt auch bei hohen elektrischen Feldern bis zu 2.4 kV/cm keine Degradation des Bauelementes auf. Als niedrigste Nachweisgrenze für Magnetfelder wird ein Wert von 127 nT/√Hz bestimmt. Verglichen damit, zeigen die modulationsdotierten Bauelemente von 20·20 µm Größe zwar eine höhere Signal-Rausch-Empfindlichkeit von 141 dB/T bei geringen elektrischen Feldern, die sich aber bei höheren Feldstärken stark verschlechtert. Daher haben die Bauelemente mit dotiertem Kanal und pseudomorph verspanntem InGaAs-Quantengraben unter Ausnutzung hoher Elektronendriftgeschwindigkeit bei hohen elektrischen Feldern einige Vorteile gegenüber den modulationsdotierten Strukturen mit hoher Elektronenbeweglichkeit. Untersuchungen der thermischen Stabilität von Bauelementen mit modulationsdotiertem Quantengraben zeigen, dass eine dicke InGaAs-Schicht (innerhalb fixierter Gesamtdicke des GaAs/InGaAs-Kanals) erforderlich ist, um die parasitäre Parallel-Leitfähigkeit des GaAs-Kanals zu vermeiden. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis und bei Verwendung eines hohen Dotierungsgrades werden ausgezeichnete Temperaturstabilitäten von 90 ppm/K im Konstantstrombetrieb und 192 ppm/K im Konstantspannungsbetrieb erzielt. Unabhängig davon zeigen optische Untersuchungen mit Photolumineszenz-Spektroskopie und Raman-Streuung einen hohen Fehlordnungsgrad in dünnen InGaAs-Quantengräben, der dagegen für dicke pseudomorphe InGaAs-Schichten vernachlässigbar ist. Daher resultiert eine dickere InGaAs-Schicht nicht nur in einer höheren absoluten magnetischen Sensitivität und besseren thermischen Stabilität, sondern auch in geringerem 1/f-Rauschen als Ergebnis von Leitfähigkeitsfluktuationen. Besondere Anstrengungen werden unternommen zum Einsatz der Rauschspektroskopie tiefer Zentren zur Untersuchung der Qualität von Halbleitervolumina bzw. -schichten. In Kombination mit den Untersuchungen der betriebsstromabhängigen Sensitivität erweist sich diese Methode als am Besten geeignet für die Optimierung von Mikro-Hall-Bauelementen. Der Einfluss der Skalierung des Bauelementes auf seine Charakteristika wie Rauschen und magnetische Empfindlichkeit wird untersucht. Sowohl die Signal-Rausch-Empfindlichkeit als auch die Grenzempfindlichkeit sind größenabhängig. Der Einfluss der Geometrie auf die Verteilung des elektrischen Feldes wird für die Form eines Griechischen Kreuzes durch numerische Rechnungen simuliert und diskutiert. Abgerundete Ecken erweisen sich als am Besten geeignet für die Herstellung hochsensitiver und rauscharmer Mikro-Hall-Bauelemente. / Doped-channel quantum well (QW) AlGaAs/GaAs and AlGaAs/GaAs/InGaAs as well as modulation-doped AlGaAs/InGaAs/GaAs heterostructures based on high electron drift velocity semiconductors are successfully applied to the fabrication of micro-Hall devices. Considering these devices as magnetic sensors, their properties were characterized in terms of signal linearity, sensitivity and noise at low and high electric fields. Even at electric fields higher than 1.8 kV/cm, the doped-channel devices exhibit an excellent signal linearity. Magnetic sensitivities up to 600 V/T/A in current drive mode are measured. The usage of a Si-δ-doped pseudomorphic InGaAs QW results in better sensitivity and noise performance than does uniformly doped GaAs. A maximal signal-to-noise sensitivity (SNS) of 138 dB/T is achieved in 10 μm square size device at 300 K, 100 kHz frequency and 1 Hz bandwidth. Because the performance in these structures is driven in part by the high electron drift velocity, it does not degrade even at high electric fields up to 2.4 kV/cm and corresponds to a lowest detection limit of 127 nT/√Hz. Comparatively, the modulation-doped devices of 20 μm square size exhibit a higher SNS of 141 dB/T at low electric fields, but degrade at higher fields. Thus, the doped-channel pseudomorphically strained InGaAs QW high-velocity devices have several advantages over modulation-doped high-mobility structures at high electric fields. Thermal stability studies of doped-channel QW devices reveal a thick InGaAs layer (within a fixed total thickness of the GaAs/InGaAs channel) necessary to avoid the parasitic parallel conductivity in GaAs channel. Using this result and a high doping level, superior temperature stabilities of 90 ppm/K in the current drive mode and 192 ppm/K in the voltage drive mode are attained. Independently, optical studies like photoluminescence and Raman scattering reveal a high degree of disorder in thin InGaAs QWs, being negligible for thick pseudomorphic InGaAs layers. Hence, a thick InGaAs layer causes not only a higher absolute magnetic sensitivity and a better thermal stability, but also lower 1/f noise being a result of conductivity fluctuations. Special effort is devoted to the application of deep level noise spectroscopy as a very sensitive probe for semiconductor bulk and layer quality. Combined with supply-current-related sensitivity studies, this method is most suitable for micro-Hall device optimization. The effect of device scaling on device characteristics like noise and absolute magnetic sensitivity is studied. Both the SNS and detection limit are shown as size-dependent. Additionally, geometry effects on the electric field distribution for Greek cross shapes are simulated by numerical calculations and discussed. Rounded corners appear as most appropriate for the fabrication of highly sensitive low-noise micro-Hall devices.

Laser sind seit ihrer Erfindung im Jahr 1960 essenziell für die Materialbearbeitung und bieten Präzision, Effizienz und Nachhaltigkeit. Während sie anfangs hauptsächlich für die Makrobearbeitung eingesetzt wurden, haben Fortschritte bei kurzwelligen und ultrakurz gepulsten Lasern die präzise Mikro- und Nanobearbeitung ermöglicht, was dem wachsenden Bedarf an umweltfreundlicher Fertigung entspricht. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei laserbasierte Techniken für die nachhaltige Elektrodenproduktion: Laser-induced forward transfer (LIFT) und Laserkohlenstoffisierung. Kapitel 1 führt diese Methoden ein. Kapitel 2 untersucht LIFT für den Polymertransfer, wobei die Oberflächenhaftung und Benetzungseigenschaften untersucht werden, um definierte Polymermikrostrukturen zu erzeugen. Die Studie bietet Einblicke in die Optimierung polymerbasierter Geräte und stellt die LIFT-unterstützte Synthese von Metalloxidmustern für Elektrodenstrukturen und Heteroübergänge vor. Kapitel 3 befasst sich mit der Laserkohlenstoffisierung unter Verwendung von sodium lignosulfonate (SLS), einem Nebenprodukt der Papierindustrie, als nachhaltigem Kohlenstoffvorläufer. Durch die Integration einer haftenden Polymerschicht werden robuste, laser patterned carbon (LP-C) in einem einzigen Schritt hergestellt. Diese LP-C-Elektroden, deren Eigenschaften anpassbar sind, zeigen eine hervorragende Leistung in Superkondensatoren und Dopaminsensoren und weisen eine hohe Kapazität, Energiedichte und Stabilität auf. Diese Arbeit hebt das Potenzial von SLS-basierten LP-C-Elektroden für nachhaltige Energiespeicherung und Biosensorik hervor und trägt zur Weiterentwicklung umweltfreundlicher elektrochemischer Systeme bei. / Lasers have been essential in materials processing since their invention in 1960, offering precision, efficiency, and sustainability. While initially used for macro processing, advances in short-wavelength and short-pulse lasers have enabled precise micro- and nano-scale processing, aligning with the growing demand for eco-friendly manufacturing. This thesis focuses on two laser-based techniques for sustainable electrode production: Laser Induced Forward Transfer (LIFT) and laser carbonization. Chapter 1 introduces these methods. Chapter 2 explores LIFT for polymer transfer, investigating surface adhesion and wetting properties to create defined polymer microstructures. The study provides insights into optimizing polymer-based devices and presents LIFT-assisted metal oxide synthesis for patterned electrode structures and heterojunctions. Chapter 3 examines laser carbonization using sodium lignosulfonate (SLS), a paper industry byproduct, as a sustainable carbon precursor. By integrating an adhesive polymer layer, robust laser-patterned carbon (LP-C) electrodes are fabricated in a single step. These LP-C electrodes, with tunable properties, show excellent performance in supercapacitors and dopamine biosensors, demonstrating high capacitance, energy density, and stability. This work highlights the potential of SLS-based LP-C electrodes for sustainable energy storage and biosensing applications, advancing eco-friendly electrochemical systems.

Die kürzliche globale COVID-19-Pandemie hat deutlich gezeigt, dass hohe medizinische Kosten eine große Herausforderung für unser Gesundheitssystem darstellen. Daher besteht eine wachsende Nachfrage nach personalisierten tragbaren Geräten zur kontinuierlichen Überwachung des Gesundheitszustands von Menschen durch nicht-invasive Erfassung physiologischer Signale. Diese Dissertation fasst die Forschung zur Laserkarbonisierung als Werkzeug für die Synthese flexibler Gassensoren zusammen und präsentiert die Arbeit in vier Teilen. Der erste Teil stellt ein integriertes zweistufiges Verfahren zur Herstellung von laserstrukturiertem (Stickstoff-dotiertem) Kohlenstoff (LP-NC) ausgehend von molekularen Vorstufen vor. Der zweite Teil demonstriert die Herstellung eines flexiblen Sensors für die Kohlendioxid Erfassung basierend auf der Laserumwandlung einer Adenin-basierten Primärtinte. Die unidirektionale Energieeinwirkung kombiniert mit der tiefenabhängigen Abschwächung des Laserstrahls ergibt eine neuartige geschichtete Sensorheterostruktur mit porösen Transducer- und aktiven Sensorschichten. Dieser auf molekularen Vorläufern basierende Laserkarbonisierungsprozess ermöglicht eine selektive Modifikation der Eigenschaften von gedruckten Kohlenstoffmaterialien. Im dritten Teil wird gezeigt, dass die Imprägnierung von LP-NC mit Molybdäncarbid Nanopartikeln die Ladungsträgerdichte verändert, was wiederum die Empfindlichkeit von LP-NC gegenüber gasförmigen Analyten erhöht. Der letzte Teil erläutert, dass die Leitfähigkeit und die Oberflächeneigenschaften von LP-NC verändert werden können, indem der Originaltinte unterschiedliche Konzentrationen von Zinknitrat zugesetzt werden, um die selektiven Elemente des Sensormaterials zu verändern. Basierend auf diesen Faktoren zeigte die hergestellte LP-NC-basierte Sensorplattform in dieser Studie eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität für verschiedene flüchtige organische Verbindungen. / The recent global COVID-19 pandemic clearly displayed that the high costs of medical care on top of an aging population bring great challenges to our health systems. As a result, the demand for personalized wearable devices to continuously monitor the health status of individuals by non-invasive detection of physiological signals, thereby providing sufficient information for health monitoring and even preliminary medical diagnosis, is growing. This dissertation summarizes my research on laser-carbonization as a tool for the synthesis of functional materials for flexible gas sensors. The whole work is divided into four parts. The first part presents an integrated two-step approach starting from molecular precursor to prepare laser-patterned (nitrogen-doped) carbon (LP-NC). The second part shows the fabrication of a flexible LP-NC sensor architecture for room-temperature sensing of carbon dioxide via laser conversion of an adenine-based primary ink. By the unidirectional energy impact in conjunction with depth-dependent attenuation of the laser beam, a novel layered sensor heterostructure with a porous transducer and an active sensor layer is formed. This molecular precursor-based laser carbonization method enables the modification of printed carbon materials. In the third part, it is shown that impregnation of LP-NC with molybdenum carbide nanoparticle alters the charge carrier density, which, in turn, increases the sensitivity of LP-NC towards gaseous analytes. The last part explains that the electrical conductivity and surface properties of LP-NC can be modified by adding different concentrations of zinc nitrate into the primary ink to add selectivity elements to the sensor materials. Based on these factors, the LP-NC-based sensor platforms prepared in this study exhibited high sensitivity and selectivity for different volatile organic compounds.

Textile-reinforced concrete is a promising, innovative, and sustainable alternative to conventional reinforced concrete. Due to their high specific mechanical and excellent chemical properties, textile reinforcements, usually based on carbon fibers, have great potential for resource-efficient, lean, and long-term stable construction methods. Furthermore, they enable a cost-effective strengthening of existing building structures. However, the resistance to short-term dynamic loads, such as earthquakes, rockfalls, or car accidents, is low and can lead to devastating damage in extreme cases. In this thesis, impact-resistant textile reinforcements are developed and tested. The focus is on the concrete structure's impact-facing and impact-rear sides. A multi-scale approach is being pursued to evaluate suitable materials and test methods. This approach is used to research material properties and findings at the yarn, textile, composite, and structural scale. To achieve an improved understanding and to gain deep insight information of textile behavior under impact conditions and impact-induced wave propagation, textile-based strain sensors are developed and used in a network configuration. The acquisition of sensor data and optical analyses of high-speed images present extensive evaluations of impact propagation and strain distribution within the strengthening layer.:1 Introduction 2 State of the art 2.1 Key considerations for strain rate-dependent phenomena 2.1.1 Strain rate dependence 2.1.2 Definition of the strain rate scale 2.1.3 Types of impact 2.1.4 Wave propagation 2.2 High performance fiber materials for textile reinforced concrete 2.2.1 Introduction 2.2.2 Evaluation of suitable fiber materials 2.2.3 Carbon fiber 2.2.4 Steel fibers 2.3 Strain sensing sensor systems 2.3.1 Structural health monitoring 2.3.2 Sensor principles 2.3.3 Preferred sensor principle for the application in TRC 2.4 Textile reinforcement and yarn processing 2.4.1 Weaving 2.4.2 Multiaxial warp-knitting 2.4.3 Tailored-fiber placement 2.4.4 Braiding 2.5 Cement-based Composites 2.5.1 Overview 2.5.2 Steel reinforced concrete 2.5.3 Fiber reinforced concrete 2.5.4 Textile reinforced concrete 2.5.5 Hybrid reinforced concrete 2.6 Derived research gaps 3 Materials under investigation 3.1 Fiber and yarn materials 3.1.1 Materials used for reinforcement 3.1.2 Materials used for textile-based strain sensors 3.1.3 Textile reinforcement 3.2 Impregnation and matrices materials 3.2.1 Polymeric dispersion 3.2.2 Epoxy resin 3.2.3 Cementitious matrices 4 Development of a sensor network for impact scenarios 4.1 Requirements 4.2 Sensor design and network 4.3 Preferred solution 4.4 Measurement technology 5 Development of impact-resistant textile reinforcements for concrete structures 5.1 Definition of the research objective and boundary conditions 5.2 Textile reinforcement on the impact-facing side 5.2.1 Requirements 5.2.2 Conceptual design inspired by nature 5.2.3 Structural design and binding development of the textile reinforcement 5.2.4 Manufacturing process 5.3 Textile reinforcement on the impact-rear side 5.3.1 Requirements 5.3.2 Development process 5.3.3 Manufacturing process 6 Electromechanical characterization on the yarn scale 6.1 Experimental program 6.2 Stage I Fiber scale 6.2.1 Electrical resistance and electromechanical behavior under quasi-static tension 6.3 Stage II Composite scale without textile 6.3.1 Combined tension-compression tests 6.4 Stage III Composite scale with textile 6.4.1 Manufacturing of CFRP specimen with in-situ sensors 6.4.2 Testing procedure and strain measurement methods 6.4.3 Results 6.5 Summary 7 Material behavior on the composite scale 7.1 Quasi-static and impact bending behavior of TRC 7.1.1 Research objective 7.1.2 Textile reinforcement 7.1.3 Specimen manufacturing 7.1.4 Test setup 7.1.5 Results 7.1.6 Conclusion 7.2 Quasi-static tensile behavior of TRC with modified CF-NCF 7.2.1 Research objective 7.2.2 Specimen manufacturing and testing setup 7.2.3 Results 7.2.4 Conclusion 8 Material behavior on the structural scale 8.1 Design of the drop tower facility 8.2 Cementitious composite strengthening layers for the impact-facing side 8.2.1 Functionalized CW3DT reinforcement 8.2.2 Specimen manufacturing and testing parameters 8.2.3 Results 8.2.4 Conclusion 8.3 Cementitious composite strengthening layers for the impact-rear side 8.3.1 Specimen manufacturing and testing parameters 8.3.2 Results 8.3.3 Summarized discussion of the findings 9 Summary and outlook 9.1 Summary of the research work 9.2 Conclusions 9.3 Outlook Bibliography List of Figures List of Tables A Weaving pattern of the CW3DT / Textilverstärkter Beton ist eine vielversprechende, innovative und nachhaltige Alternative zum herkömmlichen Stahlbeton. Aufgrund ihrer hohen spezifischen mechanischen und ausgezeichneten chemischen Eigenschaften besitzen textile Bewehrungen, meist auf Carbonfaserbasis, ein großes Potenzial für ressourceneffiziente, schlanke und langzeitstabile Bauweisen. Bestehende Baustrukturen können dadurch nachträglich verstärkt werden. Allerdings ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber kurzzeitdynamischer Beanspruchung, wie Erdbeben, Steinschlag oder Autounfälle, gering und kann im Extremfall zu verheerenden Schäden führen. In der vorliegenden Arbeit werden impaktresistente textile Verstärkungsschichten entwickelt und erprobt. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der impaktzugewandten als auch auf der impaktabgewandten Strukturseite. Um geeignete Materialien und Prüfmethoden zu evaluieren, wird ein Mehrskalenansatz verfolgt. Dieser Ansatz dient zur Erforschung von Materialeigenschaften und Erkenntnissen auf der Garn\nobreakdash-, Textil-, Verbund- und Strukturebene. Zur Erreichung eines verbesserten Verständnisses des textilen Verhaltens unter Impaktbedingungen sowie der impaktinduzierten Wellenausbreitung, werden textilbasierte Dehnungssensoren entwickelt und in einem Netzwerk eingesetzt. Durch die Erfassung von Sensordaten und optischen Analysen von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen werden umfangreiche Auswertungen zur Impaktausbreitung und Dehnungsverteilung innerhalb der textilen Betonverstärkungsschicht durchgeführt und präsentiert.:1 Introduction 2 State of the art 2.1 Key considerations for strain rate-dependent phenomena 2.1.1 Strain rate dependence 2.1.2 Definition of the strain rate scale 2.1.3 Types of impact 2.1.4 Wave propagation 2.2 High performance fiber materials for textile reinforced concrete 2.2.1 Introduction 2.2.2 Evaluation of suitable fiber materials 2.2.3 Carbon fiber 2.2.4 Steel fibers 2.3 Strain sensing sensor systems 2.3.1 Structural health monitoring 2.3.2 Sensor principles 2.3.3 Preferred sensor principle for the application in TRC 2.4 Textile reinforcement and yarn processing 2.4.1 Weaving 2.4.2 Multiaxial warp-knitting 2.4.3 Tailored-fiber placement 2.4.4 Braiding 2.5 Cement-based Composites 2.5.1 Overview 2.5.2 Steel reinforced concrete 2.5.3 Fiber reinforced concrete 2.5.4 Textile reinforced concrete 2.5.5 Hybrid reinforced concrete 2.6 Derived research gaps 3 Materials under investigation 3.1 Fiber and yarn materials 3.1.1 Materials used for reinforcement 3.1.2 Materials used for textile-based strain sensors 3.1.3 Textile reinforcement 3.2 Impregnation and matrices materials 3.2.1 Polymeric dispersion 3.2.2 Epoxy resin 3.2.3 Cementitious matrices 4 Development of a sensor network for impact scenarios 4.1 Requirements 4.2 Sensor design and network 4.3 Preferred solution 4.4 Measurement technology 5 Development of impact-resistant textile reinforcements for concrete structures 5.1 Definition of the research objective and boundary conditions 5.2 Textile reinforcement on the impact-facing side 5.2.1 Requirements 5.2.2 Conceptual design inspired by nature 5.2.3 Structural design and binding development of the textile reinforcement 5.2.4 Manufacturing process 5.3 Textile reinforcement on the impact-rear side 5.3.1 Requirements 5.3.2 Development process 5.3.3 Manufacturing process 6 Electromechanical characterization on the yarn scale 6.1 Experimental program 6.2 Stage I Fiber scale 6.2.1 Electrical resistance and electromechanical behavior under quasi-static tension 6.3 Stage II Composite scale without textile 6.3.1 Combined tension-compression tests 6.4 Stage III Composite scale with textile 6.4.1 Manufacturing of CFRP specimen with in-situ sensors 6.4.2 Testing procedure and strain measurement methods 6.4.3 Results 6.5 Summary 7 Material behavior on the composite scale 7.1 Quasi-static and impact bending behavior of TRC 7.1.1 Research objective 7.1.2 Textile reinforcement 7.1.3 Specimen manufacturing 7.1.4 Test setup 7.1.5 Results 7.1.6 Conclusion 7.2 Quasi-static tensile behavior of TRC with modified CF-NCF 7.2.1 Research objective 7.2.2 Specimen manufacturing and testing setup 7.2.3 Results 7.2.4 Conclusion 8 Material behavior on the structural scale 8.1 Design of the drop tower facility 8.2 Cementitious composite strengthening layers for the impact-facing side 8.2.1 Functionalized CW3DT reinforcement 8.2.2 Specimen manufacturing and testing parameters 8.2.3 Results 8.2.4 Conclusion 8.3 Cementitious composite strengthening layers for the impact-rear side 8.3.1 Specimen manufacturing and testing parameters 8.3.2 Results 8.3.3 Summarized discussion of the findings 9 Summary and outlook 9.1 Summary of the research work 9.2 Conclusions 9.3 Outlook Bibliography List of Figures List of Tables A Weaving pattern of the CW3DT

Several applications have been proposed for wireless sensor networks, including habitat monitoring, structural health monitoring, pipeline monitoring, and precision agriculture. Among the desirable features of wireless sensor networks, one is the ease of deployment. Since the nodes are capable of self-organization, they can be placed easily in areas that are otherwise inaccessible to or impractical for other types of sensing systems. In fact, some have proposed the deployment of wireless sensor networks by dropping nodes from a plane, delivering them in an artillery shell, or launching them via a catapult from onboard a ship. There are also reports of actual aerial deployments, for example the one carried out using an unmanned aerial vehicle (UAV) at a Marine Corps combat centre in California -- the nodes were able to establish a time-synchronized, multi-hop communication network for tracking vehicles that passed along a dirt road. While this has a practical relevance for some civil applications (such as rescue operations), a more realistic deployment involves the careful planning and placement of sensors. Even then, nodes may not be placed optimally to ensure that the network is fully connected and high-quality data pertaining to the phenomena being monitored can be extracted from the network. This work aims to address the problem of random deployment through two complementary approaches: The first approach aims to address the problem of random deployment from a communication perspective. It begins by establishing a comprehensive mathematical model to quantify the energy cost of various concerns of a fully operational wireless sensor network. Based on the analytic model, an energy-efficient topology control protocol is developed. The protocol sets eligibility metric to establish and maintain a multi-hop communication path and to ensure that all nodes exhaust their energy in a uniform manner. The second approach focuses on addressing the problem of imperfect sensing from a signal processing perspective. It investigates the impact of deployment errors (calibration, placement, and orientation errors) on the quality of the sensed data and attempts to identify robust and error-agnostic features. If random placement is unavoidable and dense deployment cannot be supported, robust and error-agnostic features enable one to recognize interesting events from erroneous or imperfect data.