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Etude du transport de charges dans les polymères semi-conducteurs à faible bande interdite et de son impact sur les performances photovoltaïques / Study of charge transport in low band-gap semiconducting polymers and its impact on phototovoltaic performancesFall, Sadiara 12 April 2013 (has links)
Le transport de charges dans une série de copolymères à faible bande interdite basés sur l'alternance de motifs riches en électrons (thiophène, thiénothiophène) et d‘unités déficients en électrons (benzothiadiazole) et dans leurs mélanges avec un dérivé du fullerène (PCBM-C60) a été étudié. Les polymères sont différenciés par la structure moléculaire de leur coeur conjugué et par la nature, la position et la densité de leurs chaines latérales. Dans les polymères purs, la mobilité a été étudiée en fonction de la densité de charges par le biais de l’analyses de caractéristiques électriques de transistors à effet de champ et de dispositifs à un seul type de porteurs dont le courant est limité par la charge d’espace. En utilisant le modèle de transport de charges développé par Vissenberg et al., nous avons pu estimer le degré de désordre dans le film organique et corréler le transport de charge avec le degré d’ordre structural mesuré par la diffraction des Rayons-X. Ces polymères ont été conçus pour être utilisés dans la couche active des cellules solaires organiques. Grâce à l’étude du transport de charges dans les mélanges à différents ratios massiques polymères:fullerène, nous avons mis en évidence l’effet considérable de la structure moléculaire sur le ratio optimal polymère:fullerène. Aussi, nous avons pu montrer que la nature des chaînes latérales joue un rôle important dans l’obtention d’un chemin de percolation optimal à la conduction des électrons. / The charge transport in a series of low band-gap copolymers based on the alternation of electron-rich units (thiophene, thienothiophene) and electron-deficient units (benzothiadiazole) and in their blends with a fullerene derivative (PCBM-C60) is investigated. The polymers are differentiated by the molecular structure of the conjugated backbone and by the nature, position and density of alkyl side chains. In pristine polymer films, the hole mobility has been investigated as a function of charge carrier density by analyzing the electrical response of field-effect transistors and single carrier spacecharge- limited current devices. By using the charge transport model developed by Vissenberg et al., we could quantify the structural disorder for the different polymers and correlate their degree of anisotropy with structural data obtained by Grazing Incidence Wide Angle X-ray diffraction. These polymers have been used in the active layer of organic solar cells. The ambipolar chargetransport was investigated in the corresponding polymer:fullerene blends. The results show that the side chains play a major role on the polymer: fullerene interactions and controls the optimal weight ratio. Also, we have shown that the nature of the side chains has a strong impact in the optimal electron conducting pathways.
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Performance of the CERN PSB at 160 MeV with H- charge exchange injection / Performance du CERN PSB avec injection basée sur échange de charge H- à 160 MeVForte, Vincenzo 03 June 2016 (has links)
Dans le cadre du projet LIU, vise à augmenter la puissance des injecteurs du LHC, le CERN PS Booster (PSB) sera mis à jour avec un système d'injection d'échange de charge H- et son énergie d'injection sera portée de 50 MeV à 160 MeV pour obtenir la luminosité du faisceau nécessaire pour le LHC High-Luminosity Upgrade. Effets de charge d'espace comme pertes de faisceau et incrément d’émittance transversale à l'injection vont être les principales limites vers la réalisation de la haute luminosité souhaitée. Des études sur la dynamique du faisceau en présence de charge d'espace afin d'évaluer les performances du PSB après la mise à niveau ont été effectuées. La première partie du travail consiste de mesures dans la présente machine, pour étudier les effets de charge d'espace et son interaction avec les résonances et d'avoir un ensemble de données pour le code benchmarking. Le code choisi pour le suivi du faisceau en présence de charge d'espace est PTC-Orbit (et PyOrbit). Les études de convergence numériques nécessaires sont présentées conjointement avec les études de la comparaison des simulations avec les mesures dans la machine. Une fois évalué le code et ses limites, les prévisions pour l'injection dans le PSB à 160 MeV avec des poutres de luminosité élevé sont livrés en termes de pertes de faisceau et incrément d’émittance. Ces études comprennent l'optimisation du point de fonctionnement, la compensation des résonances et/ou la correction de chromaticité en tenant compte des erreurs magnétiques attendus dans la machine. / As part of the LHC Injector Upgrade Project, the CERN PS Booster (PSB) will be upgraded with a H- charge exchange injection system and its injection energy will be raised from 50 MeV to 160 MeV to obtain the beam brightness required for the LHC High-Luminosity Upgrade. Space charge effects like beam losses and transverse emittance blow-up at injection are expected to be the main limitations towards the achievement of the required high brightness. Studies of beam dynamics in presence of space charge in order to evaluate the performances of the PSB after the Upgrade have been performed. The first part of the work consists of measurements in the present machine, to study the effects of space charge and its interplay with resonances and to have a good set of data for code benchmarking. The code chosen for the beam tracking in presence of space charge is PTC-Orbit (and PyOrbit). Necessary numerical convergence studies are presented together with a benchmark with the PSB measurements. Once assessed the code and its limitations, predictions for the 160 MeV injection with high- brightness beams are delivered in terms of beam losses and emittance blow-up. These studies include the optimization of the working-point, resonance compensation and/or chromaticity correction taking into account the expected magnetic errors in the machine.
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Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter GleichspannungsbelastungHering, Maria 11 March 2016 (has links)
Gasisolierte Systeme im Gleichspannungsbetrieb vereinen für Anwendungen moderner Energieübertragung die Forderungen nach kleinräumigen Anlagen und verlustarmem Energietransport über große Entfernungen. Für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb muss das Verhalten der eingesetzten Gas-Feststoff-Isolierung im technologischen System bis an die Grenzen des Isolationsvermögens bekannt sein. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist deshalb das Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung. Dabei stehen zwei wesentliche Einflussfaktoren im Vordergrund: die Temperatur, motiviert durch reale Stromwärmeverluste, und eine feste Störstelle auf der Gas-Feststoff-Grenzfläche, motiviert durch in der Praxis nicht völlig auszuschließende, metallische Partikel. Die Effekte dieser beiden Parameter auf die Feldverteilung, die Oberflächen- und Raumladungsbildung sowie das Isolationsvermögen bei Gleichspannung werden zunächst in zwei Versuchsanordnungen separat experimentell untersucht. Anschließend wird deren Zusammenwirken und gegenseitige Beeinflussung im Gesamtsystem analysiert.
Die betriebsbedingte Erwärmung der Leiter gasisolierter Systeme führt zu einer inhomogenen Temperaturverteilung, die sich auf die Eigenschaften der Isolierstoffe Gas und Epoxidharz auswirkt. Die von der Temperatur abhängige Leitfähigkeit der Feststoffisolatoren führt zu einer temperaturabhängigen Feldverteilung, bei der sich der Ort der Höchstfeldstärke verschiebt. Dabei kann sich der Absolutwert der Höchstfeldstärke erhöhen und somit das Isolationsvermögen verringern. Gleichzeitig weist das Isoliergas nahe des erwärmten Leiters lokal eine geringere Dichte und damit eine geringere dielektrische Festigkeit auf. Die thermisch bedingte Minderung des Isolationsvermögens bei Gleichspannung beträgt in der untersuchten Anordnung (25 ... 35) %.
In den schwach inhomogenen Feldern gasisolierter Anlagen erweisen sich metallische Partikel auf Isolatoren ab drei Millimetern Länge als besonders kritisch. Bei einem Gasdruck unterhalb von 0,3 MPa setzen an den Partikelspitzen zum Teil bereits ab 50 % der Durchschlagsspannung ohne Partikel Teilentladungen ein, sodass die Koronastabilisierung zu einer vergleichsweise hohen Überschlagsspannung führt. Durch diese stabilen Glimmentladungen kann die Störstelle bei Gleichspannung durch die üblichen Detektionsverfahren jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden. Oberhalb von 0,3 MPa treten vor dem Überschlag keine Teilentladungen auf. Aufgrund der fehlenden Koronastabilisierung kann die Isolationsfestigkeit durch einen erhöhten Gasdruck nicht oder nur stark unterproportional gesteigert werden. Die mit der Modellanordnung gewonnenen Erkenntnisse sind nachweislich auf Isolatoren kommerzieller Anlagen übertragbar.
Das in der vorliegenden Arbeit untersuchte Überschlagsverhalten von Gas-Feststoff-Isoliersystemen unter Gleichspannungsbelastung wird maßgeblich durch die Temperaturverteilung und durch feste Störstellen auf der Grenzfläche beeinflusst. Oberflächen- und Raumladungen verändern das üblicherweise ohmsch-kapazitiv beschriebene Verhalten des Isolierstoffsystems bei Gleich- und Mischspannungsbelastung. Der Einfluss zusätzlicher Ladungsträger auf die stark temperaturabhängige Feldumbildung demonstriert, dass das Isoliergas in diesem Fall mit teilchendichte- und feldstärkeabhängigen Drift- und Diffusionsprozessen zur Modellierung des transienten Verhaltens von Gleichspannungssystemen berücksichtigt werden muss. Die Untersuchung des Systemverhaltens an den Grenzen des Isolationsvermögens ist wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung innovativer Technologien der modernen Energieübertragung bei steigender Übertragungsleistung. / DC operated gas-insulated systems combine the demand for space saving installations and lowloss energy transport over long distances for applications of recent energy transmission. In order to ensure a reliable and safe operation, the behaviour of the gas-solid insulation, which is used in the technological system, has to be known up to the limits of the insulation properties. Hence, this thesis deals with the flashover behaviour of gas-solid insulation systems under DC voltage stress. Thereby, it focuses on two main influence factors: the temperature, due to real current heat losses, and an adhesive defect on the gas-solid interface, due to metallic particles that cannot be fully excluded in practice. Firstly, it is investigated experimentally in two test arrangements, how each parameter separately affects the electrical field distribution, the surface and volume charge accumulation and the insulation performance under DC voltage stress. Following that, their interaction and mutual influence is analysed in the whole system.
Due to operating currents, the heating of the conductors in gas-insulated systems causes an inhomogeneous temperature distribution, that affects the properties of the insulating materials gas and epoxy resin. The temperature-dependent conductivity of the solid insulators leads to a temperature-dependent field distribution. Thereby, the location of the highest field strength is shifted. Since the absolute value of the highest field strength can increase, the insulation performance can decrease. Simultaneously, the insulating gas close to the heated conductor locally has a lower gas density and therefore a lower dielectric strength. The thermal related reduction of the insulation performance under DC voltage stress amounts to (25 ... 35) % in the investigated arrangement.
Metallic particles, with a length of more than three millimetres and adhering on spacers, turn out to be particularly critical in the weakly inhomogeneous field of gas-insulated systems. At pressures below 0,3 MPa, partial discharges at the particle tips partly ignite already at 50 %of the breakdown voltage without a particle. The corona stabilisation leads to a relatively high flashover voltage. However, due to these stable glow discharges under DC voltage stress, the defect can not be unequivocally proven by usual detection methods. Above 0,3 MPa, no partial discharges occur before the flashover. Due to the missing corona stabilisation, with a higher gas pressure, the insulation strength is not or only disproportionately low increasing. The findings gained with the model arrangement are evidently applicable to spacers of commercial installations.
The flashover behaviour of gas-solid insulation systems under DC voltage stress, examined in this thesis, is influenced significantly by the temperature distribution and adhesive particles on the interface. Surface and volume charges change the generally resistive-capacitive described behaviour of the insulation system under DC and superimposed voltage stress. The influence of additional charge carriers on the strongly temperature-dependent field transition demonstrates, that in this case, the insulating gas with its drift and diffusion processes, depending on the particle density and the field strength, has to be considered, when modelling the transient behaviour of DC operated systems. Investigating the system behaviour to the limits of the insulation properties is a crucial element of developing innovative technologies of the modern energy transmission at increasing transmissions powers.
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Space Charge Modeling at the Integer Resonance for the CERN PS and SPSTitze, Malte 11 June 2020 (has links)
Die elektromagnetische Wechselwirkung der Teilchen untereinander, wie sie typischerweise in einem Strahl hoher Intensität in den CERN Beschleunigern auftritt, kann in Langzeitsimulationen nicht vernachlässigt werden. Simulationen sind insbesondere notwendig, um diese Beschleuniger zu optimieren und die zugrundeliegende kohärente und inkohärente Dynamik besser zu verstehen. Die Auswirkungen der unumgänglichen Vereinfachungen in der Modellierung der komplizierten Dynamik müssen deshalb untersucht werden.
Wir gehen diese Aufgabe an, indem wir sechs verschiedene Strahlführungsmodelle am CERN Proton Synchrotron (PS) und am Super Proton Synchrotron (SPS) untersuchen, die wir dynamisch in der Nähe von horizontalen Integer-Resonanzen operieren. Die sechs Modelle, welche insgesamt in den beiden bewährten Programmpaketen MAD-X und PyOrbit implementiert sind, werden mit den jeweiligen Messungen an beiden Maschinen verglichen, wobei der Schwerpunkt hier auf dem PS liegt. / In long-term tracking simulations of high-intensity beams which are typical in the CERN accelerators, the electromagnetic interaction between the individual particles can not be neglected. Simulations are required to optimize the performance of the accelerators, and to better understand the involved coherent and incoherent dynamics. The impact due to the unavoidable simplifications when modeling the complex dynamics must therefore be studied.
We approach this task by examining six different tracking models, applied to the CERN Proton Synchrotron (PS) and the Super Proton Synchrotron (SPS), both of which were dynamically operated near horizontal integer resonances. The six models, which are overall implemented in the well-known program packages MAD-X and PyOrbit, are compared to beam-based measurements on both machines, with the PS as the main emphasis.
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Space Charge Spectroscopy applied to Defect Studies in Ion-Implanted Zinc Oxide Thin FilmsSchmidt, Matthias 12 March 2012 (has links) (PDF)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und Detektion von Defekten im Halbleiter Zinkoxyd (ZnO). Der Fokus liegt dabei auf der Verwendung raumladungszonenspektroskopischer Techniken zur Detektion und Charakterisierung elektronischer Defektzustände. Es werden theoretische Aspekte von Raumladungszonen an Halbleitergrenzflächen und den darin enthaltenen elektronischen Defektzuständen behandelt. Das elektrische Potential in der Raumladungszone genügt einer nichtlinearen, eindimensionalen Poissongleichung, für die bekannte, näherungsweise Lösungen vorgestellt werden. Für eine homogen dotierte Raumladungszone gelang es, die exakte Lösung des Potentialverlaufs
als Integral anzugeben und einen analytischen Ausdruck für die Kapazität
der Raumladungszone zu berechnen. Desweiteren werden transiente und oszillatorische Lösungen der Differentialgleichung zur Beschreibung der Zeitentwicklung der Besetzungswahrscheinlichkeit von Defektzuständen für verschiedene experimentelle Bedingungen betrachtet. Sämtliche raumladungszonenspektroskopischen Experimente können durch geeignete Lösungen dieser beiden Differentialgleichungen beschrieben werden. Für die Fälle, für die keine analytischen Lösungen bekannt sind, wurde ein numerisches Modell entwickelt. Die Experimente wurden an ZnO Dünnfilmproben durchgeführt, welche mittels gepulster Laserablation auf Korundsubstraten abgeschieden wurden. Zur Erzeugung von Defekten wurden entweder Ionen in die Proben implantiert, die Proben mit hochenergetischen Elektronen bzw. Protonen bestrahlt oder einer thermischen Behandlung unterzogen. Die Raumladungszonen wurden durch Schottkykontakte realisiert. Durch die raumladungszonenspektroskopischen Verfahren, Kapazitäts-Spannungs Messungen, Admittanzspektroskopie, Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS), Minority Carrier Transient Spectroscopy, optische DLTS, Photokapazitäts- und Photostrommessungen, sowie der optischen Kapazitäts-Spannungs Messung konnten Defektzustände in der gesamten ZnO Bandlücke nachgewiesen werden. Durch Vergleiche der gemessenen Defektkonzentrationen in einer unbehandelten Referenzprobe mit denen in behandelten Proben konnten Aussagen über die experimentellen Bedingungen, unter denen intrinsische Defekte entstehen bzw. ausheilen, gewonnen und mit Stickstoff- bzw. Nickel- in Zusammenhang stehende Defekte identifiziert werden. Für eine Vielzahl untersuchter Defektzustände konnten die thermische Aktivierungsenergie der Ladungsträgeremission, Querschnitte für den Einfang freier Ladungsträger sowie die spektralen Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Aus diesen Eigenschaften sowie den experimentellen Bedingungen unter denen der Defekt bevorzugt gebildet wird, wurden Rückschlüsse auf die mikroskopische Struktur einiger Defekte gezogen.
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Space Charge Spectroscopy applied to Defect Studies in Ion-Implanted Zinc Oxide Thin FilmsSchmidt, Matthias 26 January 2012 (has links)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erzeugung und Detektion von Defekten im Halbleiter Zinkoxyd (ZnO). Der Fokus liegt dabei auf der Verwendung raumladungszonenspektroskopischer Techniken zur Detektion und Charakterisierung elektronischer Defektzustände. Es werden theoretische Aspekte von Raumladungszonen an Halbleitergrenzflächen und den darin enthaltenen elektronischen Defektzuständen behandelt. Das elektrische Potential in der Raumladungszone genügt einer nichtlinearen, eindimensionalen Poissongleichung, für die bekannte, näherungsweise Lösungen vorgestellt werden. Für eine homogen dotierte Raumladungszone gelang es, die exakte Lösung des Potentialverlaufs
als Integral anzugeben und einen analytischen Ausdruck für die Kapazität
der Raumladungszone zu berechnen. Desweiteren werden transiente und oszillatorische Lösungen der Differentialgleichung zur Beschreibung der Zeitentwicklung der Besetzungswahrscheinlichkeit von Defektzuständen für verschiedene experimentelle Bedingungen betrachtet. Sämtliche raumladungszonenspektroskopischen Experimente können durch geeignete Lösungen dieser beiden Differentialgleichungen beschrieben werden. Für die Fälle, für die keine analytischen Lösungen bekannt sind, wurde ein numerisches Modell entwickelt. Die Experimente wurden an ZnO Dünnfilmproben durchgeführt, welche mittels gepulster Laserablation auf Korundsubstraten abgeschieden wurden. Zur Erzeugung von Defekten wurden entweder Ionen in die Proben implantiert, die Proben mit hochenergetischen Elektronen bzw. Protonen bestrahlt oder einer thermischen Behandlung unterzogen. Die Raumladungszonen wurden durch Schottkykontakte realisiert. Durch die raumladungszonenspektroskopischen Verfahren, Kapazitäts-Spannungs Messungen, Admittanzspektroskopie, Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS), Minority Carrier Transient Spectroscopy, optische DLTS, Photokapazitäts- und Photostrommessungen, sowie der optischen Kapazitäts-Spannungs Messung konnten Defektzustände in der gesamten ZnO Bandlücke nachgewiesen werden. Durch Vergleiche der gemessenen Defektkonzentrationen in einer unbehandelten Referenzprobe mit denen in behandelten Proben konnten Aussagen über die experimentellen Bedingungen, unter denen intrinsische Defekte entstehen bzw. ausheilen, gewonnen und mit Stickstoff- bzw. Nickel- in Zusammenhang stehende Defekte identifiziert werden. Für eine Vielzahl untersuchter Defektzustände konnten die thermische Aktivierungsenergie der Ladungsträgeremission, Querschnitte für den Einfang freier Ladungsträger sowie die spektralen Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Aus diesen Eigenschaften sowie den experimentellen Bedingungen unter denen der Defekt bevorzugt gebildet wird, wurden Rückschlüsse auf die mikroskopische Struktur einiger Defekte gezogen.
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Transient Avalanche Oscillation of IGBTs Under High CurrentHong, Tao 11 March 2015 (has links)
Radio frequency oscillations up to several hundreds of MHz were observed during turn-off the high-current conducting IGBTs. They are described in this work as Transient Avalanche oscillations. Other than PETT oscillations that happen in the tail current phase, this oscillation appears during the rise of collector-emitter voltage VCE and during the fall of the collectoremitter current ICE. The turn-off process of IGBTs are investigated with the help of measurements, the circuit- and device-simulations to reveal the working mechanisms of transient high-frequency oscillations. For the first time the Transient Avalanche Oscillation is successfully reproduced with computer simulation, which allows the further investigation on the influences of individual parameters. The participation of IMPATT mechanism in Transient Avalanche oscillation is demonstrated. The interaction between IMPATT mechanism und PETT mechanism during the setting up of depletion region in IGBTs was investigated. Measures to suppress such oscillation are discussed on the levels of chip design, module design and the driver concept. Supplying electron current during critical phase is found to be an effctive method to avoid the dynamic avalanche and the TA-oscillation. / Radio Frequenz Oszillationen bis zu mehreren hundert MHz wurden während des Abschaltens von Hochstrom leitenden IGBTs beobachtet. Sie werden in dieser Arbeit als Transient Avalanche Oscillationen beschrieben. Anders als PETT Oszillationen, die in der Tail-Strom Phase vorkommen, erscheint diese Oszillation während des Anstiegs der Kollektor-Emitter-Spannung VCE und des Fallens des Kollektor-Emitter Stroms ICE. In dieser Arbeit werden die Abschaltvorgänge von IGBTs mit Hilfe von Messungen, Schaltungs- bzw. Device-Simulationen untersucht, um die Wirkungsmechanismen der transient erscheinenden hochfrequenten Oszillationen zu erklären. Es ist erstmals gelungen solche Transient Avalanche Oszillationen mit der Simulation zu reproduzieren und anschließend die Einflüsse einzelner Parameter zu untersuchen. Die Beteiligung des IMPATT Mechanismus an der Transient Avalanche Oszillation wurde nachgewiesen. Die Interaktion von IMPATT und PETT während Aufbau der Raumladungszone im IGBT wurde untersucht. Maßnahmen zur Unterdrückung der Oszillation werden auf den Ebenen von Chip-Design, Modulauslegung und der Treiberschaltung diskutiert. Das Zuführen des Elektrostromes während der kritischen Phase wird als ein effective Methode zur Vermeidung der TA-Oscillation nachgewiesen.
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Untersuchung photorefraktiver Materialien mittels optischer Ptychographie / Investigation of photorefractive materials using optical ptychographyBernert, Constantin 05 January 2017 (has links) (PDF)
In der vorliegenden Arbeit wird die neuartige Mikroskopiemethode der Ptychographie für die Untersuchung photorefraktiver Materialien genutzt. Photorefraktive Materialien zeichnen sich durch die Generation lichtinduzierter Brechungsindexänderungen aus. Die Ptychographie bietet die Möglichkeit, neben der generierten Brechungsindexänderung im photorefraktiven Material auch die für die Generation genutzte Intensitätsverteilung des Laserstrahls zu bestimmen. Es wird sowohl die Abhängigkeit der Brechungsindexänderung von der Zeit der Generation als auch die Abhängigkeit von der Polarisation des Lasers gemessen. Durch den Vergleich der gewonnenen Werte mit einer numerischen Simulation des photorefraktiven Effekts werden mikroskopische Parameter der lichtinduzierten Ladungswanderung ermittelt. Zudem wird aus der polarisationsabhängigen ptychographischen Messung das Raumladungsfeld und die korrespondierende Ladungsdichte im Material berechnet. Die Ptychographie liefert damit einen neuen Zugang zum quantitativen Verständnis der Photorefraktivität. / In the present thesis the novel microscopy technique of ptychography is applied to the investigation of photorefractive materials. Photorefractive materials exhibit a change of the refractive index due to the exposure to light. The method of ptychography determines the refractive index change of the material together with the intensity distribution of the laser beam that was used for its generation. In one part of the experiment the time dependence of the refractive index change versus the generation time is investigated, in the other part of the experiment the dependence of the refractive index change to the polarisation of the laser beam is examined. Microscopic parameters of the photorefractive charge migration are determined with the utilisation of a numerical simulation of the photorefractive effect and its comparison with the measurement. Finally, the whole space charge field with the corresponding space charge density is calculated from a set of ptychographic measurements of one refractive index change with different polarisation directions of the laser. The presented experiments and their evaluation show, that the method of ptychography opens a new possibility for a quantitative understanding of the photorefractive effect.
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Untersuchung photorefraktiver Materialien mittels optischer PtychographieBernert, Constantin 04 October 2016 (has links)
In der vorliegenden Arbeit wird die neuartige Mikroskopiemethode der Ptychographie für die Untersuchung photorefraktiver Materialien genutzt. Photorefraktive Materialien zeichnen sich durch die Generation lichtinduzierter Brechungsindexänderungen aus. Die Ptychographie bietet die Möglichkeit, neben der generierten Brechungsindexänderung im photorefraktiven Material auch die für die Generation genutzte Intensitätsverteilung des Laserstrahls zu bestimmen. Es wird sowohl die Abhängigkeit der Brechungsindexänderung von der Zeit der Generation als auch die Abhängigkeit von der Polarisation des Lasers gemessen. Durch den Vergleich der gewonnenen Werte mit einer numerischen Simulation des photorefraktiven Effekts werden mikroskopische Parameter der lichtinduzierten Ladungswanderung ermittelt. Zudem wird aus der polarisationsabhängigen ptychographischen Messung das Raumladungsfeld und die korrespondierende Ladungsdichte im Material berechnet. Die Ptychographie liefert damit einen neuen Zugang zum quantitativen Verständnis der Photorefraktivität.:1 Einleitung
2 Theoretische Vorbetrachtungen
2.1 Ptychographie
2.1.1 Messung
2.1.2 Modell und Rekonstruktion
2.1.3 Ortsauflösung
2.2 Photorefraktiver Efekt
2.2.1 Lithiumniobat - Musterbeispiel für die Photorefraktivität
2.2.2 Ein-Zentrum-Modell
2.2.3 Brechungsindexänderung
2.2.4 Hohe Intensitäten
2.3 Raumladungsfeld
2.3.1 Ableitung des Feldes aus den Messgrößen
2.3.2 Raumladungsverteilung
2.3.3 Oberflächendeformation
2.3.4 Dynamik der Ladungen und des Feldes
3 Messungen
3.1 Proben
3.1.1 Ptychographische Teststruktur
3.1.2 LiNbO3:Fe
3.2 Versuchsanordnung
3.2.1 Experimenteller Aufbau
3.2.2 Grenze der Ortsauflösung
3.2.3 Charakterisierung des Laserstrahls
3.2.4 Experimentelle Überprüfung der Näherungen
3.3 Dynamik der Brechungsindexänderung
3.4 Polarisationsabhängigkeit der Brechungsindexänderung
4 Auswertung
4.1 Dynamik des Raumladungsfeldes und der Ladungen
4.1.1 Simulation
4.1.2 Vergleich zwischen Messung und Simulation
4.1.3 Dynamik der Ladungsverteilung
4.1.4 Fazit
4.2 Berechnung des Raumladungsfeldes
4.2.1 Raumladungsfeld und Ladungsverteilung
4.2.2 Simulation
4.2.3 Asymmetrie der Ladungsverteilung
4.2.4 Fazit
5 Zusammenfassung
Appendizes
A Physikalische Konstanten
B Tensoren für LiNbO3
C Ungenäherte Herleitung der Brechungsindexänderung
D Implementierung eines iterativen Verfahrens zur Bestimmung der Dynamik
des Ein-Zentrum-Modells
E Quelltext der Implementierung des iterativen Verfahrens
Literaturverzeichnis / In the present thesis the novel microscopy technique of ptychography is applied to the investigation of photorefractive materials. Photorefractive materials exhibit a change of the refractive index due to the exposure to light. The method of ptychography determines the refractive index change of the material together with the intensity distribution of the laser beam that was used for its generation. In one part of the experiment the time dependence of the refractive index change versus the generation time is investigated, in the other part of the experiment the dependence of the refractive index change to the polarisation of the laser beam is examined. Microscopic parameters of the photorefractive charge migration are determined with the utilisation of a numerical simulation of the photorefractive effect and its comparison with the measurement. Finally, the whole space charge field with the corresponding space charge density is calculated from a set of ptychographic measurements of one refractive index change with different polarisation directions of the laser. The presented experiments and their evaluation show, that the method of ptychography opens a new possibility for a quantitative understanding of the photorefractive effect.:1 Einleitung
2 Theoretische Vorbetrachtungen
2.1 Ptychographie
2.1.1 Messung
2.1.2 Modell und Rekonstruktion
2.1.3 Ortsauflösung
2.2 Photorefraktiver Efekt
2.2.1 Lithiumniobat - Musterbeispiel für die Photorefraktivität
2.2.2 Ein-Zentrum-Modell
2.2.3 Brechungsindexänderung
2.2.4 Hohe Intensitäten
2.3 Raumladungsfeld
2.3.1 Ableitung des Feldes aus den Messgrößen
2.3.2 Raumladungsverteilung
2.3.3 Oberflächendeformation
2.3.4 Dynamik der Ladungen und des Feldes
3 Messungen
3.1 Proben
3.1.1 Ptychographische Teststruktur
3.1.2 LiNbO3:Fe
3.2 Versuchsanordnung
3.2.1 Experimenteller Aufbau
3.2.2 Grenze der Ortsauflösung
3.2.3 Charakterisierung des Laserstrahls
3.2.4 Experimentelle Überprüfung der Näherungen
3.3 Dynamik der Brechungsindexänderung
3.4 Polarisationsabhängigkeit der Brechungsindexänderung
4 Auswertung
4.1 Dynamik des Raumladungsfeldes und der Ladungen
4.1.1 Simulation
4.1.2 Vergleich zwischen Messung und Simulation
4.1.3 Dynamik der Ladungsverteilung
4.1.4 Fazit
4.2 Berechnung des Raumladungsfeldes
4.2.1 Raumladungsfeld und Ladungsverteilung
4.2.2 Simulation
4.2.3 Asymmetrie der Ladungsverteilung
4.2.4 Fazit
5 Zusammenfassung
Appendizes
A Physikalische Konstanten
B Tensoren für LiNbO3
C Ungenäherte Herleitung der Brechungsindexänderung
D Implementierung eines iterativen Verfahrens zur Bestimmung der Dynamik
des Ein-Zentrum-Modells
E Quelltext der Implementierung des iterativen Verfahrens
Literaturverzeichnis
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Charge transport and energy levels in organic semiconductors / Ladungstransport und Energieniveaus in organischen HalbleiternWidmer, Johannes 25 November 2014 (has links) (PDF)
Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design.
In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor.
For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary.
The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES).
These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices. / Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung.
Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters.
Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist.
Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt.
Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile.
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