Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
Not a member yet
1431 research outputs found
Sort by
Generation of a New Exoelectrogenic Bacterium through Expression of the Iron Reduction Pathway from Acidithiobacillus ferrooxidans
No full textThis work aims at characterizing the extracellular electron transfer (EET) pathway of the extreme acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans by introducing the proposed protein cascade into Escherichia coli and Vibrio natriegens. The E. coli strains BL21(DE3), T7 Express, and BL21 Gold(DE3) DeltaABCF were unable to produce holo-CycA and the soluble periplasmic proteins were weakly associated to the membranes. In contrast, V. natriegens Vmax X2 and E. coli C43(DE3) were able to produce all four redox proteins in the correct cell compartment and the c-type cytochromes were redox active in vitro. The new E. coli C43(DE3) strain reduced two times more Fe(III)-citrate and current production in a microbial fuel cell (MFC) was increased 5-fold compared to the wildtype control. The recombinant EET pathway in E. coli C43(DE3) was redox active under turnover conditions in the MFC. To the author’s knowledge this is the first demonstration of a functional recombinant redox protein cascade from the extreme acidophile At. ferrooxidans in E. coli.Diese Arbeit verfolgt das Ziel, den extrazellulären Elektronentransferweg des extrem acidophilen Bakteriums Acidithiobacillus ferrooxidans durch Einbringen der Proteinkaskade in Escherichia coli und Vibrio natriegens zu charakterisieren. Die E. coli Stämme BL21(DE3), T7 Express und BL21 Gold(DE3) DeltaABCF konnten kein Holo-CycA produzieren und die löslichen periplasmatischen Proteine waren schwach an die Zellmembranen assoziiert. Dagegen waren V. natriegens Vmax X2 und E. coli C43(DE3) in der Lage, alle vier Redox-Proteine im korrekten Zellkompartment zu produzieren und die c-Typ Cytochrome waren redox-aktiv. Der neue E. coli C43(DE3) Stamm reduzierte doppelt so viel Fe(III)-Citrat und die Stromproduktion in einer mikrobiologischen Brennstoffzelle (MBZ) war fünf Mal höher im Vergleich zur Wildtyp-Kontrolle. Der rekombinante Elektronentransferweg in E. coli C43(DE3) war redox-aktiv unter Umsatzbedingungen in der MBZ. Dies ist die erste Demonstration einer funktionellen rekombinanten Proteinkaskade des extrem acidophilen Bakteriums At. ferrooxidans in E. coli
Experimental Data on Maximum Swelling Pressure of Clayey Soils and Related Soil Properties
No full textClayey soils exhibit significant volumetric changes in response to variations in water content. The swelling pressure of clayey soils is a critical parameter for evaluating the stability and performance of structures built on them, facilitating the development of appropriate design methodologies and mitigation strategies to ensure their long-term integrity and safety. We present a dataset comprising maximum swelling pressure values from 759 compacted soil samples, compiled from 16 articles published between 1994 and 2022. The dataset is classified into two main groups: 463 samples of natural clays and 296 samples of bentonite and bentonite mixtures, providing data on various types of soils and their properties. Different swelling test methods, including zero swelling, swell consolidation, restrained swell, double oedometer, free swelling, constant volume oedometer, UPC isochoric cell, isochoric oedometer and consolidometer, were employed to measure the maximum swelling pressure. The comprehensive nature of the dataset enhances its applicability for geotechnical projects. The dataset is a valuable resource for understanding the complex interactions between soil properties and swelling behavior, contributing to advancements in soil mechanics and geotechnical engineering
Ionization dynamics in relativistic laser plasma
No full textThis work presents a novel resonance X-ray diagnostic method for hot dense plasma with femtosecond temporal resolution. In particular, I was able to show that the Cu 21+ ionization state in relativistic laser-matter interaction with 1021 W/cm2 intensity is strongly localized in depth to less than a micrometer. This precision allows to reveal disagreements with state-of-the-art particle-in-cell simulations. Experimentally, I employed the combination of a relativistic femtosecond laser and a free-electron X-ray laser (XFEL), enabling synchronous excitation and probing of the plasma. Emission spectroscopy and X-ray imaging were employed for the selective study of the temporal and spatial evolution of ionization states.
My results will allow to improve the understanding of these laser-matter-interactions and implementation of currently lacking processes into simulations.:1 Introduction
1.1 Background and Motivation
1.2 Objectives of the Thesis
1.3 Structure of the Thesis
2 European XFEL and Relativistic Laser
2.1 European XFEL
2.1.1 Synchrotron Radiation
2.1.2 Undulator
2.1.3 X-FELs
2.1.4 European XFEL
2.2 ReLaX – Relativistic Laser at XFEL
2.2.1 Chirped-Pulse Amplification
2.2.2 ReLaX – Details and parameters
2.3 Synchronization of XFEL X-ray Pulses and ReLaX Laser Pulses
2.3.1 Challenges in Temporal Synchronization
2.3.2 The RF Master Timer System
2.3.3 The Cross-Correlation Method, Photon Arrival Monitor, Zero-Timing
3 Fundamental Aspects of Laser-Induced Plasma in Femtosecond Laser–Matter Interaction
3.1 Plasma theory – Hot and Dense plasma regime
3.1.1 Essential Plasma Parameters
3.1.2 Dense Plasma Regimes: Hot Dense Plasma and Warm Dense Plasma
3.2 Femtosecond laser plasma
3.2.1 Structure of a Femtosecond Laser Pulse
3.2.2 Dielectric Permittivity of Plasma and Critical Density
3.2.3 Interaction of laser prepulse with target. Preplasma
3.2.4 Laser Field Ionization
3.2.5 Absorption Mechanisms for Laser Pulses
3.2.6 Hot Electrons Generation
3.2.7 Stages of Femtosecond Plasma Generation
3.3 X-Ray Emission Generation in Laser Plasma, Ionization Distribution
3.3.1 Bremsstrahlung Radiation
3.3.2 Characteristic X-Ray generation
3.4 Relaxation and Recombination
3.4.1 Collisional Relaxation
3.4.2 Heat Transfer Processes
3.4.3 Adiabatic Expansion
3.4.4 Plasma Recombination
3.5 X-Ray Methods in Plasma Research
3.5.1 X-ray Emission Spectroscopy (XES)
3.5.2 Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS)
3.5.3 X-ray Absorption Spectroscopy (XAS)
3.5.4 Small-Angle X-ray Scattering (SAXS)
3.5.5 X-ray Diffraction (XRD)
3.5.6 X-ray Thomson Scattering (XRTS)
4 Resonant X-Ray Emission Spectroscopy of Specific Ionization States
4.1 X-ray Resonant Probing
4.1.1 Principle of X-ray Resonant Probing
4.1.2 Efficiency of Resonant Absorption
4.2 Targets
4.3 High-Resolution X-ray Spectroscopy for HED Instrument
4.3.1 Bragg Spectroscopy: Von Hámos Geometry
4.3.2 Jungfrau detectors
4.3.3 Technical concept
4.4 Experimental setup
4.5 Spectrum processing and Results
4.6 Conclusions
5 Absorption Imaging of X-Ray Resonant Pumping
5.1 X-Ray Imaging with XFEL
5.1.1 Using XFEL for X-ray Imaging
5.1.2 Phase Contrast Imaging
5.1.3 The Complex Refractive Index in X-ray Optics
5.1.4 Implementation of Phase Contrast Imaging
5.1.5 Propagation-Based Imaging Scheme
5.2 Compound Refractive Lenses
5.3 Experimental Setup
5.4 Image processing and results
5.5 Conclusions
6 Simulations of X-Ray Resonant Probing and Results Discussion
6.1 Methods for Modeling the Interaction of Laser Radiation with Matter
6.1.1 Static models
6.1.2 Hydrodynamics Models
6.1.3 Kinetic Models
6.1.4 Particle-In-Cell (PIC) method
6.1.5 Atomic Codes
6.1.6 Hybrid Codes
6.2 Opacity spectra calculated with FLYCHK
6.3 PIC-simulations of Laser-Plasma Interaction
6.4 Imaging Calculations with Simulated Resonant Opacities
6.5 Results discussion
7 Summary and Outlook
7.1 Summary
7.2 Outlook
Bibliography
Acknowledgment
The crystal structure of n-propylammonium bis(2,3-dimethylbutane-2,3-diolato)borate-boric acid (1/1), [C3H10N][C12H24BO4]·B(OH)3
No full text[C3H10N][C12H24BO4]·B(OH)3, orthorhombic, Fdd2 (no. 43), a = 30.3986(6) Å, b = 40.4094(13) Å, c = 7.0603(2) Å, V = 8672.8(4) Å3, Z = 16, R gt (F) = 0.0324, wR ref (F 2) = 0.0828, T = 153 K.
CCDC no.: 234101
Rückgewinnung Li-haltiger Komponenten aus sekundären Rohstoffen
No full textIm Rahmen dieser Arbeit wurde erfolgreich ein Verfahren für die Rückgewinnung von Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), dem Leitsalz im Elektrolyten einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB), entwickelt. Zusätzlich zur Rückgewinnung wurden Wege der stofflichen LiPF6-Verwertung in Form der Flusssäureproduktion aufgezeigt. Abseits des Leitsalzes wurde die Mobilisierung des elektrodengebundenen Li-Anteils erfolgreich im Pilotmaßstab umgesetzt. Durch die ausschließliche Nutzung von CO2 und Wasser wurde Li selektiv in Form von Li2O3 in battery grade-Qualität gewonnen. Für die Umsetzung dieses Li2CO3 in LiOH∙H2O, welches im Fall der Nutzung zur Elektrodenproduktion u. a. zur Verbesserung der Elektrodeneigenschaften führt, wurde ein membrangekoppeltes Elektrolyseverfahren entwickelt, welches die chemikalienfreie Hydroxidbildung ermöglicht.:Abkürzungsverzeichnis ix
1. Motivation und Problemstellung 1
2. Lithium als kritischer Rohstoff 4
2.1. Situation des europäischen Rohstoffmarkts 4
2.2. Anwendung als Fundament mobiler Energiespeichersysteme 7
2.3. Etablierte Verfahren zur Li-Rückgewinnung aus sekundären Rohstoffen 9
3. Rückgewinnung und Verwertung von Lithiumhexafluorophosphat aus dem Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien 14
3.1. Stand der Technik und Bedeutung der Leitsalz-Rückgewinnung 14
3.2. Rückgewinnung durch reversible, thermische Zersetzung und Absorption des Zersetzungsgases 16
3.2.1. Konzeptentwicklung und Herausforderungen 16
Exkurs: LiPF6-Herstellung und Verbindungsklasse der Alkalimetallhexafluorophosphate 17
Exkurs: Einfluss der Dielektrizitätskonstante der chemischen Umgebung auf die PF6-/PF5-Hydrolyse 20
3.2.2. Quantifizierung des Hexafluorophosphat-Anions im Rahmen ionenchromatographischer Untersuchungen 21
3.2.3. Umsetzung der LiPF6-Rückgewinnung 24
Exkurs: Sensitivitätsunterschiede im Rahmen anionenchromatografischer Untersuchungen 36
3.3. Stoffliche Verwertung zur Gewinnung von Flusssäure 42
3.3.1. Flusssäureproduktion durch kontrollierte Hydrolyse 42
3.3.2. Reinigung des Rohprodukts und Möglichkeiten der Wertstoffisolierung 46
Exkurs: Synthese von Flusssäure aus LIB-Elektrolyten basierend auf bisherigen Recyclingprozessen 47
3.4. Fazit 52
4. Rückgewinnung von elektrodengebundenem Lithium durch Skalierung des COOL-Prozesses 54
4.1. Einordnung des COOL-Prozesses und bisheriger Arbeiten 54
4.2. Charakterisierung des Eingangsstoffstroms 55
4.2.1. Analyse der vorliegenden Schwarzmassen und Auswahl des Ausgangsmaterials 55
4.2.2. Einfluss der thermischen Vorbehandlung der Schwarzmasse auf die Prozessierung mittels des COOL-Verfahrens 62
4.3. Skalierung der selektiven Li-Mobilisierung aus Schwarzmasse 66
4.3.1. Ergebnisse der Li-Mobilisierung im Pilotmaßstab 66
4.3.2. Untersuchungen zur Co-Laugung von Li2CO3-Verunreinigungen aus LIB-Schwarzmasse 70
4.3.3. Gewinnung von battery grade-Li2CO3 73
Exkurs: Ansatz der indirekten Reinheitsbestimmung hinsichtlich anionischer Verunreinigungen durch die Bestimmung der Abtrennungseffizienz 75
4.3.4. Einfluss des analytischen Fehlers auf die Prozessskalierung 76
4.3.5. Wirtschaftlichkeitsanalyse 78
4.4. Fazit 88
5. Chemikalienfreie Umwandlung von Li2CO3 in LiOH∙H2O durch Elektrolyse 90
5.1. Motivation und Ideenfindung 90
5.2. Membrangekoppelte Zweikammerelektrolyse 93
5.2.1. Trennung der Elektrolysehalbräume und Unterdrückung der OH--Migration 93
5.2.2. Konvertierungsversuche zur Generierung von LiOH∙H2O aus bg-Li2CO3-Lösungen 96
Exkurs: Funktionsweise einer TOC-Analyse und Nutzung zur Untersuchung der pH-induzierten CO32--Zersetzung durch Elektrolyse 99
5.2.3. Konvertierung eines industriellen Li2CO3/LiOH∙H2O-Gemisches 104
5.2.4. Einfluss der Elektrodenmaterialien 106
5.3. Fazit 108
6. Zusammenfassung und Ausblick 111
7. Experimenteller Teil 114
7.1. Chemikalien und Materialien 114
7.2. Geräte 116
7.3. Rückgewinnung von Lithiumhexafluorophosphat aus dem Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien 117
7.3.1. Präparation der Absorptionsmatrix 117
7.3.2. Anlagenaufbau 118
7.3.3. Reinigung des zurückgewonnenen Rohelektrolyten 120
7.3.4. Untersuchung des Hydrolyseverhaltens 122
7.4. Produktion von Flusssäure durch Hydrolyse von Lithiumhexafluorophosphat aus dem Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien 122
7.4.1. Direkte Hydrolyse des Lithiumhexafluorophosphat-haltigen Elektrolyten 122
7.4.2. Kontrollierte Hydrolyse von PF5 123
7.4.3. Reinigung des Rohprodukts 123
7.5. Identifikation der Hexafluorophosphat-Spezies in niedrigtemperatur-vorbehandelter Schwarzmasse 125
7.6. Umsetzung des COOL-Prozesses im Pilotmaßstab 125
7.6.1. Anlagenaufbau und praktisches Vorgehen der Skalierungsversuche 125
7.6.2. Thermische Vorbehandlung des genutzten Schwarzmassematerials 128
7.6.3. Laugung mit überkritischem CO2 im Labormaßstab 128
7.7. Membrangekoppelte Elektrolyse zur chemikalienfreien Li2CO3/LiOH∙H2O-Konvertierung 129
7.7.1. Präparation der Agarosemembran 129
7.7.2. Aufbau und Betrieb der Zweikammerelektrolyse 130
7.7.3. Praktisches Vorgehen zur Konvertierung der Li2CO3-haltigen Lösungen 131
7.7.4. Reinigung der LiOH∙H2O-Rohproduktlösung mittels Ionenaustauscher 132
7.8. Analysemethoden 133
7.8.1. Anionen- und Kationenchromatographie 133
7.8.2. ICP-OES 136
7.8.3. ICP-MS 137
7.8.4. XRD 138
7.8.5. TG-DSC-FTIR und -MS 138
7.8.6. TOC 138
7.8.7. ATR-IR, UV/VIS-Spektroskopie und pH-Titration 139
Literatur 140
Anhang 15
Optimierung der Mechanischen Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien
No full textIn der Arbeit wurde das am Institut MVTAT entwickelte Verfahrensfließbild zur Mechanischen Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien für einen weiteren Batteriezelltyp parametrisiert und darüber hinaus optimiert. Im Fokus stand u.a. die Qualität der Produkte. Durch Veränderung der Prozessreihenfolge und Klassierschnitten konnte insbesondere die Feinfraktion verbessert werden. Gleichzeitig wurde der Einfluss der Aufschlusszerkleinerung auf verschiedene Teilprozesse gezeigt und eine Vorzugsvariante erarbeitet. Darüber hinaus konnte das Fließbild erweitert werden, sodass auch gesamte Batteriemodule aufgegeben und die Bestandteile der Peripherie in verschiedenen Produktkonzentraten angereichert werden können.:Abkürzungsverzeichnis
Symbolverzeichnis
1 Motivation
2 Lithium-Ionen-Batterien
2.1 Aufbau und Funktionsweise von LIB
2.2 Aufbau von Batteriesystemen
2.3 Entwicklungen in der Batterietechnik
2.4 Anzahl Elektroautos
3 Aktuelle Recyclingtechnik
3.1 Demontage
3.2 Entladung
3.3 Zur mechanischen Aufbereitung
3.3.1 Konventionelles Fließbild nach MVTAT
3.3.2 Grundoperation Zerkleinern
3.3.3 Grundoperation Trennen
3.3.4 Bewertung von Recyclingprozessen
4 Vorbetrachtungen und Planung
4.1 Zielstellung
4.2 Messwertgewinnung und Darstellung
4.3 Ergebnisse nach Fließbild MVTAT
4.3.1 Verwendetes Material
4.3.2 Zerkleinerung 1: Aufschluss und Elektrolytabscheidung
4.3.3 Klassierung 1
4.3.4 Stromsortierung 1
4.3.5 Zerkleinerung 2: Entschichtung und Verkugelung
4.3.6 Klassierung 2
4.3.7 Stromsortierung 2
4.4 Optimierungsoptionen
5 Ergebnisse
5.1 Entladung
5.2 Aufbereitung der Modulperipherie
5.2.1 Komponenten der Modulperipherie
5.2.2 Zerkleinerung und Sortierung
5.3 Aufbereitung der Gehäusefraktion
5.3.1 Wirbelstromscheidung
5.3.2 Aerostromsortierung
5.4 Kombination von Peripherie- und Gehäuseaufbereitung
5.5 Aufbereitung Elektrodenfraktion
5.5.1 Entschichtung der Elektrodenfolien
5.5.2 Sortierung der Elektrodenfolien
6 Erweitern und Optimieren des Fließbildes
6.1 Optimierung Aerostromsortierung 1 / Klassierung 1
6.2 Optimierung Zerkleinerung 2 / Klassierung 2
6.3 Optimierung Folienaufbereitung
6.4 Erzeugte Produkte
6.5 Schwarzmasseagglomeration
6.6 Erweiterung um Aufbereitung der Gehäusefraktion
7 Durchsätze und Energiebedarf
8 Zusammenfassung und Ausblick
Thesen
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Anhan
Vibrio natriegens as a superior host for the production of c-type cytochromes and difficult-to-express redox proteins
No full textC-type cytochromes fulfil many essential roles in both aerobic and anaerobic respiration. Their characterization requires large quantities of protein which can be obtained through heterologous production. Heterologous production of c-type cytochromes in Escherichia coli is hindered since the ccmABCDEFGH genes necessary for incorporation of heme c are only expressed under anaerobic conditions. Different strategies were devised to bypass this obstacle, such as co-expressing the ccm genes from the pEC86 vector. However, co-expression methods restrict the choice of expression host and vector. Here we describe the first use of Vibrio natriegens Vmax X2 for the recombinant production of difficult-to-express redox proteins from the extreme acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans CCM4253, including three c-type cytochromes. Co-expression of the ccm genes was not required to produce holo-c-type cytochromes in Vmax X2. E. coli T7 Express only produced holo-c-type cytochromes during co-expression of the ccm genes and was not able to produce the inner membrane cytochrome CycA. Additionally, Vmax X2 cell extracts contained higher portions of recombinant holo-proteins than T7 Express cell extracts. All redox proteins were translocated to the intended cell compartment in both hosts. In conclusion, V. natriegens represents a promising alternative for the production of c-type cytochromes and difficult-to-express redox proteins
Charakterisierung von Defektstellen und deren Einfluss auf die Funktionalität von Feldeffekttransistoren mittels niedrigfrequenter Rauschmessungen
No full textIm Verlauf der technologischen Entwicklung wurden Halbleiterstrukturen kontinuierlich miniaturisiert. Parallel dazu steigen die Anforderungen an diese Technologien hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz. Da diese Eigenschaften jedoch nicht unabhängig voneinander sind, erfordert die Optimierung eines Merkmals häufig Kompromisse bei anderen. Unterschiedlichste Technologiegenerationen mit jeweils spezifischen Anpassungen konnten Fortschritte im Hinblick auf Leistung oder Energieeffizienz erzielen. Im Bereich der Zuverlässigkeit, insbesondere hinsichtlich der Anfälligkeit gegenüber Störungen durch Defektstellen im Material, zeigt sich jedoch ein Trend: Mit abnehmender Strukturgröße der Bauteile nimmt die Anfälligkeit zu. Betrachtet man ein komplexes System aus Bauelementen – beispielsweise einen Speicher (Memory) – lässt sich erkennen, dass sich die Zuverlässigkeit in mehrere Teilbereiche aufgliedert. Die Miniaturisierung der Bauteile geht dabei mit einer deutlichen Einschränkung der Zuverlässigkeit einher. Es steht außer Frage, dass ein Memory-System ein komplexes Gefüge darstellt, in dem zahlreiche zusätzliche Wechselwirkungen und spezifische Bauelementeigenschaften berücksichtigt werden müssen. Um jedoch ein fundiertes physikalisches Verständnis zu erlangen, ist es notwendig, die einzelnen Bauelemente eines solchen Systems sowie die Wechselwirkungen verschiedener physikalischer Prozesse zu untersuchen. Aus diesem Grund liegt der Fokus auf der Analyse von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) – unter Einbeziehung unterschiedlicher Technologiestufen, Materialien und Fertigungsprozesse. Diese Untersuchungen erfolgen durch eine physikalische Analyse des niederfrequenten Rauschens sowie der Defektzustände. Beide Messansätze liefern Hinweise auf Defekte im Halbleitermaterial, wobei Überschneidungen zwischen den jeweiligen Defekttypen bestehen, diese jedoch nicht identisch sind. Es wird ein Vergleich zwischen verschiedenen Technologien in Form von dielektrischen Transistoren vorgenommen. Der Unterschied zwischen der Fully Depleted Silicon On Insulator (FDSOI) Technologie und herkömmlichen Bulk-MOSFETs ist in erster Linie das Stromverhalten. Dadurch ändert sich die gegenwärtige Theorie des Rauschens für die FDSOI-Technologie. Diese Änderungen werden diskutiert und angepasst.
Im letzten Abschnitt wird der ferroelektrische Transistor (FeFET) eingeführt und die nötigen Änderungen in der Messtechnik sowie in der mathematischen Theorie besprochen. Hierbei werden im Bezug auf den FeFET verschiedene Verbesserungen vorgenommen, um eine Steigerung der Verlässlichkeit und ein Abnehmen des Rauschniveaus zu gewährleisten. Dies geschieht durch Änderung der Energiewerte der Defektstellen mit Hilfe von Fluoridierung der Grenzflächenschicht oder/und der ferroelektischen Schicht. Hierbei zeigt die Kombination, beide Schichten zu fluorinieren, eine deutlichere Verbesserung in Bezug auf die Verlässlichkeit. Die Untersuchung hinsichtlich der in der Herstellung der ferroelektrischen Schicht verwendeten Vorläufermaterialien zeigt, dass ein verbessertes Rauschverhalten für Strukturen mit chlorbasierten Präkursoren, sowie bei Verwendung von Atomic Layer Deposition (ALD)-Prozess als Abscheideprozess der HfO2-Schicht, erreicht werden kann. Ebenfalls zeigt eine weitere Untersuchung, dass bei Strukturen mit Zirkonium-Dotierung im Vergleich zu Strukturen mit Silizium-Dotierung ein geringeres Rauschniveau erzielt werden kann. Hierbei zeigen Strukturen mit Silizium-Dotierung mit einem Verhältnis von 1:16 das geringste Rauschniveau. Um eine direkte Anwendung für das Flicker-Rauschverhalten zu illustrieren, wird der Einfluss dieses Rauschens auf ein Beispiel im Bereich des ”In Memory Computings“ gezeigt. Ebenfalls wird für den Bereich des ”Quantum Computing“, die Temperaturabhängigkeit des Rauschens und der Defekte präsentiert.:1 Einleitung 2
2 Motivation 6
3 Low Frequency Noise 9
3.1 Random Telegraph Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Flicker-Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1 Rauschquellenuntersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.2 Defektenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.3 Defekttiefe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.4 Grundlagentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Die ID-Gm-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4 Messaufbau 35
4.1 Messtechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Messaufbau Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Einfl¨usse auf das Messsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 Hochfrequenz Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5 Charge Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5 Fully Depleted Silicon On Insulator 52
5.1 FDSOI-Transistor Stromverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2 Geometrie-Einfluss auf das Rauschverhalten . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3 Backgate-Einfluss auf das Rauschverhalten . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 Ferroelektrischer Feldeffekttransistor 62
6.1 Der ferroelektrische Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.2 Probenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 Zuverl¨assigkeitsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4 Rauschuntersuchung in ferroelektischen Bauelementen . . . . . . . . . 69
6.4.1 Messmethoden im ferroelektrischen Bauelement . . . . . . . . 69
6.4.2 Einfl¨usse durch Dotierung auf das Rauschverhalten . . . . . . 73
6.4.3 Einfl¨usse der Abscheidungsprozesse auf das Rauschverhalten . 77
6.4.4 Einfluss von ALD-Pr¨akursor-Materialien auf das Rauschverhalten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4.5 Fluorierungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4.6 Temperatureinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4
7 Anwendungsbereich der Rauschuntersuchung 104
7.1 In Memory Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8 Zusammenfassun
Numerical Modelling of Deep Geological Nuclear Waste Repositories in Clay Rock and the Impact of Gas on Variably Saturated Thermo-Hydro-Mechanical Processes
No full textThis thesis is of the cumulative form, i.e. four peer-reviewed journal publications documenting the research are presented here (see appendices D through G).
The sections leading up to the journal publications aim to provide a framework and context for the reader, in which the aforementioned journal publications should be seen: Eyes set on this goal, the thesis starts out by introducing the context of deep geological disposal of heat generating nuclear waste in argillaceous host rock formations, the particularities of argillites as host rock as well as the modelling concept including the theory of porous media. Next, a derivation and discussion of the principal partial differential equations governing the conservation of mass, energy and momentum as well as of constitutive laws is provided. A discussion and conclusion are presented in order to finalise the framing of this thesis.
The research questions in this thesis have three focus points: First, the validity (and limits of validity) of the given thermo-hydro-mechanical conceptual modelling approaches and associated assumptions is explored. Second, the numerical implementations are thoroughly tested and demonstrated. Third, the system behaviour of deep geological repositories in argillaceous host rocks is investigated.:List of Figures IV
List of Tables IV
1 Introduction p. 1
2 Research questions p.2
3 Disposal in argillaceous host rock p.4
3.1 Formation and properties of relevant argillites p.4
3.2 Barrier integrity p.5
3.3 Physical processes in deep geological radioactive waste disposal p.6
3.3.1 Thermal processes p.7
3.3.2 Hydraulicandaeraulicprocessesp.8
3.3.3 Mechanical processes p.8
3.3.4 Chemicalandbiologicalprocessesp.10
3.4 Process couplings p.10
3.4.1 Thermo-mechanical coupling p.10
3.4.2 Hydro-mechanical coupling p.11
3.4.3 Thermo-hydraulic coupling p.12
3.4.4 Aero-hydraulic coupling p.13
4 Modelling approach p.13
4.1 Concept of porous media p.13
4.2 Process equations p.15
4.2.1 Capillary pressure p.15
4.2.2 Component mass balance p.16
4.2.3 Solid mass balance p.19
4.2.4 Hydraulic constitutive laws p.22
4.2.5 Momentum balance p.29
4.2.6 Energy balance p.32
4.3 Numerical solution of process equations p.35
5 Summary of results p.36
6 Conclusion and outlook p.46
References p.47
Appendix A: Further peer reviewed publications p. 60
Appendix B:Technical reports p. 61
Appendix C: Conference contributions p. 62
Appendix D: Pitz et al. (2023a) p. 67
Appendix E: Pitz et al. (2023b) p. 88
Appendix F: Pitz et al. (2024a) p. 113
Appendix G: Pitz et al. (2024b) p.12
Ultrasonic Guided Waves for Liquid Water Localization in Fuel Cells: An Ex Situ Proof of Principle
No full textWater management is a key issue in the design and operation of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). For an efficient and stable operation, the accumulation of liquid water inside the flow channels has to be prevented. Existing measurement methods for localizing water are limited in terms of the integration and application of measurements in operating PEMFC stacks. In this study, we present a measurement method for the localization of liquid water based on ultrasonic guided waves. Using a sparse sensing array of four piezoelectric wafer active sensors (PWAS), the measurement requires only minor changes in the PEMFC cell design. The measurement method is demonstrated with ex situ measurements for water drop localization on a single bipolar plate. The wave propagation of the guided waves and their interaction with water drops on different positions of the bipolar plate are investigated. The complex geometry of the bipolar plate leads to complex guided wave responses. Thus, physical modeling of the wave propagation and tomographic methods are not suitable for the localization of the water drops. Using machine learning methods, it is demonstrated that the position of a water drop can be obtained from the guided wave responses despite the complex geometry of the bipolar plate. Our results show standard deviations of 4.2 mm and 3.3 mm in the x and y coordinates, respectively. The measurement method shows high potential for in situ measurements in PEMFC stacks as well as for other applications that require deposit localization on geometrically complex waveguides