Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
Not a member yet
1431 research outputs found
Sort by
Numerical simulation of selected geologic processes based on Discrete Element Method
Get PDFThis study presents numerical modeling of geologic processes based on Discrete Element Method (DEM), including modeling of pull-apart basin development based on Particle Flow Code (PFC) and simulation of deformation and earthquake potential of Ordos Block (China) under present tectonic stress regime based on Universal Distinct Element Code (UDEC).
A scale-independent modeling approach based on PFC2D has been established to simulate the development of pull-apart basins. The micro-scale PFC models are used to investigate crack propagation and basin development in releasing sidestep systems with pure strike-slip, transtensional, and transpressional master faults, respectively. In each system, three typical models including 30° underlapping, 90° non-overlapping, and 150° overlapping releasing sidesteps are chosen. The modeling results are compared with pull-apart basins in nature. The geometric differences of pull-apart basins result from both the initial strike-slip fault geometries and its various evolution stages. Rhomboidal basins which have larger basin length than the amount of motion form in overlapping systems and do not progress through the spindle-shaped and lazy-Z-shaped stages such as the Dead Sea basin. Rhomboidal basins with cross-basin faults tend to form in underlapping systems. Finally, the origin of rhomboidal pull-apart basins, depocenters of pull-apart basins, cross-basin faults and their significances, models for pull-apart basin development, and minimum displacements and ages to form pull-apart basins are discussed.
A two-dimensional UDEC model involving Ordos Block and adjacent areas is set up. Boundary conditions based on present tectonic regime are assumed. Block rotations, shear stress and displacement on faults, ratio of shear to normal force are simulated. Slip tendency which represents the assessment of the potential for causing slip on individual faults and earthquake-prone of the faults is predicted. Modeling results are compared with geologic evidences
In silico Interaktionsanalysen von 17β-Estradiol-Targetstrukturen
Get PDFMicro-pollutants such as 17β-estradiol (E2) have been detected in different water resources and their negative effects on the environment and organisms have been demonstrated. It is essential to confirm the presence of micro-pollutants in different environments by biosensors and to remove these compounds. In this thesis, E2-binding target structures were used to investigate the underlying binding properties. E2-binding protein, DNA-, and PNA-aptamere (peptide nucleic acid) structures were used as targets to determine physicochemical interactions. The protein dataset consist of 35 publicly accessible three-dimensional structures of E2-protein complexes, from which six representative binding sites could be selected. There is no three-dimensional structure information for an E2-specific DNA aptamer, thus it was modeled using a coarse-grained modeling method. Using sequence information additional DNA aptamers were modeled. The E2 ligand was positioned close to the potential binding area of the aptamer structures, the underlying complexes were investigated by a molecular dynamics simulation, and the interactions were examined by an interaction profiler tool for each time step. A PNA generator was developed that can convert DNA and RNA in silico to more robust, but chemically equivalent PNA. This generator was used to transform the E2-specific DNA aptamer into PNA for binding studies with E2. All formed complexes were investigated with respect to the following non-covalent interaction types: hydrogen bonds, water-mediated hydrogen bonds, π-stacking, and hydrophobic interactions. Ten functional groups could be derived which formed the conserved interactions to E2. The study contributes to the understanding of the behavior of ligands that bind through different target structures in an aqueous solution and to the identification of binding specific interaction partners. The results of this thesis can be used to design novel synthetic receptor and filter systems
Behavior of jointed rock masses: numerical simulation and lab testing
Get PDFThe anisotropic behavior of a rock mass with persistent and planar joint sets is mainly governed by the geometrical and mechanical characteristics of the joints. The aim of the study is to develop a continuum-based approach for simulation of multi jointed geomaterials. There are two available numerical techniques for the strain-stress analysis of rock masses: continuum-based methods and discontinuum based methods. Joints are simulated explicitly in discontinuous methodology. This technique provides a more accurate description for the behavior of a rock mass. However, in some projects, the explicit definition becomes impractical, especially with increasing number of joints. Besides, the calculation efficiency will be significant reduced as the number of joints increases within the model. Considering the above mentioned shortcomings of the discontinuous method, the continuum-based approach is widely used in rock mechanics. Within the continuum methods, the discontinuities are regarded as smeared cracks in an implicit manner and all the joint parameters are incorporated into the equivalent constitutive equations.
A new equivalent continuum model, called multi-joint model, is developed for jointed rock masses which may contain up to three arbitrary persistent joint sets. The Mohr-Coulomb yield criterion is used to check failure of the intact rock and the joints. The proposed model has solved the issue of multiple plasticity surfaces involved in this approach combined with multiple failure mechanisms. The multi-joint model is implemented into FLAC and is verified against the distinct element method (UDEC), analytical solutions, and experimental data. Uniaxial compression tests with artificial rock-like material (gypsum) are carried out in the laboratory in order to verify the developed constitutive model and to investigate the behavior of jointed specimen. Samples with two crossing joints covering more than 20 angle configurations and two different property sets were prepared and tested.
Simulation results are in good agreement with experimental observations. The developed model is applied to two potential practical applications: the stability analysis of a slope and a tunnel under different stress conditions. Finally, the main achievements of the whole PhD study are summarized and future research work is proposed
Modellierung und Untersuchung der Schmelzströmung für die gerichtete Erstarrung in der industriellen Photovoltaik
Get PDFDiese Arbeit stellt einen Beitrag zur Modellierung der gerichteten Erstarrung von Silizium für die Photovoltaik dar. Es wurde basierend auf einem industriellen Prozesses ein Modellaufbau der Schmelze mit zwei Induktoren nach der Ähnlichkeitstheorie abgeleitet. Dieser ermöglicht, durch die Verwendung von niedrig schmelzenden Metallen, eine umfassende Messung der Strömungsgeschwindigkeiten mit Ultraschall-Velocimetrie. Basierend auf den experimen- tellen Daten wurde ein numerisches Modell zur Berechnung der Schmelzströmung unter Magnetfeldeinfluss validiert. Es wurden detaillierte Untersuchungen zu Strömungsstrukturen und beeinflussende Parameter durchgeführt, eine Methode zur Klassifizierung entwickelt und die Rotationskennzahl Ro eingeführt, mit welcher man in Abhängigkeit vom Magnetfeld und der Schmelzgeometrie die horizontale Rotation der Schmelzströmung in einem breiten Gültigkeitsbereich vorhersagen kann. Das validierte numerische Modell wurde zur Prozessoptimierung auf die Schmelzströmung des industriellen Prozesses angewendet
Sorelphasenbildung - Löslichkeitsgleichgewichte und Abbindereaktionen des MgO-Baustoffs
Get PDFDer Magnesiabaustoff, dessen Bindemittelphasen basische Magnesiumsalz-Hydrate sind, wird aufgrund seiner Beständigkeit gegenüber salinaren Lösungszusammensetzungen zur Errichtung geotechnischer Barrieren im Salzgestein eingesetzt. Der Nachweis der Langzeitstabilität kann über das thermodynamische Gleichgewicht zwischen potentieller Zutrittslösung und vorliegender Bindemittelphase(n) im Baustoff erfolgen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum einen Löslichkeitsdaten im quaternären System Mg2+ / Cl-, OH-, SO42- // H2O bei 25 °C und 40 °C experimentell ermittelt. Zum anderen wurde der Bindemittelphasenbestand nach Abschluss der Abbindereaktion bestimmt. Dazu wurde der Phasenbestand rezeptur- und temperaturabhängig (unterschiedliche Tmax) mittels Röntgenpulverdiffraktometrie über den gesamten Abbindeprozess hinweg analysiert, über die RIETVELD-Methode quantifiziert sowie die Gefüge- und Volumenentwicklung verfolgt.
Sowohl die nunmehr verfügbaren Löslichkeitsdaten im quaternären System Mg2+ / Cl-, OH-, SO42- // H2O als auch der erhaltene Kenntnisstand zum rezepturtypbedingten Abbindeverhalten und resultierende(n) Bindemittelphase(n) erlauben eine sichere Bewertung der Langzeitbeständigkeit des Magnesiabaustoffes unter salinaren Bedingungen
A theory for the homogenisation towards micromorphic media and its application to size effects and damage
Get PDFThe classical Cauchy-Boltzmann theory of continuum mechanics requires that the dimension, over which macroscopic gradients occur, are much larger than characteristic length scales of the microstructure. For this reason, the classical continuum theory comes to its limits for very small specimens or if material degradation leads to a localisation of deformations into bands, whose width is determined by the microstructure itself. Deviations from the predictions of the classical theory of continuum mechanics are referred to as size effects.
It is well-known, that generalised continuum theories can describe size effects in principle. Especially micromorphic theories gain increasing popularity due its favorable numerical implementation. However, the formulation of the additionally necessary constitutive equations is a problem. For linear-elastic behavior, the number of material parameters increases considerably compared to the classical theory. The experimental determination of these parameters is thus very difficult. For nonlinear and history-dependent processes, even the qualitative structure of the constitutive equations can hardly be assessed solely on base of phenomenological considerations. Homogenisation methods are a promising approach to solve this problem.
The present thesis starts with a critical review on the classical theory of homogenisation and the approaches on micromorphic homogenisation which are available in literature. On this basis, a theory is developed for the homogenisation of a classical Cauchy-Boltzmann continuum at the microscale towards a micromorphic continuum at the macroscale. In particular, the micro-macro-relations are specified for all macroscopic kinetic and kinematic field quantities. On the microscale, the corresponding boundary-value problem is formulated, whereby kinematic, static or periodic boundary conditions can be used. No restrictions are imposed on the material behavior, i. e. it can be linear or nonlinear. The special cases of the micropolar theory (Cosserat theory), microstrain theory and microdilatational theorie are considered.
The proposed homogenisation method is demonstrated for several examples. The simplest example is the uniaxial case, for which the exact solution can be specified. Furthermore, the micromorphic elastic properties of a porous, foam-like material are estimated in closed form by means of Ritz' method with a cubic ansatz.
A comparison with partly available exact solutions and FEM solutions indicates a qualitative and quantitative agreement of sufficient accuracy. For the special cases of micropolar and microdilatational theory, the material parameters are specified in the established nomenclature from literature. By means of these material parameters the size effect of an elastic foam structure is investigated and compared with corresponding results from literature.
Furthermore, micromorphic damage models for quasi-brittle and ductile failure are presented. Quasi-brittle damage is modelled by propagation of microcracks. For the ductile mechanism, Gurson's limit-load approach on the microscale is extended by microdilatational terms. A finite-element implementation shows, that the damage model exhibits h-convergence even in the softening regime and that it thus can describe localisation.:1 Introduction
2 Literature review: Micromorphic theory and strain-gradient theory
2.1 Variational approach
2.1.1 Cauchy-Boltzmann continuum
2.1.2 Second gradient theory / Strain gradient theory
2.1.3 Micromorphic theory
2.1.4 Method of virtual power
2.2 Homogenisation approaches
2.2.1 Classical theory of homogenisation
2.2.2 Strain-gradient theory by Gologanu, Kouznetsova et al.
2.2.3 Micromorphic theory by Eringen
2.2.4 Average field theory by Forest et al.
2.3 Scope of the present thesis
3 Homogenisation towards a micromorphic continuum
3.1 Thermodynamic considerations and generalized Hill-Mandel lemma
3.2 Surface operator and kinetic micro-macro relations
3.3 Kinematic micro-macro relations
3.4 Porous material
3.5 Kinematic and periodic boundary conditions
3.6 Special cases
3.6.1 Strain-gradient theory / Second gradient theory
3.6.2 Micropolar theory
3.6.3 Microstrain theory
3.6.4 Microdilatational theory
4 Elastic Behaviour
4.1 Uniaxial case
4.2 Upper bound estimates by Ritz' Method
4.3 Isotropic porous material
4.4 Micropolar theory
4.5 Microdilatational theory
4.6 Size effect in simple shear
5 Damage Models
5.1 Quasi-brittle damage
5.2 Microdilatational extension of Gurson’s model of ductile damage
5.2.1 Limit load analysis for rigid ideal-plastic material
5.2.2 Phenomenological extensions
5.2.3 FEM implementation
5.2.4 Example
6 DiscussionDie klassische Cauchy-Boltzmann-Kontinuumstheorie setzt voraus, dass die Abmessungen, über denen makroskopische Gradienten auftreten, sehr viele größer sind als charakteristische Längenskalen der Mikrostruktur. Aus diesem Grund stößt die klassische Kontinuumstheorie bei sehr kleinen Proben ebenso an ihre Grenzen wie bei Schädigungsvorgängen, bei denen die Deformationen in Bändern lokalisieren, deren Breite selbst von der Längenskalen der Mikrostruktur bestimmt wird. Abweichungen von Vorhersagen der klassischen Kontinuumstheorie werden als Größeneffekte bezeichnet.
Es ist bekannt, dass generalisierte Kontinuumstheorien Größeneffekte prinzipiell beschreiben können. Insbesondere mikromorphe Theorien erfreuen sich auf Grund ihrer vergleichsweise einfachen numerischen Implementierung wachsender Beliebtheit. Ein großes Problem stellt dabei die Formulierung der zusätzlich notwendigen konstitutiven Gleichungen dar. Für linear-elastisches Verhalten steigt die Zahl der Materialparameter im Vergleich zur klassischen Theorie stark an, was deren experimentelle Bestimmung sehr schwierig macht. Bei nichtlinearen und lastgeschichtsabhängigen Prozessen lässt sich selbst die qualitative Struktur der konstitutiven Gleichungen ausschließlich auf Basis phänomenologischer Überlegungen kaum erschließen. Homogenisierungsverfahren stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, um dieses Problem zu lösen.
Die vorliegende Arbeit gibt zunächst einen kritischen Überblick über die klassische Theorie der Homogenisierung sowie die im Schrifttum verfügbaren Ansätze zur mikromorphen Homogenisierung. Auf dieser Basis wird eine Theorie zur Homogenisierung eines klassischen Cauchy-Boltzmann-Kontinuums auf Mikroebene zu einem mikromorphen Kontinuum auf der Makroebene entwickelt. Insbesondere werden Mikro-Makro-Relationen für alle makroskopischen kinetischen und kinematischen Feldgrößen angegebenen. Auf der Mikroebene wird das entsprechende Randwertproblem formuliert, wobei kinematische, statische oder periodische Randbedingungen verwendet werden können. Das Materialverhalten unterliegt keinen Einschränkungen, d. h., dass es sowohl linear als auch nichtlinear sein kann. Die Sonderfälle der mikropolaren Theorie (Cosserat-Theorie), Mikrodehnungstheorie und mikrodilatationalen Theorie werden erarbeitet.
Das vorgeschlagene Homogenisierungsverfahren wird für eine Reihe von Beispielen demonstriert. Als einfachstes Beispiel dient der einachsige Fall, für den die exakte Lösung angegebenen werden kann. Weiterhin werden die mikromorphen, elastischen Eigenschaften eines porösen, schaumartigen Materials mittels des Ritz-Verfahrens mit einem kubischen Ansatz in geschlossener Form abgeschätzt. Ein Vergleich mit teilweise verfügbaren exakten Lösungen sowie FEM-Lösungen weist eine qualitative und quantitative Übereinstimmung hinreichender Genauigkeit aus. Für die Sonderfälle mikropolaren und mikrodilatationalen Theorien werden die Materialparameter in der im Schrifttum üblichen Nomenklatur angegebenen. Mittels dieser Materialparameter wird der Größeneffekt in einer elastischen Schaumstruktur untersucht und mit entsprechenden Ergebnissen aus dem Schrifttum verglichen.
Desweiteren werden mikromorphe Schädigungsmodelle für quasi-sprödes und duktiles Versagen vorgestellt. Quasi-spröde Schädigung wird durch das Wachstum von Mikrorissen modelliert. Für den duktilen Mechanismus wird der Ansatz von Gurson einer Grenzlastanalyse auf Mikroebene um mikrodilatationale Terme erweitert. Eine Finite-Elemente-Implementierung zeigt, dass das Schädigungsmodell auch im Entfestigungsbereich h-Konvergenz aufweist und die Lokalisierung beschreiben kann.:1 Introduction
2 Literature review: Micromorphic theory and strain-gradient theory
2.1 Variational approach
2.1.1 Cauchy-Boltzmann continuum
2.1.2 Second gradient theory / Strain gradient theory
2.1.3 Micromorphic theory
2.1.4 Method of virtual power
2.2 Homogenisation approaches
2.2.1 Classical theory of homogenisation
2.2.2 Strain-gradient theory by Gologanu, Kouznetsova et al.
2.2.3 Micromorphic theory by Eringen
2.2.4 Average field theory by Forest et al.
2.3 Scope of the present thesis
3 Homogenisation towards a micromorphic continuum
3.1 Thermodynamic considerations and generalized Hill-Mandel lemma
3.2 Surface operator and kinetic micro-macro relations
3.3 Kinematic micro-macro relations
3.4 Porous material
3.5 Kinematic and periodic boundary conditions
3.6 Special cases
3.6.1 Strain-gradient theory / Second gradient theory
3.6.2 Micropolar theory
3.6.3 Microstrain theory
3.6.4 Microdilatational theory
4 Elastic Behaviour
4.1 Uniaxial case
4.2 Upper bound estimates by Ritz' Method
4.3 Isotropic porous material
4.4 Micropolar theory
4.5 Microdilatational theory
4.6 Size effect in simple shear
5 Damage Models
5.1 Quasi-brittle damage
5.2 Microdilatational extension of Gurson’s model of ductile damage
5.2.1 Limit load analysis for rigid ideal-plastic material
5.2.2 Phenomenological extensions
5.2.3 FEM implementation
5.2.4 Example
6 Discussio
Rainbow Colorings in Graphs
Get PDFIn this thesis, we deal with rainbow colorings of graphs. We engage not with the
rainbow connection number but with counting of rainbow colorings in graphs with k
colors. We introduce the rainbow polynomial and prove some results for some special graph classes. Furthermore, we obtain bounds for the rainbow polynomial.
In addition, we define some edge colorings related to the rainbow coloring, like the
s-rainbow coloring and the 2-rainbow coloring. For this edge colorings, polynomials
are defined and we prove some basic properties for this polynomials and present some formulas for the calculation in special graph classes. In addition, we consider in this thesis counting problems related to the rainbow coloring like rainbow pairs and rainbow dependent sets. We introduce polynomials for this counting problems and present some general properties and formulas for special graph classes
3D-Multimaterialdruck für die Fertigung von Komponenten elektromagnetischer Energiewandler
Get PDFBei dem 3D-Multimaterialdruck handelt es sich um ein Verfahren, mit dem es erstmals möglich ist, mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem Arbeitsgang zu verdrucken. Um die geometrischen und physikalischen Beschränkungen aufzubrechen, wurde an der Professur Elektrischen Energiewandlungssysteme und Antriebe ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich wird, ganze elektromagnetische Energiewandler in einem Arbeitsgang herzustellen. Gleichzeitig lassen sich völlig neue Bauformen von Maschinen realisieren. Durch den Austausch von konventionellen Isolationsmaterialien durch Keramikisolation, werden die thermischen Eigenschaften von Elektromotoren signifikant verbessert
Thermische Berechnung elektrischer Maschinen für dynamische Betriebsfälle: Möglichkeiten und Grenzen einfacher thermischer Modelle zur Temperaturüberwachung
Get PDFIn diesem Beitrag wird ein thermisches Modell beschrieben, mit dem die Temperaturverteilung einer elektrischen Maschine während des dynamischen Betriebes berechnet werden kann. Die Maschine kann so ohne Überschreiten von Temperaturgrenzen weiter ausgenutzt werden.In this paper a thermal model for dynamic operations is proposed to calculate the transient temperature distribution in the electrical machine. With the help of the model it is possible to increase availability during overload operation. Temperature limit overrun can be avoided
Characterization of Novel Pyroelectrics: From Bulk GaN to Thin Film HfO2
Get PDFThe change of the spontaneous polarization due to a change of temperature is known as the pyroelectric effect and is restricted to crystalline, non-centrosymmetric and polar matter. Its main application is the utilization in infrared radiation sensors, but usage for waste heat energy harvesting or chemical catalysis is also possible. A precise quantification, i.e. the measurement of the pyroelectric coefficient p, is inevitable to assess the performance of a material. Hence, a comprehensive overview is provided in this work, which summarizes and evaluates the available techniques to characterize p. A setup allowing the fully automated measurement of p by utilizing the Sharp-Garn method and the measurement of ferroelectric hysteresis loops is described. It was used to characterize and discuss the behavior of p with respect to the temperature of the doped bulk III-V compound semiconductors gallium nitride and aluminum nitride and thin films of doped hafnium oxide, as reliable data for these materials is still missing in the literature. Here, the nitride-based semiconductors show a comparable small p and temperature dependency, which is only slightly affected by the incorporated dopant, compared to traditional ferroelectric oxides. In contrast, p of HfO2 thin films is about an order of magnitude larger and seems to be affected by the present dopant and its concentrations, as it is considered to be responsible for the formation of the polar orthorhombic phase.:1. Motivation and Introduction
2. Fundamentals
2.1. Dielectrics and their Classification
2.2. Polarization
2.3. Pyroelectricity
2.4. Ferroelectricty
2.5. Phase Transitions
2.6. Applications and Figures of Merit
3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient
3.1. General Considerations
3.1.1. Heating Concepts
3.1.2. Thermal Equilibrium
3.1.3. Electric Contact
3.1.4. Separation of Contributions
3.1.5. Thermally Stimulated Currents
3.2. Static Methods
3.2.1. Charge Compensation Method
3.2.2. Hysteresis Measurement Method
3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement
3.2.4. Flatband Voltage Shift
3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method
3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory
3.3. Dynamic Methods
3.3.1. Temperature Ramping Methods
3.3.2. Optical Methods
3.3.3. Periodic Pulse Technique
3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods
3.3.5. Harmonic Waveform Techniques
4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup
4.1. Pyroelectric Measurement Setup
4.1.1. Setup and Instrumentation
4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients
4.1.3. Further Examples
4.2. Hysteresis Loop Measurements
4.2.1. Instrumentation
4.2.2. Measurement and Evaluation
4.2.3. Examples
5. Investigated Material Systems
5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN
5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization
5.1.2. Applications
5.1.3. Crystal Growth and Doping
5.1.4. Pyroelectricity
5.2. Hafnium Oxide Thin Films
5.2.1. General Structure and Applications
5.2.2. Polar Properties in Thin Films
5.2.3. Doping Effects
5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity
6. Results
6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN
6.1.1. Sample Preparation
6.1.2. Pyroelectric Measurements
6.1.3. Lattice Influence
6.1.4. Slope Differences
6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide
6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films
6.2.2. Effects of Silicon Doping
6.2.3. Dopant Comparison
7. Summary and Outlook
A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation
B. Loss Current Correction for Shunt Method
C. Conductivity Correction
D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit
Bibliography
Publication List
AcknowledgmentsDie Änderung der spontanen Polarisation durch eine Änderung der Temperatur ist bekannt als der pyroelektrische Effekt, welcher auf kristalline, nicht-zentrosymmetrische und polare Materie beschränkt ist. Er findet vor allem Anwendung in Infrarot-Strahlungsdetektoren, bietet aber weitere Anwendungsfelder wie die Niedertemperatur-Abwärmenutzung oder die chemische Katalyse. Eine präzise Quantifizierung, d. h. die Messung des pyroelektrischen Koeffizienten p, ist unabdingbar, um die Leistungsfähigkeit eines Materials zu bewerten. Daher bietet diese Arbeit u.a. einen umfassenden Überblick und eine Bewertung der verfügbaren Messmethoden zur Charakterisierung von p. Weiterhin wird ein Messaufbau beschrieben, welcher die voll automatisierte Messung von p mit Hilfe der Sharp-Garn Methode und auch die Charakterisierung der ferroelektrischen Hystereseschleife ermöglicht. Aufgrund fehlerender Literaturdaten wurde dieser Aufbau anschließend genutzt, um den temperaturabhängigen pyroelektrischen Koeffizienten der dotierten III-V-Verbindungshalbleiter Gallium- und Aluminiumnitrid sowie dünner Schichten bestehend aus dotiertem Hafniumoxid zu messen und zu diskutieren. Im Vergleich zu klassichen ferroelektrischen Oxiden zeigen dabei die nitridbasierten Halbleiter einen geringen pyroelektrischen Koeffizienten und eine kleine Temperaturabhängigkeit, welche auch nur leicht durch den vorhandenen Dotanden beeinflusst werden kann. Dagegen zeigen dünne Hafniumoxidschichten einen um eine Größenordnung größeren pyroelektrischen Koeffizienten, welcher durch den anwesenden Dotanden und seine Konzentration beeinflusst wird, da dieser verantwortlich für die Ausbildung der polaren, orthorhombischen Phase gemacht wird.:1. Motivation and Introduction
2. Fundamentals
2.1. Dielectrics and their Classification
2.2. Polarization
2.3. Pyroelectricity
2.4. Ferroelectricty
2.5. Phase Transitions
2.6. Applications and Figures of Merit
3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient
3.1. General Considerations
3.1.1. Heating Concepts
3.1.2. Thermal Equilibrium
3.1.3. Electric Contact
3.1.4. Separation of Contributions
3.1.5. Thermally Stimulated Currents
3.2. Static Methods
3.2.1. Charge Compensation Method
3.2.2. Hysteresis Measurement Method
3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement
3.2.4. Flatband Voltage Shift
3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method
3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory
3.3. Dynamic Methods
3.3.1. Temperature Ramping Methods
3.3.2. Optical Methods
3.3.3. Periodic Pulse Technique
3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods
3.3.5. Harmonic Waveform Techniques
4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup
4.1. Pyroelectric Measurement Setup
4.1.1. Setup and Instrumentation
4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients
4.1.3. Further Examples
4.2. Hysteresis Loop Measurements
4.2.1. Instrumentation
4.2.2. Measurement and Evaluation
4.2.3. Examples
5. Investigated Material Systems
5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN
5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization
5.1.2. Applications
5.1.3. Crystal Growth and Doping
5.1.4. Pyroelectricity
5.2. Hafnium Oxide Thin Films
5.2.1. General Structure and Applications
5.2.2. Polar Properties in Thin Films
5.2.3. Doping Effects
5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity
6. Results
6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN
6.1.1. Sample Preparation
6.1.2. Pyroelectric Measurements
6.1.3. Lattice Influence
6.1.4. Slope Differences
6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide
6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films
6.2.2. Effects of Silicon Doping
6.2.3. Dopant Comparison
7. Summary and Outlook
A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation
B. Loss Current Correction for Shunt Method
C. Conductivity Correction
D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit
Bibliography
Publication List
Acknowledgment