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Ferrocenyl-Alkynes and Butadiynes: Reaction Behavior towards Cobalt and Iron Carbonyl Compounds
Get PDFDie vorliegende Dissertation beschreibt die Synthese und Charakterisierung von neuartigen perferrocenylierten, cyclischen Komplexen unter Anwendung der Cobalt-vermittelten Cyclomerisierung in Kombination mit einer C-H-Bindungsaktivierung als auch die Bildung von ferrocenylierten Phosphinoalkinid-Komplexen mit Eisen- und Cobaltcarbonylen. Die elektrochemischen Eigenschaften und die Elektronentransfer-prozesse zwischen den terminalen Ferrocenyleinheiten in den unterschiedlichen cyclischen Verbindungen wurden unter Einbeziehung der Struktur/chemischen Zusammensetzung der Brückenbausteine ermittelt.
Elf perferrocenylierte, cyclische Komplexe wurden mittels [2+2] bzw. [2+2+2] Cyclomerisierung von 1,4-Diferrocenylbutadiin FcC≡C–C≡CFc (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) unter Verwendung von Dicarbonylcyclopentadienylcobalt Co(η5-C5H5)(CO)2 erhalten. Diese können in drei Gruppen unterteilt werden: (i) Produkte der Cyclodimerisierung mit zusätzlicher Kettenverlängerung, welche Cyclobutadienyl-einheiten als zentrale Brückenbausteine besitzen (3a,b und 4a,b), (ii) Produkte der Cyclodimerisierung mit gleichzeitiger CO-Insertion (6a,b,c und 7), und (iii) Produkte der Cyclotrimerisierung gefolgt von einem Ringschluss durch eine C-H-Bindungsaktivierung (5a,b,c). Die Optimierung der Reaktionsbedingungen wurde zur Ausbeutemaximierung der jeweiligen Verbindungsfamilien durchgeführt.
Ein weiterer Teil dieser Forschungsarbeit bezieht sich auf die verschiedenen Reaktionsmuster von (Ferrocenylethinyl)diphenylphosphan- mit zweikernigen Eisen- bzw. Cobaltcarbonylverbindungen in Form von Dieisennonacarbonyl und Dicobaltoctacarbonyl als Reagenzien. Dabei konnten sechs gemischte Carbonyl- und Ferrocenyl-funktionalisierte Phosphinoacetylid-Komplexe mit Eisen(0) und Cobalt(0) erhalten und charakterisiert werden.:Table of contents
Bibliografische Beschreibung und Referat iii
Abstract iv
Ort und Zeitraum der Durchführung v
Widmung vi
Präambel vii
List of Abbreviations xii
CHAPTER A Introduction 15
References 16
CHAPTER B State of Knowledge 19
1 (Spectro)electrochemical studies of mixed-valent transition metal complexes. Theoretical background 19
1.1 Mixed-valent compounds – classification 20
1.2 Spectroelectrochemistry 21
1.3 Electrochemistry 25
2 (Di)ferrocenylalkynes – synthesis and reactions 28
2.1 1,4-Diferrocenylbutadiyne 29
2.2 Other (poly)ferrocenyl substituted alkyne derivatives 35
3 Dicarbonylcyclopentadienylcobalt – [2+2] and [2+2+2] cyclo-addition reactions 37
3.1 [2+2] and [2+2+2] cycloaddition – cyclobutadiene, cyclopentadienone, benzene and pyridine based systems 38
3.2 Mechanism of [2+2] and [2+2+2] cycloaddition/cyclization and [2+2] cycloaddition/cyclization with CO insertion mediated by CoCp(CO)2 40
4 Chelation-assisted C–H bond activation mediated by cobalt species 42
5 Phosphinoalkynes and their reaction with iron and cobalt carbonyls 44
5.1 Mechanism of the P–C(sp) bond cleavage in phosphinoalkynes 48
6 Complexes setup by (ferrocenylethynyl)diphenylphosphane 50
References 56
CHAPTER C Multiferrocenyl Cobalt-Based Sandwich Compounds 64
1 Introduction 64
2 Results and Discussion 65
2.1 Synthesis and Characterization 65
2.2 Solid-State Structures 71
2.3 Electrochemistry 73
2.4 Spectroelectrochemistry 76
3 Experimental Section 79
3.1 Instrumentation 79
3.2 General Conditions 81
3.3 Reagents 81
3.4 General Procedure - Reaction of 1 with 2 81
3.4.1 Compound 3a 82
3.4.2 Compound 3b 82
3.4.3 Compound 4b 83
3.4.4 Compound 5c 83
3.4.5 Compound 6a 84
3.4.6 Compound 6b 84
3.4.7 Compound 6c 85
3.4.8 Compound 7 85
4 Supporting information 86
5 References 86
CHAPTER D Combining Cobalt-Assisted Alkyne Cyclotrimerization and Ring Formation through C–H Bond Activation: A “One-Pot” Approach to Complex Multimetallic Structures 91
1 Introduction 91
2 Results and Discussion 92
3 Experimental Section (Supporting information) 98
3.1 General Information 98
3.2 Starting Materials 98
3.3 Synthesis of 3a and 3b from 2 99
3.3.1 Complex 3a: 99
3.3.2 Complex 3b: 100
3.4 Synthesis of 9a and 9b from 1-Ferrocenylethynyl-2-Ferrocenyl Benzene (8) 101
3.4.1 Synthesis of 1-Bromo-2-Ferrocenylethynyl Benzene (7) 101
3.4.2 Synthesis of 1-Ferrocenylethynyl-2-Ferrocenyl Benzene (8) 102
3.4.3 Synthesis of 9a and 9b from 8 103
3.5 Synthesis of 3a and 3b from 1,3,5-Triethynylferrocenyl-2,4,6-Triferrocenyl Benzene (4) 105
3.5.1 Synthesis of 1,3,5-Trichloro-2,4,6-Triethynylferrocenyl Benzene (12) 105
3.5.2 Synthesis of 1,3,5-Triethynylferrocenyl-2,4,6-Triferrocenyl Benzene (4) 105
3.5.3 Synthesis of 3a and 3b from 4 106
4 Supporting information 107
4.1 Spectroelectrochemistry of 3a,b 107
4.2 Conversion of Isomer 9a to 9b – Electrochemical and Chemical oxidation 109
4.3 Chemical oxidation experiment 110
5 References 111
CHAPTER E Coordination Behavior of (Ferrocenylethynyl)diphenyl-phosphane Towards Binuclear Iron and Cobalt Carbonyls 114
1 Introduction 114
2 Results and Discussion 115
3 Experimental Section 126
3.1 Instrumentation 126
3.2 General 128
3.3 Reagents 128
3.4 Synthesis of 4 128
3.5 Synthesis of 4, 5 and 6 129
3.6 Synthesis of 6 by reacting 4 with 2 131
3.7 Synthesis of 7 and 8 131
3.8 Synthesis of 8 from 1 with 3 132
3.9 Synthesis of 9 in the reaction of 7 with 2 133
3.10 Synthesis of 9 in the reaction of 4 with 3 133
4 Electronic Supplementary Material (Supporting information) 134
5 References 134
CHAPTER F Summary 139
1 Conclusions of Chapter C (Appendix A) 139
2 Conclusions of Chapter D (Appendix B) 141
3 Conclusions of Chapter E (Appendix C) 142
Appendix 145
1 Appendix D (Chapter C) 145
2 Appendix E (Chapter D) 146
3 Appendix F (Chapter E) 147
Curriculum Vitae 150
Publications 152
Acknowledgements 154
Selbstständigkeitserklärung 155The present PhD study focuses on the synthesis and characterization of novel perferrocenylated cyclic complexes utilizing cobalt - mediated cyclomerization in combination with C–H bond activation as well as formation of ferrocenylated phosphino-alkyne compounds with iron and cobalt carbonyls. Electrochemical properties and electron-transfer processes between terminal ferrocenyl units in the diverse cyclic compounds are explored in relation to the chemical composition of the building blocks connecting them.
Eleven perferrocenylated cyclic compounds were obtained via [2 + 2] and [2 + 2 + 2] cyclomerization of 1,4-diferrocenylbutadiyne FcC≡C–C≡CFc (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) by the reaction with dicarbonylcyclopentadienylcobalt Co(η5-C5H5)(CO)2. They are subdivided into three groups: (i) products of cyclodimerization with additional chain extension, possessing cyclobutadienyl moieties as a central linkage unit (3a,b and 4a,b), (ii) products of cyclodimerization with consecutive CO insertion (6a,b,c and 7), and (iii) products of cyclotrimerization followed by cycle formation via C–H bond activation (5a,b,c). Optimization of the reaction conditions was made in order to maximize the amount of each group of compounds.
Furthermore, another part of this research work focuses on diverse reaction patterns of (ferrocenylethynyl)diphenylphosphane with diironnonacarbonyl and dicobaltocta-carbonyl. Six mixed carbonyl and ferrocenyl-functionalized phospinoalkynyl compounds of iron(0) and cobalt(0) were obtained and characterized.:Table of contents
Bibliografische Beschreibung und Referat iii
Abstract iv
Ort und Zeitraum der Durchführung v
Widmung vi
Präambel vii
List of Abbreviations xii
CHAPTER A Introduction 15
References 16
CHAPTER B State of Knowledge 19
1 (Spectro)electrochemical studies of mixed-valent transition metal complexes. Theoretical background 19
1.1 Mixed-valent compounds – classification 20
1.2 Spectroelectrochemistry 21
1.3 Electrochemistry 25
2 (Di)ferrocenylalkynes – synthesis and reactions 28
2.1 1,4-Diferrocenylbutadiyne 29
2.2 Other (poly)ferrocenyl substituted alkyne derivatives 35
3 Dicarbonylcyclopentadienylcobalt – [2+2] and [2+2+2] cyclo-addition reactions 37
3.1 [2+2] and [2+2+2] cycloaddition – cyclobutadiene, cyclopentadienone, benzene and pyridine based systems 38
3.2 Mechanism of [2+2] and [2+2+2] cycloaddition/cyclization and [2+2] cycloaddition/cyclization with CO insertion mediated by CoCp(CO)2 40
4 Chelation-assisted C–H bond activation mediated by cobalt species 42
5 Phosphinoalkynes and their reaction with iron and cobalt carbonyls 44
5.1 Mechanism of the P–C(sp) bond cleavage in phosphinoalkynes 48
6 Complexes setup by (ferrocenylethynyl)diphenylphosphane 50
References 56
CHAPTER C Multiferrocenyl Cobalt-Based Sandwich Compounds 64
1 Introduction 64
2 Results and Discussion 65
2.1 Synthesis and Characterization 65
2.2 Solid-State Structures 71
2.3 Electrochemistry 73
2.4 Spectroelectrochemistry 76
3 Experimental Section 79
3.1 Instrumentation 79
3.2 General Conditions 81
3.3 Reagents 81
3.4 General Procedure - Reaction of 1 with 2 81
3.4.1 Compound 3a 82
3.4.2 Compound 3b 82
3.4.3 Compound 4b 83
3.4.4 Compound 5c 83
3.4.5 Compound 6a 84
3.4.6 Compound 6b 84
3.4.7 Compound 6c 85
3.4.8 Compound 7 85
4 Supporting information 86
5 References 86
CHAPTER D Combining Cobalt-Assisted Alkyne Cyclotrimerization and Ring Formation through C–H Bond Activation: A “One-Pot” Approach to Complex Multimetallic Structures 91
1 Introduction 91
2 Results and Discussion 92
3 Experimental Section (Supporting information) 98
3.1 General Information 98
3.2 Starting Materials 98
3.3 Synthesis of 3a and 3b from 2 99
3.3.1 Complex 3a: 99
3.3.2 Complex 3b: 100
3.4 Synthesis of 9a and 9b from 1-Ferrocenylethynyl-2-Ferrocenyl Benzene (8) 101
3.4.1 Synthesis of 1-Bromo-2-Ferrocenylethynyl Benzene (7) 101
3.4.2 Synthesis of 1-Ferrocenylethynyl-2-Ferrocenyl Benzene (8) 102
3.4.3 Synthesis of 9a and 9b from 8 103
3.5 Synthesis of 3a and 3b from 1,3,5-Triethynylferrocenyl-2,4,6-Triferrocenyl Benzene (4) 105
3.5.1 Synthesis of 1,3,5-Trichloro-2,4,6-Triethynylferrocenyl Benzene (12) 105
3.5.2 Synthesis of 1,3,5-Triethynylferrocenyl-2,4,6-Triferrocenyl Benzene (4) 105
3.5.3 Synthesis of 3a and 3b from 4 106
4 Supporting information 107
4.1 Spectroelectrochemistry of 3a,b 107
4.2 Conversion of Isomer 9a to 9b – Electrochemical and Chemical oxidation 109
4.3 Chemical oxidation experiment 110
5 References 111
CHAPTER E Coordination Behavior of (Ferrocenylethynyl)diphenyl-phosphane Towards Binuclear Iron and Cobalt Carbonyls 114
1 Introduction 114
2 Results and Discussion 115
3 Experimental Section 126
3.1 Instrumentation 126
3.2 General 128
3.3 Reagents 128
3.4 Synthesis of 4 128
3.5 Synthesis of 4, 5 and 6 129
3.6 Synthesis of 6 by reacting 4 with 2 131
3.7 Synthesis of 7 and 8 131
3.8 Synthesis of 8 from 1 with 3 132
3.9 Synthesis of 9 in the reaction of 7 with 2 133
3.10 Synthesis of 9 in the reaction of 4 with 3 133
4 Electronic Supplementary Material (Supporting information) 134
5 References 134
CHAPTER F Summary 139
1 Conclusions of Chapter C (Appendix A) 139
2 Conclusions of Chapter D (Appendix B) 141
3 Conclusions of Chapter E (Appendix C) 142
Appendix 145
1 Appendix D (Chapter C) 145
2 Appendix E (Chapter D) 146
3 Appendix F (Chapter E) 147
Curriculum Vitae 150
Publications 152
Acknowledgements 154
Selbstständigkeitserklärung 15
Der Einfluss familiärer Netzwerke auf die Partnerwahl und Partnerschaftsqualität bei Personen türkischer Herkunft
Get PDFAnhand von drei Untersuchungen, die jeweils als eigenständige Artikel in Fachzeitschriften publiziert wurden, werden unterschiedliche Aspekte der Rolle der Familie auf das Partnerwahl- und Partnerschaftsleben bei türkischstämmigen Personen untersucht. In einem ersten Artikel werden die Determinanten einer familiären Einflussnahme auf die Partnerwahl untersucht. Hierzu werden Hypothesen zum Einfluss des Bildungsgrades, der ethnischen Zusammensetzung des sozialen Netzwerkes und des Geschlechts untersucht. Ein weiterer Artikel untersucht, wie sich die familiäre Einflussnahme auf die Partnerwahl auf die spätere Partnerschaftsqualität auswirkt. Der dritte Artikel hat die familiären transnationalen Netzwerke als Untersuchungsgegenstand. Dabei wird analysiert, wie ein familiäres Netzwerk, das sich über mehrere Nationalstaaten spannt, auf die Wahrscheinlichkeit einer transnationalen Partnerschaft auswirkt.:1 Forschungsgegenstand und Aufbau der Synopsis .............................................................1
2 Partnerwahl im familialistischen Kontext ............................................................................3
3 Partnerwahl nach dem westlichen Liebesideal .................................................................. 7
4 Bildung und andere Determinanten des Partnerwahlmodus ............................................10
5 Partnerwahl im Migrationskontext .................................................................................. .12
6 Partnerwahlmodus und Partnerschaftsqualität ............................................................. ..16
7 Familiäre Netzwerke und transnationale Partnerschaften ............................................... 19
8 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 27
9 Literaturverzeichnis ..........................................................................................................3
Naturanaloge Optimierungsverfahren zur Auslegung von Faserverbundstrukturen
Get PDFDie vollständige Ausnutzung des Leichtbaupotentials bei der Dimensionierung von mehrschichtigen endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen erfordert die Bereitstellung von geeigneten Optimierungswerkzeugen, da bei der Auslegung eine große Anzahl von Entwurfsvariablen zu berücksichtigen sind. In dieser Arbeit werden Optimierungsalgorithmen und -strategien zur Lösung wissenschaftlicher Fragestellungen für industrielle Anwendungen bei der Konstruktion von entsprechenden Faserkunststoffverbunden entwickelt und bewertet. Um das breite Anwendungsspektrum aufzuzeigen, werden drei unterschiedliche repräsentative Problemstellungen bearbeitet. Dabei wird für Mehrschichtverbunde die Festigkeitsoptimierung hinsichtlich eines bruchtypbezogenen Versagenskriteriums vorgenommen, ein Dämpfungsmodell zur Materialcharakterisierung entworfen sowie eine bivalente Optimierungsstrategie zur Auslegung von gewickelten Hochdruckbehältern erstellt. Die Grundlage der entwickelten Methoden bilden dabei jeweils stochastische naturanaloge Optimierungsheuristiken, da die betrachteten Aufgabenstellungen nicht konvex sind und derartige Verfahren flexibel eingesetzt werden können.The full utilization of the light weight potential in the dimensioning of multilayer fiber reinforced composites requires suitable optimization tools, since a large number of design variables has to be taken into account. In this work, optimization algorithms and strategies for the solution of scientific questions for industrial applications are developed and evaluated in the design of corresponding fiber-plastic composites. In order to show the wide range of applications, three different representative topics have been chosen. It will carry out a strength optimization for multilayer composites with regard to a type-related failure criterion, devolop a damping model for material characterization and established a bivalent optimization strategy for the design of wound high-pressure vessels. The developed methods are based on stochastic natural-analog optimization heuristics, since the considered tasks are not convex and such methods can be used in a very flexible manner
Requirements Engineering and Software Development Process of an A-SMGCS Earth Magnetic Field Sensor Data Playback and Basic Analysis Tool
Get PDFAdvanced Surface Movement Guidance and Control Systems (A-SMGCS) help to further improve safety and efficiency of the traffic on the aerodrome surface. The current A-SMGCS sensor technologies have certain operational and functional limitations. A new and unprecedented sensor technology is being tested as a pilot project. This unique sensors is called MagSense®. It works based on the principle of detecting the influence of ferromagnetic materials on earth’s magnetic field. For applications in the aviation environment, learning processes are necessary which are generally based on the graphical depiction of stored sensor data and features to analyze the graphs. For this purpose a visualization and analysis tool is needed.
In order to create an adequate tool to allow for depicting stored sensor data and the peaks caused by ferromagnetic objects in aircraft and vehicles, a requirements engineering process will be conducted wherein the requirements of the various stakeholders will be identified and harmonized. In general, the appropriate RE approach will ensure mutual agreement among the stakeholders and a set of requirements for the first edition of the tool without contradictions. The harmonized package of requirements will then be used as the starting point for a software development process, after which the tool will be produced as specified and validated as a part of this Master’s Thesis.
This Master’s Thesis puts a special focus on the choice of a suitable method in Requirements Engineering and Requirements Management, adequately adapted to the project size and its quality. The selection of appropriate elements from the methodology as well as the outcomes from applying them on a specific software production project are at the core
Automatic Kernel Intercommunication Interface for a Simulation Platform
Get PDFCluSys is a simulation platform that is developed by LuK GmbH & Co. KG to support product development engineers. It integrates different simulation calculation kernels and provides a collaborative environment for tool-independent chain simulation processes. The data between simulation modules in chain simulations is exchanged by defining intercommunications between individual parameters manually. This thesis provides a concept to automate the data exchange process between the parameters of different simulation models based on their physical meaning. Different approaches implemented in contemporary simulation environments are discussed, analyzed and a customized solution compatible with CluSys based on abstract interface approach is developed. This concept is implemented using an SQL database creating a parameter dictionary and an automatic intercommunication interface that uses the dictionary to recognize the parameters and define data exchange processes between them automatically. The implemented solution makes the data exchange between parameters of different simulation models independent of their labels, module names or units
Komplexe Systeme mit dynamischem, nichtlinearem Verhalten durch Simulation verstehen und optimieren
Get PDFWo FEM- und CFD-Analysen präzise Aussagen über einzelne Bauteile und überschaubare Baugruppen liefern, untersucht die dynamische Systemsimulation zeitveränderliche Vorgänge ganzer Systeme. Diese Systeme können auch aus Komponenten unterschiedlicher physikalischer Domänen bestehen. Somit lassen sich zum Beispiel die Wechselwirkungen und resultierenden Effekte aus Regelstrecken gekoppelt mit mechanischen, hydraulischen und oder elektrischen Strukturen komfortabel in nur einem Modell auf einer Plattform betrachten
Berechnung und Simulation von Kurvenschrittgetrieben
No full textBei CAD-Systemen mit integriertem MKS ist der Schritt zur Simulation von Kurvenschrittgetrieben vermeintlich kurz, da alle zugehörigen Bauteile inkl. der Massen und Trägheiten vorhanden sind, jedoch müssen Bewegungsprofile meist mit einer zusätzlichen Software gestaltet werden. Außerdem sind oft Änderungen an den Geometrien für ein lauffähiges Simulationsmodell notwendig und dynamische Aspekte können nur begrenzt abgebildet werden.
Der Einsatz von Spezialsoftware wie MOCAD liefert schnell Ergebnisse und ermöglicht einfache Parametervariationen, wobei meist nur kinetostatische Analysekennwerte auf Grundlage analytischer Berechnungsvorschriften betrachtet werden. Dynamische Effekte und genaue Kontaktanalysen in den Kurvengelenken übersteigen meist den Funktionsumfang solcher Programme.
Der Aufbau eigener Simulationsmodelle mit Hilfe von CAS-Systemen ermöglicht exakte Simulationsmodelle bei sehr hohem Programmier- und Debugg-Aufwand. Der hohe Komplexitätsgrad macht diese Tools nur für Spezialisten anwendbar
MFBD – Simulation des Nadeleindringens in ein Gewebephantom am Beispiel der Stanzbiopsie
Get PDFDie Stanzbiopsie ist ein etabliertes minimalinvasives Verfahren im Rahmen der interventionellen Diagnostik, bei der Proben menschlichen Gewebes für histologische Untersuchungen zur Erkennung bzw. zum Nachweis u. a. karzinogener Gewebe entnommen werden. Zur Gewebeentnahme wird ein zweiteilig aufgebautes Nadelsystem in das Zielgewebe eingeschossen. Bei der Beobachtung dieses Prozesses sind auffällige Nadelablenkungen des Systems erkennbar. Ursächlich dafür sind die an der Nadelspitze unsymmetrisch angreifenden Kräfte in Verbindung mit der geringen Biegesteifigkeit des Nadelsystems.
Im Rahmen eines öffentlich geförderten Projektes konnten an realitätsnahen Gewebephantomen experimentelle Untersuchungen zur Quantifizierung der Nadelablenkungen durchgeführt sowie ein mathematischer Ansatz zur Simulation dieses Effekts entwickelt werden. Darauf aufbauend wurde ein neuer Nadelschliff entwickelt, der eine wesentliche Verbesserung des aktuellen Status bringt.Biopsy is an established method of the minimally invasive medicine to take human tissue samples for examination determining the presence or extent of a disease. Frequently applied method to detect a prostate or breast cancer is the punch biopsy. The components of the used devices include an inner needle with a notch sampling the tissue and an outer cannula to cut the tissue. During the biopsy, the doctor inserts the needle system into the human tissue under supervision by sonography to support the needle steering. After pushing the trigger, the components of the needle system move successively and penetrate the desired area.
The device consists of a two-part spring mechanism to generate the needle movement. Observations of the needle movement by a highspeed camera shows a considerable deflection of the needle tip which makes tapping and tissue sampling more difficult. This is caused by unbalanced forces acting on the needle tip and the low bending stiffness of the needle. Publicly financed experimental studies in the quantification of the needle deflection were undertaken and a mathematical approach for the simulation of these effects was developed. The model, which consists of a flexible needle and a parameterized tissue model, is implemented in the multibody simulation software Recurdyn
Mechanical, Electronic and Optical Properties of Strained Carbon Nanotubes
Get PDFThis dissertation deals with the calculation of the mechanical properties, electronic structure, electronic transport, and optical properties of strained carbon nanotubes (CNTs). CNTs are discussed for straintronics as their electronic bands show a strong strain-sensitivity. Further, CNTs are stiff, possess a large rupture strain and they are chemically inert, which make them a suitable material in terms of reliability and functionality for straintronic devices.
Therefore, this work aims to explore the potential of strain-dependent CNT devices with regard to their mechanical, electronic, and optical properties from a first-principles point of view. There is no work so far that systematically compares these strain-dependent, physical properties from ab initio calculations, which are suitable for small CNTs only, to tight-binding calculations, which are suitable to model large CNTs.
First, the structural and mechanical properties of CNTs are investigated: Structural properties are obtained by geometry optimization of many CNTs using density functional theory (DFT). The mechanical properties of CNTs are calculated in the same way. The resulting stress-strain relations are investigated and their key parameters are systematically displayed with respect to the CNT chirality and radius.
The ground state electronic properties are calculated using tight-binding models and DFT. Both methods are compared systematically and it is explored where the tight-binding approximation can be applied in order to obtain meaningful results. On top of the electronic structure, a transport model is used to calculate the current through strained CNTs. The model includes the effect of ballistic conductance, parametrized electron-phonon scattering and the influence of an applied gate voltage. Finally, a computationally efficient model is described, which is able to predict the current through strained CNT transistors and enables to find optimal operation regimes for single-chirality devices and devices containing CNT mixtures.
Optical properties of strained CNTs are explored by calculating quasiparticle excitations by the means of the GW approximation and the solution of the Bethe-Salpeter equation for CNT excitons. Due to the numerical effort of these approaches, the data for just one CNT is obtained. Still, it is explored how the above-mentioned many-body properties can be related to the ground state results for this CNT. This finally leads to empirical approaches that approximately describe the many-body results from the ground state properties. It is elucidated how such a model can be generalized to other CNTs in order to describe the strain dependence of their optical transitions.Diese Dissertation befasst sich mit der Berechnung der mechanischen Eigenschaften, der elektronischen Struktur, der Transport- und der optischen Eigenschaften von verspannten Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes, CNTs). CNTs werden für die Straintronik diskutiert, da ihre elektronischen Bänder eine starke Dehnungsempfindlichkeit aufweisen. Weiterhin sind CNTs steif, besitzen eine hohe Zugfestigkeit und sind chemisch inert, weshalb sie in Bezug auf Zuverlässigkeit und Funktionalität ein geeignetes Material für straintronische Bauelemente sind.
Ziel dieser Arbeit ist es daher, das Potenzial von dehnungsabhängigen CNT-Bauteilen hinsichtlich ihrer mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften aus der Perspektive von first principles-Methoden zu untersuchen. Es gibt bisher keine Arbeit, in der die Ergebnisse verschiedener Methoden – ab initio-basierte Berechnungen für kleine CNTs und tight-binding Berechnungen, die näherungsweise die elektronische Struktur großer CNTs beschreiben – miteinander systematisch vergleicht.
Einführend werden die strukturellen und mechanischen Eigenschaften von CNTs untersucht: Strukturelle Eigenschaften ergeben sich durch Geometrieoptimierung vieler CNTs mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die mechanischen Eigenschaften von CNTs werden in gleicher Weise berechnet. Die daraus resultierenden Spannungs-Dehnungs-Beziehungen werden untersucht und deren relevante Parameter systematisch in Abhängigkeit von CNT-Chiralität und CNT-Radius dargestellt.
Die Eigenschaften des CNT-Grundzustands werden unter Verwendung von tight-binding-Modellen und DFT berechnet. Beide Methoden werden systematisch verglichen und es wird untersucht, wo die tight-binding-Näherung angewendet werden kann, um aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen. Basierend auf der elektronischen Struktur der CNTs wird ein Transportmodell aufgesetzt, durch das der Strom durch verspannte CNTs berechnet werden kann. Dieses Modell beinhaltet den Einfluss der ballistischen Leitfähigkeit, Elektron-Phonon-Streuung in parametrisierter Form und den Einfluss eines Gates. Damit wird ein numerisch effizientes Modell beschrieben, das in der Lage ist, den Strom durch verspannte CNT-Transistoren vorherzusagen. Auf dessen Basis wird es möglich, optimale Arbeitsbereiche für reine CNT-Bauelemente und Bauelemente mit CNT-Mischungen zu berechnen.
Die optischen Eigenschaften verspannter CNTs werden durch die Berechnung von Quasiteilchenanregungen mittels der GW-Approximation und der Lösung der Bethe-Salpeter-Gleichung für CNT-Exzitonen untersucht. Aufgrund des numerischen Aufwandes dieser Ansätze werden diese Daten für nur ein CNT erhalten. Daran wird der Zusammenhang zwischen den oben genannten Vielteilchen-Eigenschaften und den Grundzustandseigenschaften für dieses CNT demonstriert. Daraus ergeben sich empirische Ansätze, die es gestatten, die Vielteilchen-Ergebnisse näherungsweise auf die elektronischen Grundzustandseigenschaften zurückzuführen. Es wird dargestellt, wie ein solches Modell für andere CNTs verallgemeinert werden kann, um die Verspannungsabhängigkeit ihrer optischen Übergänge zu beschreiben
Measuring Cognitive Load in Embodied Learning Settings
Get PDFIn recent years, research on embodied cognition has inspired a number of studies on multimedia learning and instructional psychology. However, in contrast to traditional research on education and multimedia learning, studies on embodied learning (i.e., focusing on bodily action and perception in the context of education) in some cases pose new problems for the measurement of cognitive load. This review provides an overview over recent studies on embodied learning in which cognitive load was measured using surveys, behavioral data, or physiological measures. The different methods are assessed in terms of their success in finding differences of cognitive load in embodied learning scenarios. At the same time, we highlight the most important challenges for researchers aiming to include these measures into their study designs. The main issues we identified are: (1) Subjective measures must be appropriately phrased to be useful for embodied learning; (2) recent findings indicate potentials as well as problematic aspects of dual-task measures; (3) the use of physiological measures offers great potential, but may require mobile equipment in the context of embodied scenarios; (4) meta-cognitive measures can be useful extensions of cognitive load measurement for embodied learning