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Vergleich des Einflusses impliziten und expliziten Lernens der Lautdauer auf die Verständlichkeit und Natürlichkeit von Sprachsynthese in neuronalen Systemen
No full textSprachsynthese (engl. Text-to-Speech, TTS) bezeichnet die computergestützte Umwandlung von Text in Sprache und ermöglicht deren Integration in zahlreiche Bereiche menschlicher Interaktion. Da Sprache das zentrale Kommunikationsmittel des Menschen ist, sind Verständlichkeit und Natürlichkeit entscheidende Qualitätskriterien synthetischer Sprache. Insbesondere durch neuronale Ansätze konnten in den letzten Jahren erhebliche Verbesserungen der Sprachqualität erzielt werden.
Moderne neuronale TTS-Systeme erlauben bereits eine gezielte Steuerung verschiedener Aspekte, beispielsweise von Prosodie, Sprechgeschwindigkeit und Emotionen; eine präzise Kontrolle auf Lautebene ist jedoch bislang nicht möglich. Diese Arbeit untersucht daher, ob ein neuronales TTS-System bereits während des Trainings explizit lernen sollte, die Lautdauer auf Phonemebene zu steuern, um Natürlichkeit und Verständlichkeit synthetischer Sprache zu verbessern, oder ob ein rein implizites Lernen aus umfangreichen Sprachdaten ausreichend ist. Für die Untersuchung wurde ein bestehendes neuronales TTS-System erweitert, um zusätzlich die Lautdauer mithilfe automatischer Lautdauerannotation explizit zu erlernen. Dazu erfolgte zunächst eine phonemische Transkription der Aufnahmen mit anschließender zeitlicher Ausrichtung. Die Laute wurden basierend auf ihrer Dauer in vier Quantile (kurz, mittel, halblang, lang) eingeteilt.
Die Evaluation wurde subjektiv über Amazon Mechanical Turk in zwei Studien durchgeführt. Die erste Studie beinhaltete keine Maßnahmen zur Spamerkennung, was zu einer hohen Zahl an Zufallsantworten und nicht aussagekräftigen Ergebnissen führte. In der zweiten Studie wurde der Studienaufbau überarbeitet und umfangreiche Maßnahmen zur Spamerkennung implementiert. Dabei zeigte sich, dass eine verständliche und natürliche Sprache generiert werden konnte und das explizite Lernen der Lautdauer die Natürlichkeit der erzeugten Sprache bei gleichbleibender Verständlichkeit gegenüber dem impliziten Ansatz hochsignifikant verbesserte. In einer ergänzenden Nebenstudie wurde zudem gezeigt, dass beide Ansätze auch für Chinesisch, eine typologisch stark unterschiedliche Sprache, natürliche und verständliche Ergebnisse liefern konnten.
Eine objektive Evaluation bestätigte für beide Sprachen die qualitative Überlegenheit des expliziten Ansatzes.
Die vorgestellte Methode verbessert somit die Steuerbarkeit und Natürlichkeit neuronaler Sprachsynthesesysteme und eröffnet zudem neue Möglichkeiten für linguistische Forschung, indem sprachliche Merkmale im Zusammenhang mit der Lautdauer gezielt und reproduzierbar untersucht werden können.:1 Einleitung
2 Hintergrund
3 Methodik
4 Systemarchitektur
5 Evaluation
6 Zusammenfassung und Ausblick
A Anhang
B Hörbeispiele und Stimuli
C Kommunikation mit den Arbeiter
Stabilization of Nonlinear Systems under Measurement Errors using Smooth and Nonsmooth Control Lyapunov Functions
No full textEs ist allgemein bekannt, dass Regler durch die Rückführung der Regelgröße eine gewisse Robustheit in der Stabilisierung besitzen, die es ihnen ermöglicht, Modellunsicherheiten und Störungen zu kompensieren, sofern sie klein genug sind. Die sich daraus ergebende Frage lautet, wann eine Störung klein genug ist, damit der Regler sie kompensieren kann. Die vorliegende Dissertation soll dabei Teilfragestellungen beantworten und so zum Wissensgewinn beitragen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf Methoden, die eine Kontroll-Lyapunov-Funktion zur Berechnung eines stabilisierenden Regelgesetzes benutzen. Hierbei werden sowohl glatte, als auch nichtglatte Kontroll-Lyapunov-Funktionen betrachtet, wodurch die Dissertation in zwei Teile gegliedert werden kann.
Im erstgenannten Teil werden eingangsaffine Systeme betrachtet, die Brocketts Bedingungen erfüllen, sodass ein stetig differenzierbares Regelgesetz existiert, welches das System an einer seiner Ruhelagen stabilisiert. Da es in der Literatur eine Vielzahl von Methoden für die Berechnung eines stabilisierenden Regelgesetzes gibt, liegt der Fokus der Arbeit darauf, ein Regelgesetz zu ermitteln, welches optimal bezüglich einer gegebenen Kostenfunktion ist. Als Methode steht die zeitvariante optimale Regelung im Mittelpunkt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein System in Form einer gewöhnlichen Differentialgleichung entworfen wird, welches die Lösung des Optimalsteuerungsproblems verfolgt anstatt es in jedem Zeitschritt zu lösen.
Im letztgenannten Teil werden nichtlineare Systeme betrachtet, welche nur mit einem unstetigen Regelgesetz an einer Ruhelage stabilisiert werden können. Dabei stehen drei Methoden im Fokus, die ein stabilisierendes Regelgesetz als Lösung eines Optimierungsproblems ermitteln. Diese unterscheiden sich in der Berechnung der Abstiegsrichtung und dem damit verbundenen stabilisierenden Regelgesetz. Das ermittelte Regelgesetz wird anschließend über eine feste Abtastperiode konstant gehalten und auf das System angewandt. Auch hier stellt sich die Frage, wie diese Abtastperiode gewählt werden muss, um die Stabilisierung nicht zu gefährden.
Im Rahmen dieser Dissertation wird der Zusammenhang verschiedener Systemeigenschaften, Stabilisierungsanforderungen und Messfehlern untersucht, wodurch die beiden Teile der Arbeit verbunden werden. Im Fall nichtglatter Stabilisierungsmethoden wird zusätzlich noch der Einfluss von Systemstörungen, nicht exakter Optimierung und der Abtastzeit untersucht. Diese Betrachtungen liefern hinreichende Schranken für die genannten Unsicherheiten, unter deren Einhaltung (praktische) Stabilisierung gewährleistet wird und sie beantworten somit die Fragen, wie groß Störungen sein dürfen und wie klein die Abtastperiode sein muss. Diese Betrachtungen erlauben es auch, Anforderungen an Sensoren und Rechentechnik zu stellen, damit eine geforderte Genauigkeit der Stabilisierung erreicht wird.It is a well-known fact that due to the feedback, controllers possess a certain robustness of stabilizability. It enables to compensate model uncertainties and disturbances, provided that they are small enough. The resulting question is, when a disturbance is small enough such that the controller is able to compensate it. This dissertation is intended to answer sub-questions and thus contributes to gain knowledge. The main focus is on methods that use a control Lyapunov function to compute a stabilizing controller. Both smooth and nonsmooth control Lyapunov functions are considered, which allows the dissertation to be divided into two parts.
In the former part, input-affine systems are considered that satisfy Brockett's conditions. Therefore, a continuously differentiable control law exists that stabilizes the system at one of its equilibrium points. Since there are a number of methods in the literature for calculating a stabilizing control law, this work mainly considers the computation of a control law which is optimal with respect to a given objective function. The focus is on time-varying optimal control as a method. It is characterized by the fact that an ordinary differential equation is designed as a system, which tracks the solution of the optimal control problem instead of solving it at each time step.
In the latter part, nonlinear systems are considered which can only be stabilized by a discontinuous control law at one of its equilibrium points. Three methods are considered that compute a stabilizing control as a solution of an optimization problem. They differ in the calculation of the descent direction and the related stabilizing control law. The determined control law is kept constant during a fixed sampling period while applying it to the system. Also in this case, the question arises how to choose the sampling period such that stabilization is not endangered.
In this dissertation, the interplay between different system properties, stabilization requirements, and measurement errors is investigated connecting the two parts of the work. In the case of nonsmooth stabilization techniques, the influence of system disturbances, nonexact optimization, and the sampling period is also investigated. These considerations provide sufficient bounds on the mentioned uncertainties. If they are fulfilled, (practical) stabilization is ensured. Therefore, it answers the questions how large the disturbances may be and how small the sampling period must be. These considerations also make it possible to set requirements on sensors and hardware in order to obtain the required stabilization accuracy
Perceptions of Aging Within and Across Age Groups in the Context of Intergenerational Dynamics
No full textDas wahrgenommene Alter einer Person ruft Altersstereotype hervor und prägt die Selbstwahrnehmung des Alterns. Ältere Erwachsene, die mehrere Lebensphasen durchlaufen haben, bieten eine einzigartige und oft wenig erforschte Perspektive auf das Altern und andere Altersgruppen. Diese Dissertation kombiniert verschiedene Perspektiven auf das Altern und stellt neue methodische Ansätze vor, um die Forschung zu intergenerationellem Kontakt und Wahrnehmungen sozialer Schichtung voranzutreiben. Die ersten beiden Artikel untersuchen die Beziehungen zwischen altersbezogenen Einstellungen, Stereotypen und Kontakterfahrungen im ersten Teil dieser Dissertation. Artikel 1 erfasst qualitativ die Stereotype, die ältere Erwachsene über jüngere Menschen haben, und zeigt, dass diese stärker mit negativen als positiven Begegnungen korrelieren. Artikel 2 untersucht Beweggründe älterer Erwachsener für das Aufsuchen von generationenübergreifendem Kontakt in Absicht und Verhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wunsch, von Jüngeren zu lernen, sowie positive Metastereotype die Kontaktmotivation fördern. Der zweite Teil dieser Dissertation untersucht die Selbstwahrnehmung älterer Erwachsener bezüglich des Alterns, mit Fokus auf die subjektive Wahrnehmung des sozialen Status. Artikel 3 integriert eine zeitliche Status-Dimension und zeigt, dass negative Zukunftserwartungen mit erhöhter Altersangst und negativem Affekt einhergehen. Artikel 4 wendet eine multidimensionale Sichtweise auf sozialen Status an und zeigt, dass sich der Zusammenhang zwischen subjektivem Status und psychischer Belastung über die Lebensspanne verändert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Menschen verschiedene Strategien einsetzen, um trotz wechselnder altersbezogener Erwartungen ein positives Selbstbild zu bewahren. Diese Arbeit bietet durch innovative Ansätze wertvolle Einblicke in die Dynamik altersbezogener Interaktionen und Statuswahrnehmungen und liefert Grundlagen für künftige Forschung und Interventionen zur Förderung einer altersgerechten, solidarischen Gesellschaft.A person’s perceived age is a fundamental social cue influencing both stereotypes about other age groups and self-perceptions of aging. Older adults, having experienced multiple life stages, offer a unique perspective on aging and other age groups that has been largely overlooked in research. This dissertation combines multiple perspectives on aging and introduces new methodological approaches to advance research on intergenerational contact and age-based social stratification. The first two articles explore relationships between age-based attitudes, stereotypes, and intergenerational contact in the first part of this dissertation. Article 1 qualitatively captures contemporary stereotypes that older adults hold about younger individuals and shows their high correlation with negative as opposed to positive encounters. Article 2 investigates older adults’ motivations for intergenerational contact in intention and behavior. Results show that a desire to learn from younger people and positive beliefs about how younger people view them (metastereotypes) increase their motivation to engage in contact. The second part of this dissertation examines older adults’ self-perceptions of their own aging, focusing on subjective standing in a social hierarchy. Article 3 introduces a temporal dimension to social status research, revealing associations between negative expectations about future status developments, higher aging anxiety, and negative affect. Article 4 applies a multidimensional lens to social status perceptions and integrates age-based status beliefs and self-perceived status dimensions in a cross-sectional lifespan sample, showing shifting links between status perceptions and psychological distress. Collectively, the findings indicate that individuals adopt self-protective strategies to maintain positive self-perceptions despite changing age-related expectations. By using innovative approaches, this work provides insights into the dynamics of age-based interactions and status perceptions that offer a foundation for future research avenues and practical interventions to foster a more age-inclusive society
Energetische Analyse und Optimierung von dezentralen Mikro-Wasserstofftankstellen mit elektrochemischer Verdichtung
No full textDie Betankungsinfrastruktur für Brennstoffzellenfahrzeuge ist, besonders in der Hochlaufphase, mit hohen Investitionen bei gleichzeitig geringer Auslastung verbunden. Zugleich gibt es einen deutlichen Überschuss an elektrischer Energie durch die hohe Anzahl an Dach-Photovoltaik-Anlagen auf Gebäuden, der häufig nur ins Netz eingespeist wird. Eine Sektorenkopplung über die Heimbetankung von grünem Wasserstoff, vergleichbar mit dem Laden von batterieelektrischen Fahrzeugen, könnte beide Probleme gemeinsam lösen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein elektrochemischer Wasserstoffkompressor auf seine Eignung für die Verdichtung bis auf 700 bar theoretisch, experimentell und simulativ untersucht. Anschließend wird ein technisches Konzept für ein Home Fueling System mit elektrochemischer Verdichtung entwickelt und in einer umfangreichen energetischen Analyse für den Anwendungsfall eines Einfamilienhauses untersucht.
Es zeigt sich, dass nur unter Verwendung des Überschussstromes einer Dach-Photovoltaik-Anlage genug Wasserstoff für die ganzjährige Betankung eines Fahrzeuges mit durchschnittlicher Jahresfahrleistung produziert werden kann.:1 Einleitung
2 Stand der Technik
3 Technische Untersuchung des Wasserstoffspeichersystems
4 Vorstellung und energetische Betrachtung der dezentralen privaten Wasserstoffbetankung
5 Wirtschaftliche Untersuchung des Wasserstoffspeichersystems
6 Sensitivitätsanalyse
7 Zusammenfassung
8 Literaturangabe
Beitrag zum Warmgasserienschweißen: Einfluss von Schlitzdüsen auf das Erwärm- und Schweißverhalten thermoplastischer Kunststoffe
No full textKunststoffe sind aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften in zahlreichen Branchen unverzichtbar. Häufig ist das Fügen mehrerer Komponenten erforderlich, wobei das Warmgasserienschweißen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dieses Verfahren ermöglicht eine berührungslose, partikelarme Erwärmung und eignet sich auch für Hochtemperaturkunststoffe. Trotz seiner industriellen Relevanz fehlen bislang systematische wissenschaftliche Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen Düsengeometrie, Erwärmverhalten und Schweißnahtqualität. Insbesondere alternative Düsensysteme wie Schlitzdüsen wurden bislang kaum untersucht. Ziel dieser Arbeit ist die experimentelle Analyse des Einflusses von Schlitzdüsengeometrien und zentralen Prozessparametern auf das Aufschmelzverhalten thermoplastischer Kunststoffe und die resultierende Nahtfestigkeit. Zudem wird das Erwärmverhalten im Vergleich zu Runddüsen untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Bewertung thermischer und thermisch-oxidativer Materialschädigungen durch die Verwendung von Luft als Prozessgas und deren Einfluss auf die Qualität der Schweißverbindung.:1 Einleitung
2 Grundlagen und Stand der Technik
3 Experimentelles
4 Analyseverfahren
5 Ergebnisse
6 Diskussion der Ergebnisse
7 Zusammenfassung und Ausblic
Electromyography-based Muscle Force Estimation During Rehabilitation Exercise
No full textRehabilitation therapy often relies on subjective assessments of exertion and fatigue, lacking objective metrics to guide treatment. This thesis explores surface electromyography (sEMG) as a tool for force estimation and fatigue detection in hand rehabilitation. Eight sEMG sensors were placed on key flexor and extensor muscles. Voluntary force was measured using a grip strength dynamometer for maximal force and a numeric dynamometer for continuous estimation, while fatigue was classified from sEMG features. Distinct muscle contributions were observed at different force levels, with clear signal changes under fatigue, linking activity to anatomy.
A feature engineering approach extracted 21 features across time and frequency domains, evaluated with seven methods; Mutual Information provided the best results. For maximal force estimation, 50 features achieved 98.68% accuracy; for continuous estimation, 110 features reached 90.17%. Fatigue classification with 18 features achieved 99.58%. To reduce sensitivity to sensor placement, common features per sensor were identified, maintaining high accuracy (97.20% for maximal force, 86.45% for continuous estimation, 99.62% for fatigue). Validation on 15 exercises confirmed 92.88% accuracy for force estimation and 98.80% for fatigue detection. These results demonstrate the potential of sEMG to deliver reliable, anatomy-informed metrics that support personalized hand rehabilitation.:1 Introduction
2 Theoretical Background
3 State of the art
4 Surface Electromyography Feature Engineering for Force Rehabilitation Exercises Classification
5 Surface Electromyography Feature Engineering for Maximal Voluntary Force Estimation and Quantification
6 Surface Electromyography Feature Engineering for Muscle Fatigue Detection and Identification
7 Surface Electromyography Feature Engineering for Continuous Muscle Force Estimation During Rehabilitation Exercises with Fatigue Detection
8 Conclusion and Perspectives
9 Bibliograph
Entkopplung von Graphen auf SiC(0001) durch Interkalation
No full textGraphen, eine einatomig dicke Lage von Kohlenstoffatomen, war als erstes System seiner Art der Ausgangspunkt für die Forschung an zweidimensionalen Materialien. Durch das epitaktische Wachstum von Graphen auf SiC konnte eine Möglichkeit zur skalierbaren Herstellung von Filmen mit hoher Qualität etabliert werden. Dabei sind vor allem die elektronischen Eigenschaften von Graphen von Interesse. Die Interkalation von verschiedenen Elementen, also das Einbringen von Atomen an die Grenzfläche zwischen Graphen und SiC, bietet die Möglichkeit der Manipulation der elektronischen Eigenschaften der Graphenlage und der Erzeugung von andernfalls instabilen Strukturen des Interkalanten. Die vorliegende Arbeit zeigt die Entwicklung von Verfahren zur Interkalation der
Elemente Schwefel, Selen oder Bismut sowie die Charakterisierung der entstandenen Schichtsysteme mittels verschiedener oberflächensensitiven Messmethoden. Die erfolgreiche Interkalation der jeweiligen Elemente wird demonstriert, wobei der Effekt auf die Graphenlage mittels Photoelektronenspektroskopie untersucht wird. Weiterhin wird die strukturelle Anordnung der interkalierten Atome anhand von Experimenten der Elektronenstrahlbeugung beurteilt. Die Interkalation von Schwefel erfolgt in einem Zwei-Zonen-Ofen und resultiert in einer Löcherdotierung des Graphens. Dabei zeigen teil-interkalierte Proben nicht-interkalierte Schwefelrückstände auf der Probenoberfläche, welche einen Übergangszustand vor der Interkalation einnehmen. Durch ein Anlassen dieser Proben im Ultrahochvakuum bei höheren Temperaturen können diese Atome ebenfalls an die Grenzfläche zum Substrat transportiert werden, wodurch eine vollständige Interkalation möglich ist.
Auch zur Interkalation von Selen wird der Zwei-Zonen-Ofen genutzt, wobei dadurch ebenfalls eine Löcherdotierung im Graphen beobachtet wird. Ebenso wie bei den Experimenten zur Schwefelinterkalation können auf teil-interkalierten Proben Selenrückstände auf der Oberfläche ausgemacht werden. Allerdings resultiert das Anlassen dieser Proben im Vakuum nicht in einer Erhöhung des Interkalationsgrades, da die nicht-interkalierten Selenatome bei diesen Temperaturen von der Probenoberfläche desorbieren. Abschließend werden Experimente zur Interkalation von Bismut gezeigt. Zunächst wird dazu Bismut auf die Probenoberfläche aufgedampft. Ein anschließendes Anlassen in Argonatmosphäre bei Atmosphärendruck resultiert in der Interkalation von metallischem und oxidiertem Bismut. Wenn hingegen der Interkalationsprozess durch ein Anlassen im Vakuum realisiert wird, gelangt ausschließlich metallisches Bismut an die Grenzfläche zum Substrat. Dabei kann, abhängig von der Menge des interkalierten Bismuts, eine (1 × 1)- oder eine (√3 × √3)-Periodizität der interkalierten Atome beobachtet werden. Erstere führt zu einer Elektronendotierung und zweitere zu einer geringen Löcherdotierung des Graphens. Die Ergebnisse demonstrieren den unterschiedlichen Einfluss der Interkalanten auf das Graphen. Außerdem ebenen diese den Weg für die Interkalation mehrerer Elemente, um beispielsweise Übergangsmetalldichalcogenide (z. B. MoS2, WSe2, ...) oder Materialien wie Bi2Se3 an der Grenzfläche zwischen Graphen und Substrat zu erzeugen.:1 Einleitung 1
2 Grundlagen 5
2.1 Siliziumkarbid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Graphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Epitaktisches Wachstum von Graphen auf SiC . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Interkalation von Graphen auf SiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Experimentelle Methoden 21
3.1 Photoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Grundlegende Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Bestimmung der Schichtdicke mittel XPS . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.3 Instrumentelle Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Beugung niederenergetischer Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1 Grundlegende Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Instrumentelle Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Probenpäparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Beschreibung einer Pufferschicht 41
4.1 XPS an Pufferschichtproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 LEED an Pufferschichtproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Entkopplung einer Pufferschicht mit Schwefel 45
5.1 Schwefelinterkalation mit Pyrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2 Teilinterkalation von Pufferschichtproben mit Schwefel . . . . . . . . . . 52
5.3 Anlassen einer teilinterkalierten Probe im UHV . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6 Entkopplung einer Pufferschicht durch Seleninterkalation 61
6.1 Seleninterkalation mit Zinndiselenid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Teilinterkalation einer Pufferschicht mit Selen . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3 Anlassen einer teilinterkalierten Probe im UHV . . . . . . . . . . . . . . 71
6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7 Entkopplung einer Pufferschicht durch Bismutinterkalation 83
7.1 Zwei-Schritte-Verfahren in Argonatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 Reduktion des Bismutoxids durch Anlassen im UHV . . . . . . . . . . . . 95
7.3 Interkalation mit Bismut durch Anlassen im UHV . . . . . . . . . . . . . 101
7.4 Strukturelle Transformation der interkalierten Bi-Lage . . . . . . . . . . 110
7.5 Übergang von der α- zur β-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8 Zusammenfassung und Ausblick 129
A Anhang zur Schwefelinterkalation 133
B Anhang zur Seleninterkalation 137
C Anhang zur Bismutinterkalation 141
Literaturverzeichnis 151
Abkürzungsverzeichnis 163
Danksagung 165
Selbstständigkeitserklärung 167
Vollständige Publikationsliste 169
Konferenzbeiträge 171Graphene, a single layer of carbon atoms, was the first of its kind to provide a starting point for research into two-dimensional materials. Epitaxial growth of graphene on SiC is a method for growing scalable and high quality films. The electronic properties of graphene are of particular interest. The intercalation of different materials, i.e. the transport of certain atoms to the graphene/SiC interface, is a way to manipulate the electronic properties of a graphene layer and also to create otherwise unstable structures of the intercalant. This work involves the development of methods to intercalate the elements sulfur, selenium or bismuth and the characterisation of the resulting layer systems using various surface sensitive measurement techniques. The successful intercalation of the specific species is demonstrated and the effect of the intercalant on the graphene layer is investigated by photoelectron spectroscopy. Furthermore, the structural arrangement of the intercalated atoms is studied by electron diffraction experiments. The intercalation of sulfur takes place in a two-zone furnace and results in a hole-doped graphene layer. Partially intercalated samples show residual, non-intercalated sulfur on the sample surface, which appears to be in a transition state prior to intercalation. Subsequent annealing of these samples in ultra-high vacuum at higher temperatures transports these sulfur atoms to the interface on the substrate, resulting in complete intercalation of the sample. The two-zone furnace is also used for selenium intercalation and hole doping of the graphene is observed. Similar to sulfur intercalation, partially intercalated samples show selenium remaining on the sample surface. However, subsequent annealing of these samples in vacuum does not increase the degree of intercalation, as the non-intercalated selenium atoms desorb from the sample surface at these temperatures. Finally, bismuth intercalation experiments are demonstrated. Bismuth is first evaporated on top of the sample. Subsequent annealing in an argon atmosphere at atmospheric pressure results in the intercalation of metallic and oxidised bismuth. Otherwise, if the intercalation process is carried out by annealing in vacuum, only metallic bismuth appears at the graphene/SiC interface. Depending on the amount of intercalated bismuth, these atoms are arranged in a (1 × 1)- or (√3 × √3)-periodicity. The former produces an electron-doped graphene layer, while the latter produces hole-doped graphene. The results demonstrate the different influence of the intercalant on graphene. Furthermore, they pave the way to intercalate more than one element and create, e.g., transition metal dichalcogenides (such as MoS2, WSe2, ...) or materials such as Bi2Se3 at the graphene/SiC-interface.:1 Einleitung 1
2 Grundlagen 5
2.1 Siliziumkarbid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Graphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Epitaktisches Wachstum von Graphen auf SiC . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Interkalation von Graphen auf SiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Experimentelle Methoden 21
3.1 Photoelektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Grundlegende Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Bestimmung der Schichtdicke mittel XPS . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.3 Instrumentelle Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Beugung niederenergetischer Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1 Grundlegende Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Instrumentelle Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Probenpäparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Beschreibung einer Pufferschicht 41
4.1 XPS an Pufferschichtproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 LEED an Pufferschichtproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5 Entkopplung einer Pufferschicht mit Schwefel 45
5.1 Schwefelinterkalation mit Pyrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2 Teilinterkalation von Pufferschichtproben mit Schwefel . . . . . . . . . . 52
5.3 Anlassen einer teilinterkalierten Probe im UHV . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6 Entkopplung einer Pufferschicht durch Seleninterkalation 61
6.1 Seleninterkalation mit Zinndiselenid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Teilinterkalation einer Pufferschicht mit Selen . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3 Anlassen einer teilinterkalierten Probe im UHV . . . . . . . . . . . . . . 71
6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7 Entkopplung einer Pufferschicht durch Bismutinterkalation 83
7.1 Zwei-Schritte-Verfahren in Argonatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 Reduktion des Bismutoxids durch Anlassen im UHV . . . . . . . . . . . . 95
7.3 Interkalation mit Bismut durch Anlassen im UHV . . . . . . . . . . . . . 101
7.4 Strukturelle Transformation der interkalierten Bi-Lage . . . . . . . . . . 110
7.5 Übergang von der α- zur β-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8 Zusammenfassung und Ausblick 129
A Anhang zur Schwefelinterkalation 133
B Anhang zur Seleninterkalation 137
C Anhang zur Bismutinterkalation 141
Literaturverzeichnis 151
Abkürzungsverzeichnis 163
Danksagung 165
Selbstständigkeitserklärung 167
Vollständige Publikationsliste 169
Konferenzbeiträge 17
PROCESSING OF HIERARCHICALLY STRUCTURED ELECTRODES WITH VARYING CATALYSTS FOR PEM FUEL CELLS
No full textThe structure of the heart of proton-exchange membrane fuel cells (PEM FC), the catalyst coated membrane (CCM), plays an important role in the efficiency of the system. Its structure is determined by the materials and production of the electrode layers. In this approach, an alternative CCM design based on hierarchical structured electrodes is studied. The goal is to reduce the platinum loading in the electrodes and to achieve an optimized microstructure by the choice of the material and the processing. For this purpose, different catalyst materials, which differ in the carbon carrier particle and the platinum content, were dispersed, coated and dried identically and analysed. Special emphasis was placed on the microstructure and the crack formation of the catalyst materials. The study successfully developed and characterized multilayer structures by sequentially coating with two tailored single layers. By the use of catalysts with varying platinum loadings, the multilayers achieved an optimized platinum distribution across the layer thickness. Furthermore, the use of different carrier particles enhanced the porosity of the layers. The multilayer concept with an increased platinum concentration towards the membrane and higher porosity towards the gas diffusion layer, was effectively demonstrated. The multilayers also exhibit excellent interlayer contact and a reduction in crack formation
Anwendung der neuen ISO/DIS 16625:2024 bei der Auslegung und Nachweisführung von Seiltrieben in Kranen und Hebezeugen
No full textDie Auslegung und Nachweisführung von Seiltrieben in Kranen und Hebezeugen basiert aktuell auf der EN 13001-3-2:2014 auf europäischer Ebene. Auf internationaler Ebene steht die Neufassung der ISO 16625 bereit, welche einen neuen fundamentalen Ansatz zum rechnerischen Nachweis der Ermüdungsfestigkeit von laufenden Seilen aufzeigt. Hierbei wird das Ermüdungsverhalten von Stahldrahtseilen über Wöhlerlinien in Abhängigkeit zum Verhältnis aus Seilrollendurchmesser D und Seildurchmesser d präziser abgebildet. Im Vergleich zur EN 13001-3-2:2014 sind hierdurch deutlich mehr Seile während der Nutzungsdauer eines Kranes erforderlich. Der Beitrag bezieht sich auf die Auslegung eines Seiltriebs mit anschließender Nachweisführung nach der neuen ISO/DIS 16625:2024.
Hinweis: Seit Februar 2025 ist die Norm als ISO 16625:2025-02 veröffentlicht. Dieser Beitrag bezieht sich noch auf den veröffentlichten Entwurf. Der Original-Tagungsbeitrag wurde aktualisiert.:1 Einleitung
2 Grundlagen der neuen ISO/DIS 16625:2024
2.1 Nachweis der statischen Festigkeit
2.2 Nachweis der Ermüdungsfestigkeit
3 Definition eines Anwendungsbeispiels
3.1 Kranbeispiel
3.2 Lastkollektiv
4 Auslegung des Seiltriebs
4.1 Methodischer Ansatz
4.2 Herleitung der Gleichungen und Ergebnisse
5 Nachweisführung des Seiltriebs
Zusammenfassung
Quellenverzeichni
Physics-Informed Synthetic Data Generation for Deep Learning-Based Defect Detection in Infrared Thermography
No full textThe vision of a deep learning-empowered, non-destructive evaluation technique aligns with zero-hour quality control and preventive maintenance goals. Integrating deep learning algorithms and non-destructive evaluation techniques can enhance defect detection and characterization accuracy, automate analysis processes, reduce inspection time and costs, and gain valuable insights into manufacturing processes; however, this integration process is data-driven, which poses a challenge, especially in manufacturing where there is an inherent dearth of data let alone the need for a labeled dataset. This work presents a framework to bridge the data gap in manufacturing by leveraging the prior knowledge of the underlying physics and domain-specific knowledge to aid the application of data-driven deep learning algorithms. The non-destructive technique under consideration is pulsed infrared thermography. This work begins with an extensive introduction to infrared thermography as a non-destructive testing technique, followed by the basics of deep learning. Later, results from several infrared thermography post-processing techniques are evaluated based on the ease of finding the images with the optimal information on the sub-surface defects, which will be the input for the deep learning algorithm ahead. The work then explores developing a finite-element-based simulation framework to generate synthetic pulsed thermography datasets. The results from the finite-element simulations are evaluated against the experimental setup to validate its fidelity, and solutions are provided to the computational and parameter estimation challenges in the development of a simulation model. The calibrated finite-element simulation model is then scaled to generate a large amount of synthetic pulsed thermography data and is post-processed based on the earlier findings. A novel noise addition technique is introduced to improve the representativeness of the synthetic dataset. The representativeness of synthetic data is thoroughly investigated at various steps of the framework, and the image segmentation model is trained separately on experimental and synthetic datasets. The research reveals that synthetic datasets represent the experimental data well when carefully rendered. When evaluated on experimental samples, the segmentation model pre-trained on synthetic datasets generalizes well to the experimental samples. Furthermore, the advantage of the suggested framework for physics-based synthetic dataset generation is the ease of labeling large amounts of data. The effectiveness of the suggested approach is demonstrated by evaluating the models on two new datasets: one where the complete setup is changed and the other being an open-source infrared thermography dataset.:CHAPTER 1. INTRODUCTION
CHAPTER 2. BACKGROUND
CHAPTER 3. INFRARED THERMOGRAPHY POST-PROCESSING ALGORITHMS
CHAPTER 4. FINITE ELEMENT SUPPORTED DATA AUGMENTATION
CHAPTER 5. PRE-TRAIN AN IMAGE SEGMENTATION MODEL ON A PHYSICS-BASED SYNTHETIC DATASET
CHAPTER 6. CONCLUSIONS AND FUTURE DIRECTION