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Quantifizierung der Gefahrenresilienz durch Modellierung der Infrastrukturwiederherstellung als ressourcenbeschränktes Projektplanungsproblem
No full textFinanziert aus dem DFG-geförderten Open-Access-Publikationsfonds der Universität Siegen für ZeitschriftenartikelReliance on infrastructure by individuals, businesses, and institutions creates additional vulnerabilities to the disruptions posed by natural hazards. In order to assess the impacts of natural hazards on the performance of infrastructure, a framework for quantifying resilience is presented. This framework expands upon prior work in the literature to improve the comparability of the resilience metric by proposing a standardized assessment period. With recovery being a central component of assessing resilience, especially in cases of extreme hazards, we develop a recovery model based upon an application of the resource-constrained project scheduling problem (RCPSP). This recovery model offers the opportunity to assess flood resilience across different events and also, theoretically, between different study areas. The resilience framework and recovery model have been applied in a case study to assess the resilience of building infrastructure to flooding hazards in Alajo, a neighborhood in Accra, Ghana. For the three flood events investigated (5-, 50-, and 500-year return periods) and the chosen standardized assessment period (300 d), the “300 d resilience” successfully shows a meaningful decreasing trend (0.94, 0.82, and 0.69) with increasing hazard magnitude. This information is most valuable for identifying the vulnerabilities of building infrastructure, assessing the impacts resulting in reduced performance, coordinating responses to flooding events, and preparing for the subsequent recovery. This framework expands upon prior work in the literature to improve the comparability of the resilience metric by proposing a standardized assessment period, the “n-time resilience”.Die Abhängigkeit von der Infrastruktur durch Einzelpersonen, Unternehmen und Institutionen schafft eine zusätzliche Anfälligkeit für Störungen durch Naturgefahren. Um die Auswirkungen von Naturgefahren auf die Leistungsfähigkeit von Infrastrukturen bewerten zu können, wird ein Rahmen für die Quantifizierung der Widerstandsfähigkeit vorgestellt. Dieser Rahmen baut auf früheren Arbeiten in der Literatur auf, um die Vergleichbarkeit der Resilienzmetrik zu verbessern, indem ein standardisierter Bewertungszeitraum vorgeschlagen wird. Da die Wiederherstellung ein zentraler Bestandteil der Bewertung der Widerstandsfähigkeit ist, insbesondere im Falle extremer Gefahren, entwickeln wir ein Wiederherstellungsmodell, das auf einer Anwendung des ressourcenbeschränkten Projektplanungsproblems (RCPSP) basiert. Dieses Wiederherstellungsmodell bietet die Möglichkeit, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Hochwasserereignissen über verschiedene Ereignisse hinweg und theoretisch auch zwischen verschiedenen Untersuchungsgebieten zu bewerten. Der Resilienzrahmen und das Wiederherstellungsmodell wurden in einer Fallstudie angewandt, um die Widerstandsfähigkeit der Gebäudeinfrastruktur gegenüber Überschwemmungsgefahren in Alajo, einem Stadtviertel in Accra, Ghana, zu bewerten. Für die drei untersuchten Überschwemmungsereignisse (5-, 50- und 500-jährliche Wiederkehrperioden) und den gewählten standardisierten Bewertungszeitraum (300 Tage) zeigt die „300-d-Resilienz“ erfolgreich einen aussagekräftigen abnehmenden Trend (0,94, 0,82 und 0,69) mit zunehmendem Gefahrenausmaß. Diese Informationen sind sehr wertvoll für die Ermittlung der Schwachstellen von Gebäudeinfrastrukturen, die Bewertung der Auswirkungen, die sich aus einer verminderten Leistungsfähigkeit ergeben, die Koordinierung von Reaktionen auf Hochwasserereignisse und die Vorbereitung auf die anschließende Erholung. Dieser Rahmen baut auf früheren Arbeiten in der Literatur auf, um die Vergleichbarkeit der Resilienzmetrik zu verbessern, indem ein standardisierter Bewertungszeitraum, die „n-time resilience“, vorgeschlagen wird
Integrative design of novel Mo-Si alloys and protective coatings for high-temperature applications
No full textMo Si basierte Legierungen mit hohen Ti Konzentrationen stellen eine neue Klasse von Hochtemperaturwerkstoffen dar, die vielversprechende Eigenschaften für strukturelle Anwendungen wie Gasturbinen bieten, die über die thermische Kapazität von Ni basierten Superlegierungen hinausgehen. Durch die Kombination der drei Elemente besitzen die Legierungen eine hohe Schmelztemperatur, eine hohe Kriechfestigkeit und eine ausgezeichnete Phasenstabilität. Neue Legierungen in diesem Bereich konnten das Hauptproblem der unzureichenden Oxidationsbeständigkeit („Pesting“) in Luft überwinden. Abgesehen von den Einsatztemperaturen ist bekannt, dass im relevanten Teil von Gasturbinen, Wasserdampf von etwa 10 Vol.% vorhanden ist. Die veränderte Umgebung verursacht, dass viele der sonst schützenden Oxide, wie SiO2, mit Wasserdampf zu ungewünschtem flüchtigem Si(OH)4 reagieren. Jedoch ist der Mechanismus nicht richtig verstanden.
In der vorliegenden Arbeit werden mehrphasige (MoMK, T1, T2, A15) (Mo9Si8B und Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe (At.%)) sowie zweiphasige (MoMK, T1/D88) (Mo20Si52,8Ti und Mo21Si34Ti0,5B) Mo Si (B) (Ti) (Fe)Legierungen auf ihr Hochtemperatur-oxidationsverhalten in trockener und wasserdampfhaltiger Atmosphäre untersucht. Zudem werden, um einen zuverlässigen Oxidationsschutz bei niedrigeren Temperaturen und wasserdampfhaltiger Atmosphäre zu gewährleisten, Si sowie Yb Silikate EBC Oxidationsschutzschichten (Environmental Barrier Coatings) benötigt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, fundierte Kenntnisse über das Oxidationsverhalten von Mo Si (B) (Ti) (Fe) Legierungen mit und ohne Beschichtungssystemen in komplexen Atmosphären zu erhalten.
Zur Untersuchung der Legierungen und Beschichtungssysteme werden Oxidationsversuche bei 1200 °C in wasserdampfhaltiger und trockener Atmosphäre bis zu 100 h durchgeführt. Untersuchungen mittels thermogravimetrischer Analysen (TGA), Rasterelektronenmikroskopie (REM), Röntgendiffraktometrie (XRD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) inklusive Elektronenenergieverlust-spektroskopie (EELS) ermöglichen eine Beurteilung der Oxidationskinetik und eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Aufbaus der Oxidschichten.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen verdeutlichen, dass eine Erhöhung des Ti Gehalts im Mo Si (B) (Ti) (Fe) System generell die Oxidationsbeständigkeit verbessert, welche sich in reduzierten Oxidschichtdicken und geringeren spezifischen Massenänderungen manifestiert. Diese Verbesserung ist eng mit einer feineren und homogeneren Mikrostruktur verbunden, welche die Oxidationsstabilität durch kürzere Diffusionswege fördert. Jedoch erweist sich ein höherer Ti Anteil bei beschichteten Legierungen aufgrund der verstärkten Auswärtsdiffusion von Ti als nachteilig, wodurch insbesondere bei der Mo20Si52,8Ti Legierung im Vergleich zur Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe Legierung dickere Oxidschichten und höheren spezifischen Massenänderungen erreicht werden.
Der Einsatz einer feuchten Atmosphäre führt zu erhöhten spezifischen Massenänderungen und dickeren Oxidschichtdicken bei allen Legierungen, vor allem durch die Bildung flüchtiger Oxide wie MoO3, die die Oxidationsrate steigern. Bei beschichteten Legierungen zeigte sich eine ausgezeichnete Oxidationsresistenz mit geringen spezifischen Massenänderungen und Oxidschichtdicken, besonders bei der Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe Legierung. Zudem bestätigt die Untersuchung der Oxidschicht der Mo20Si52,8Ti Legierung die Bedeutung einer nahezu porenfreien SiO2 Schicht für eine effektive Oxidationsresistenz. Die zusätzliche Anwendung von Yb Silikatschichten reduziert effektiv den Einfluss von Wasserdampf und zeigt nur ein geringfügig verschlechtertes Oxidationsverhalten unter feuchten Bedingungen, welches den Schutzcharakter der Beschichtungen unterstreicht. Diese Ergebnisse betonen die Notwendigkeit eines effektiven Schutzschichtsystems, um eine zufriedenstellende Oxidationsresistenz in feuchten Atmosphären zu gewährleisten.Mo Si based alloys with high Ti concentrations represent a new class of high temperature materials offering promising properties for structural applications such as gas turbines, exceeding the thermal capabilities of Ni based superalloys. The combination of these three elements provides high melting temperatures, substantial creep resistance, and exceptional phase stability. Recent alloys in this field have successfully addressed the primary challenge of inadequate oxidation resistance known as "pesting" in air environment. Furthermore, it is recognized that water vapor, constituting approximately 10 vol.% of relevant turbine environments, causes otherwise protective oxides such as SiO2 to react, forming volatile Si(OH)4. However, the exact mechanisms remain inadequately understood.
This study evaluates the high-temperature oxidation behavior of both multi phase (MoSS, T1, T2, A15) (Mo9Si8B and Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe (at.%)) and two phase (MoSS, T1/D88) (Mo20Si52,8Ti and Mo21Si34Ti0,5B) Mo Si (B) (Ti) (Fe) alloys under dry and water vapor containing (wet) atmosphere. To ensure reliable oxidation protection at lower temperatures in wet atmosphere, Si and Yb silicate Environmental Barrier Coatings (EBCs) are utilized. The goal is to acquire comprehensive knowledge about the oxidation behavior of Mo Si (B) (Ti) (Fe) alloys with and without coating systems in complex atmospheres.
Oxidation tests are conducted at 1200 °C in both dry and wet atmospheres for up to 100 h. Techniques such as thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM), X ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM) including electron energy loss spectroscopy (EELS) are employed to assess the oxidation kinetics and to characterize the microstructural development of the oxide layers.
The results from these investigations highlight that an increase in Ti content in general enhances the oxidation resistance in the Mo Si (B) (Ti) (Fe) system, manifesting itself in reduced oxide layer thicknesses and lower specific mass changes. This enhancement is closely linked to a finer and more homogeneous microstructure, which promotes the oxidation stability via shorter diffusion paths. However, a higher Ti content in coated alloys leads to thicker oxide layers and higher specific mass changes, particularly in the Mo20Si52,8Ti alloy as compared to the Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe alloy.
The use of a wet atmosphere results in increased specific mass changes and thicker oxide layers across all alloys, primarily due to the formation of volatile oxides such as MoO3, which accelerate the oxidation rate. Coated alloys demonstrate exceptional oxidation resistance with minimal specific mass changes and oxide layer thicknesses, especially evident for the Mo12,5Si8,5B27,5Ti2Fe alloy. Additionally, the investigation of the oxide layer on the Mo20Si52,8Ti alloy confirms the significance of a nearly pore-free SiO2 layer for effective oxidation resistance. The supplementary application of Yb silicate layers effectively minimizes the impact of water vapor and shows only a slightly worsened oxidation behavior under wet conditions, underscoring the protective nature of the coatings. These results emphasize the necessity of an effective coating system to ensure satisfactory oxidation resistance in wet atmospheres
Aufsätze zur Risikopublizität und Bankenregulierung: Empirische Studien zu Klimarisiken, IFRS 9 und zur Finanzstabilität
No full textThe disclosure of banks has continued to be important in both academic research and practical applications, especially in light of ongoing regulatory initiatives. This relevance arises from two primary sources: first, the response to criticisms of financial reporting that emerged in the aftermath of the 2008 global financial crisis, which led to adjustments in regulatory disclosures and accounting standards; and second, the evolving significance of new types of risks.
The objective of this dissertation is to explore the relationship between various disclosure regimes in the banking sector, the management of banks, and financial stability. Consequently, this dissertation extends the regulatory debate initiated by the Basel Committee of Banking Supervision to examine the impact of accounting and disclosure regulations on bank behavior. Through empirical research, this dissertation aims to determine whether the measures introduced by policymakers and regulators following the financial crisis are effective in addressing the shortcomings of banks' risk disclosure and whether these reforms can strengthen the financial system and make it more resilient. Additionally, this dissertation examines the interplay between different levels of disclosure regulation and how it affects the guidance of a bank's behavior. The research questions were analyzed in four essays: Based on a Systematic Literature Review, three empirical studies examine different perspectives and facets of risk disclosure and banking regulation.Die Offenlegung von Banken ist sowohl in der akademischen Forschung als auch in der Praxis von anhaltender Relevanz, insbesondere im Hinblick auf die laufenden regulatorischen Initiativen der Rechnungslegungsstandardsetzer, der Bankenaufsicht und der Politik. Die starke Fokussierung der Regulatoren ist einerseits eine Reaktion auf die Kritik an der Finanzberichterstattung, die nach der globalen Finanzkrise 2008 aufkam und zu Anpassungen der aufsichtsrechtlichen Offenlegung und Rechnungslegungsstandards führte – zum anderen durch die veränderte Bedeutung und Entwicklung neuer Risikoarten.
Ziel der Dissertation ist es, den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Offenlegungsregimen im Bankensektor, der Banksteuerung und der globalen Finanzmarktstabilität zu untersuchen. In diesem Zusammenhang erweitert die Dissertation die vom Baseler Ausschuss für Bankenaufsicht begonnene Diskussion, die Auswirkungen von Bilanzierungs- und Offenlegungsvorschriften auf das Verhalten von Banken zu untersuchen. Insbesondere wird untersucht, ob die von Politik und Aufsicht nach der Finanzkrise eingeführten Maßnahmen geeignet sind, die Defizite in der Risikooffenlegung von Banken zu beheben, und ob diese Reformen dazu beitragen können, das Finanzsystem zu stärken und widerstandsfähiger zu machen. Darüber hinaus analysiert die Dissertation die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Ebenen der Offenlegungsvorschriften, um deren Auswirkungen auf die Verhaltenssteuerung von Banken zu ermitteln.
Die Beantwortung der Forschungsfragen erfolgt anhand von vier Aufsätzen. Aufbauend auf einem Systematic Literature Review werden in drei empirischen Studien unterschiedliche Perspektiven und Facetten der Risikopublizität untersucht
Migrationsgesellschaftliche Öffnung im Kontext von Gesundheit und Behinderung
No full textMigration ist gesellschaftliche Normalität und zugleich eine Herausforderung für Soziale Dienste in einer sich wandelnden Gesellschaft. „Migrationsgesellschaftliche Öffnung im Kontext von Gesundheit und Behinderung“ lautete der Titel einer Fachtagung des Zentrums für Planung und Entwicklung Sozialer Dienste (ZPE), die am 26. Oktober 2023 an der Universität Siegen stattfand. Im Rahmen der Veranstaltung wurde aus theoretischer und praxisorientierter Perspektive analysiert und diskutiert, wie Öffnungsprozesse in Gesundheits- und Beratungseinrichtungen zu gleichberechtigter Teilhabe in einer Migrationsgesellschaft beitragen können.
Der Tagungsband versammelt Beiträge der Veranstaltung, die sich aus menschenrechtlicher, diskriminierungskritischer, organisationaler und psychosozialer Sicht mit dem Tagungsthema auseinandersetzen. Ergänzt werden sie durch einen Aufsatz über rechtliche Zugangs- und Teilhabebarrieren sowie zwei Berichte aus den Workshops der Tagung zu migrationsbezogenen Öffnungsprojekten
DigiMath4Edu Band 2
No full textZu der Publikation gehören Zusatzmaterialien, die unter http://dx.doi.org/10.25819/fodasi/11 verfügbar sind.Im Südwestfalen Regionale 2025 Projekt DigiMath4Edu wird die (Weiter-)Entwicklung professioneller Kompetenzen von Mathematiklehrerinnen und Mathematiklehrern insbesondere im Bereich der Anwendung digitaler Medien beispielhaft an 15 Schulen über drei Jahre durch die Universität Siegen begleitet. Anstelle eines Fortbildungsprogramms mit punktuellen Impulsen, findet im Projekt eine kontinuierliche Unterstützung in den Schulen statt. Der vorliegende Band stellt 25 Unterrichtsskizzen der beteiligten Lehrerinnen und Lehrer aus den fünf Schulen des zweiten Projektjahres zusammen und lädt dazu ein, die Ideen für den eigenen Mathematikunterricht aufzugreifen und umzusetzen.In Kooperation mit:
Marienschule Helden Grundschule Attendorn
Pestalozzischule Förderschule Siegen
Ganztagshauptschule Achenbach Siegen
Städtisches Gymnasium Olpe
Gymnasium Maria Königin Lennestad
Influence of residual stresses on the fatigue damage evolution of the martensitic spring steel 54SiCr6 in the HCF range
No full textDiese Dissertationsschrift leistet einen Beitrag zur Aufklärung des Einflusses von Eigenspannungen auf die Ermüdungsschädigungsentwicklung des martensitischen Federstahls 54SiCr6 im Zeitfestigkeitsbereich. Die Ergebnisse der durchgeführten Ermüdungsversuche zeigen, dass die Ermüdungsschädigungsentwicklung mit der Bildung von parallelen Gleitbandscharen, deren Orientierung den Gleitebenen mit den höchsten Schmidfaktoren folgt, beginnt. Im weiteren Verlauf der Ermüdung bilden sich Rissnetzwerke an der Probenoberfläche aus, deren Rissdichte mit zunehmender Zyklenzahl und mit der Höhe der aufgebrachten Beanspruchungsamplitude ansteigt. Dabei können unter zyklischer Torsionsbeanspruchung höhere Rissdichten im Vergleich zur uniaxialen zyklischen Beanspruchung beobachtet werden. Die Initiierung der fatalen Risse erfolgt ausschließlich interkristallin entlang ehemaliger Austenitkorngrenzen mit anschließender interkristalliner und/oder transkristalliner Kurzrissausbreitung. Die Kurzrissausbreitung stellt die dominierende Phase der Lebensdauer dar und zeigt eine oszillierende Rissausbreitungsrate, welche einem Barriere-Effekt von ehemaligen Austenitkorngrenzen und Korngrenzen-Tripelpunkten geschuldet ist. Im Fall von zyklischer Torsionsbeanspruchung führt die vergleichsweise höhere Rissdichte zu einer häufig auftretenden Risskoaleszenz, welche sich ebenfalls in der Oszillation der Rissausbreitungsrate widerspiegelt.
Durch das Einbringen von randschichtnahen Druckeigenspannungen wird im Allgemeinen eine höhere Lebensdauer erzielt. Die Rissinitiierung an der Probenoberfläche wird gehemmt, was zu geringeren Rissdichten führt. Des Weiteren verschiebt sich unter uniaxialer zyklischer Beanspruchung die Initiierung des fatalen Risses in das Werkstoffinnere, wo die Rissausbreitungsrate aufgrund der Vakuumbedingungen verringert wird. Die zyklischen Torsionsversuche an eigenspannungsbehafteten Proben liefern Hinweise darauf, dass der Übergang von der schubspannungsgesteuerten Kurzrissausbreitung in die normalspannungsgesteuerte Langrissausbreitung durch Druckeigenspannungen erschwert wird, was vermutlich zu den höheren Lebensdauern im Fall von eigenspannungsbehafteten Proben führt.This work contributes to the elucidation of the influence of residual stresses on the fatigue damage evolution of the martensitic spring steel 54SiCr6 in the high cycle fatigue range. The results of the fatigue tests performed show that the fatigue damage evolution starts with the formation of parallel slip bands, whose orientation follow the slip planes with the highest Schmid factors. As fatigue progresses, crack networks form on the sample surface and their crack density rises with increasing number of cycles and the level of the applied stress amplitude. In this process, higher crack densities can be observed under cyclic torsional loading compared to uniaxial cyclic loading. Initiation of fatal cracks occurs exclusively intergranularly along prior austenite grain boundaries with subsequent intergranular and/or transgranular short crack propagation. The short crack propagation represents the dominating phase of the fatigue life and shows an oscillating crack propagation rate, which is due to a barrier effect of prior austenite grain boundaries and grain boundary triple points. In the case of cyclic torsional loading, the comparatively higher crack density leads to a frequently occurring crack coalescence, which is also reflected in the oscillation of the crack propagation rate.
Generally, residual stresses lead to a higher fatigue life and crack initiation at the sample surface is inhibited, resulting in lower crack densities. Furthermore, under uniaxial cyclic loading, the initiation of the fatal crack shifts to the sample interior, where the crack propagation rate is reduced due to vacuum conditions. The cyclic torsion tests on shot peened samples provide evidence that the transition from shear stress controlled short crack propagation to normal stress controlled long crack propagation is impeded due to compressive residual stresses, which probably leads to the higher fatigue life in the case of shot peened samples
Präparation und Charakterisierung von zwei-dimensionalen Ferroelektrika
No full textMany two-dimensional materials are theoretically predicted to have remarkable properties, such as robust ferroelectricity for group-IV monochalcogenides. Ferroelectric materials exhibit a spontaneous polarisation in the absence of any external electrical field. Group-IV monochalcogenides consist of a metal (M = Ge, Sn) and a chalcogen (X = S, Se, Te) atom in equal parts. However, their investigation in terms of experimental preparation and characterisation is still scarce, even though such studies are the basis for all work and allow further insight into the growth process.
In this work, ultra-high vacuum chambers equipped with evaporators that allow molecular beam epitaxy were used to achieve highly controllable and clean environments. In addition, powerful tools like scanning tunneling microscopy (STM) and low electron energy diffraction (LEED) are used for crystallographic investigation with a focus on structure and shape determination of group-IV monochalcogenides. In particular, SnSe, GeSe, and SnS were investigated in this thesis.
Monolayer SnSe forms fractal-dendritic islands at room temperature on a graphene on Ir(111) surface. The shape is systematically studied during an annealing sequence. A change in shape could be observed and the equilibrium shape is reached at 570 K. This shape can be described as a rhombus consisting of only ⟨110⟩ edges. Due to coverage and island density not changing during this annealing sequence, it can be proven that no ripening process takes place, contrary to most growth processes of other two-dimensional materials. Desorption starts at around 600 K, which is indicated by a reduction in coverage and island density, until all islands vanish. A closer study of these edges, in terms of atomically resolved STM images and first-principle studies reveal an edge relaxation, which minimises the formation energy of such edges. Further investigations on the electronic structure show that this material is a semiconductor with a bandgap of 2.16 eV and the relaxation reduces the charge effect at the edges.
The formation of bilayer structures is highly present in this material and needs to be actively suppressed for monolayer investigations. This behaviour is also shown in a coverage study. However, no standard growth model can describe this tendency for bilayer preference. The study of bilayer SnSe reveals that multiple stacking orientations are possible, even when the islands grow together without clear boundaries. Electronic investigations show that an edge effect is present, which can not be explained by ferro- or antiferroelectric properties.
GeSe forms different amorphous structures on graphene substrates on multiple crystals under various conditions. This indicates that crystallisation is difficult. However, the crystallisation on Au(111) results in the out-of-plane ferroelectric β-polymorph. The growth can be described as self-limited since no second layer formation could be observed. Measurements reveal that the semiconductor, with a bandgap of 1.13 eV, expresses a hexagonal lattice with a complex superstructure.
The crystallisation of SnS can be achieved on various substrates, like graphene on Ir(111) and Au(111) presented here, as well as others in literature. First measurements aimed to experimentally determine the critical temperature with LEED measurements at elevated temperatures reveal significantly lower values than theoretically predicted.
This thesis demonstrates growth conditions of multiple group-IV monochalcogenide materials and focusses mainly on preparation and crystallographic properties. Despite the novelty and complexity of these materials, the presented results unveil promising properties and encourage for further in-depth investigations.Theoretische Untersuchungen sagen für viele zweidimensionale Materialien bemerkenswerte Eigenschaften vorher, wie beispielsweise starke Ferroelektrizität für Monochalkogenide der Gruppe IV. Ferroelektrische Materialien weisen eine spontane Polarisation auf, auch ohne den Einfluss eines externen elektrischen Feldes. Monochalkogenide der Gruppe IV bestehen aus einem Metall- (M = Ge, Sn) und einem Chalkogenatom (X = S, Se, Te) in einem 1:1 Verhältnis. Arbeiten zur experimentellen Herstellung und Charakterisierung sind noch eher selten, jedoch sind solche Studien äußerst relevant, um weitere Erkenntnisse in den Wachstumsprozess zu bekommen.
In dieser Arbeit werden Ultrahochvakuumkammern verwendet, welche mit Verdampfern zur Molekularstrahlepitaxie ausgestattet sind, um hoch kontrollierbare und saubere Rahmenbedingungen zu erreichen. Darüber hinaus werden Messmethoden wie Rastertunnelmikrokopie (RTM) und Diffraktometrie mit niedriger Elektronenenergie für kristallographische Untersuchungen verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der Struktur- und Formbestimmung von Monochalkogeniden der Gruppe IV liegt. Insbesondere wurden die Materialien SnSe, GeSe und SnS in dieser Thesis untersucht. Einzelschichtiges SnSe bildet bei Raumtemperatur fraktal-dendritische Inseln auf einer Graphen auf Ir(111)-Oberfläche. Die Inselform wird während einer Heizsequenz systematisch untersucht. Es konnte eine Formänderung beobachtet werden und die Gleichgewichtsform wird bei 570 K erreicht. Diese Form kann als Raute beschrieben werden, die nur aus ⟨110⟩ Kanten besteht. Da sich Bedeckung und Inseldichte während dieser Sequenz nicht ändern, kann kein Reifungsprozess beobachtet werden. Ab einer Temperatur von etwa 600 K beginnt Desorption von der Oberfläche, was durch eine Verringerung der Bedeckung und der Inseldichte zu beobachten ist, bis jegliche Inseln abgedampft sind. Eine genauere Untersuchung der Kanten mittels atomar aufgelöster RTM-Bilder und Dichte-Funktional-Theorie-Simulationen offenbaren eine Relaxation der Kante, welche die Bildungsenergie solcher Kanten minimiert. Weitere Untersuchungen zur elektronischen Struktur zeigen, dass es sich bei diesem Material um einen Halbleiter mit einer Bandlücke von 2,16 eV handelt und die Relaxation Ladungseffekte an den Kanten verringert.
Die Bildung von Doppelschichtstrukturen ist in diesem Material stark ausgeprägt und muss für Einzelschichtuntersuchungen aktiv verhindert werden. Dieses Verhalten zeigt sich auch in einer Bedeckungsuntersuchung. Allerdings kann kein herkömmliches Wachstumsmodell diese starke Tendenz zur Bevorzugung des Doppelschichtwachstums beschreiben. Die Untersuchung der SnSe-Doppelschicht ergab, dass mehrere Stapelorientierungen möglich sind, wobei Inseln auch ohne klare Domänengrenze zusammenwachsen. Elektronische Untersuchungen zeigen, dass ein Randeffekt vorliegt, der nicht durch ferro- oder antiferroelektrische Eigenschaften erklärt werden kann.
GeSe bildet unter verschiedenen Bedingungen unterschiedliche amorphe Strukturen auf Graphen auf diversen Einkristallsubstraten. Dies weist darauf hin, dass die Kristallisation erschwert ist. Allerdings führt die Kristallisation auf Au(111) zum senkrecht zur Ebene ferroelektrischen β-Polymorph. Das Wachstum kann als selbstlimitierend bezeichnet werden, da kein Wachstum in der zweiten Lage beobachtet werden konnte. Messungen zeigen, dass der Halbleiter mit einer Bandlücke von 1,13 eV ein hexagonales Gitter mit einer komplexen Überstruktur aufweist.
Die Kristallisation von SnS kann auf verschiedenen Substraten erreicht werden, wie dem hier vorgestellten Graphen auf Ir(111) und Au(111), sowie auch anderen bereits in der Literatur vorgestellten Substraten. Erste Messungen zur experimentellen Bestimmung der kritischen Temperatur mittels LEED-Messungen bei erhöhten Temperaturen ergaben deutlich niedrigere Werte als theoretisch vorhergesagt.
Diese Arbeit demonstriert die Wachstumsbedingungen mehrerer Monochalkogenide der Gruppe IV und konzentriert sich hauptsächlich auf die Herstellung und die kristallographischen Eigenschaften. Trotz der Neuheit und Komplexität dieser Materialien offenbaren die präsentierten Ergebnisse vielversprechende Eigenschaften und regen zu weiteren vertiefenden Untersuchungen an
Anatomie der B-Meson-Lichtkegel-Distributionsamplitude
No full textIn the Standard Model of particle physics, the strong dynamics of hadronic particles such as the B meson are governed by Quantum Chromodynamics (QCD). Currently, there exists no single method capable of accurately predicting all phenomena associated with QCD. Rather, various specialized methods have emerged to address specific phenomena. Among these approaches, QCD Factorization and QCD Light-Cone Sum Rules are used for exclusive, energetic B decays. Therein, the B-meson Light-Cone Distribution Amplitudes (LCDAs) systematically represent the internal structure of the B meson, and as such, the LCDAs are (presently) inaccessible from first principles. In this thesis, we develop a new systematic framework for phenomenological analyses, focusing on the leading-twist B-meson LCDA which leads to the dominant contribution in predictions. Our framework allows for the integration of various theoretical and experimental constraints to infer the LCDA and derive predictions. While models have been used for the same purpose, our approach makes systematic uncertainties quantifiable and provides greater transparency in the implementation of constraints.
We derive a new systematic parametrization of the leading-twist B-meson LCDA that fulfills established mathematical properties and satisfies a parameter bound to address the issue of truncation in the expansion. We discuss certain practical aspects, such as renormalization group evolution, the implementation of the known short-distance behavior as a fit constraint, and more. In addition, we update the known short-distance behavior with the effect of a non-zero spectator quark mass to improve the effectiveness of our approach for applications with the Bs meson. For this purpose, we perform a generic matching calculation, which further yields a new result for the short-distance behavior of the subleading 2-particle LCDA. To demonstrate the practical utility of our framework, we perform a detailed analysis of the decay mode B meson to photon, lepton, and neutrino, which serves as a benchmark for probing the leading-twist B-meson LCDA. To that end, we extended the EOS software with experimental observables of this decay and pseudo-observables to accommodate the theoretical short-distance constraint. This enabled a proof-of-concept study using mock data and the Bayesian analysis tools in EOS which underscores the utility of the measurement of this decay mode and further demonstrates the effectiveness of the parameter bound in managing truncation errors. This analysis highlights the significant potential of our approach for future research.Im Standardmodell der Teilchenphysik werden die starken Wechselwirkungen hadronischer Teilchen wie des B-Mesons durch die Quantenchromodynamik (QCD) bestimmt. Derzeit gibt es keine einzelne Methode, die in der Lage ist, alle mit der QCD verbundenen Phänomene genau vorherzusagen. Vielmehr wurden verschiedene spezialisierte Methoden entwickelt, die sich mit bestimmten Phänomenen befassen. Unter diesen Ansätzen werden die QCD-Faktorisierung und QCD-Lichtkegel-Summenregeln für exklusive energetische B-Zerfälle verwendet. Dabei repräsentieren die Lichtkegel-Distributions-Amplituden (LCDAs) des B-Mesons systematisch seine innere Struktur, und als solche sind die LCDAs (derzeit) nicht von grundlegenden Prinzipien ableitbar. In dieser Arbeit entwickeln wir ein neues systematisches Framework für phänomenologische Analysen, das sich auf die B-Meson-LCDA zu führender Twist-Ordnung konzentriert, welche in Vorhersagen den dominanten Beitrag generiert. Unser Framework ermöglicht die Integration verschiedener theoretischer und experimenteller Informationen, um die LCDA abzuleiten und Vorhersagen zu treffen. Modelle wurden bereits für denselben Zweck verwendet, jedoch macht unser Ansatz systematische Unsicherheiten quantifizierbar und bietet größere Transparenz für die Implementierung bekannter Informationen.
Wir leiten eine neue systematische Parametrisierung der B-Meson-LCDA zu führendem Twist ab, die etablierte mathematische Eigenschaften erfüllt und eine Parameterschranke erfüllt, um Trunkierung der Parameterentwicklung handzuhaben. Wir diskutieren bestimmte praktische Aspekte wie Skalenentwicklung durch die Renormierungsgruppe, Einschränkung der LCDA durch das bekannte Verhalten bei geringer Separation (Kurzstreckenverhalten) und mehr. Darüber hinaus erweitern wir das bekannte Kurzstreckenverhalten mit dem Effekt einer von Null verschiedenen Spectator-Quark-Masse, um die Effektivität unseres Frameworks für Anwendungen mit dem Bs-Meson zu verbessern. Zu diesem Zweck führen wir eine generische Matching-Rechnung durch, die zusätzlich ein neues Ergebnis für das Kurzstreckenverhalten der 2-Teilchen-LCDA zu nachfolgender Twist-Ordnung ergibt. Um den praktischen Nutzen unseres Frameworks zu demonstrieren, führen wir eine detaillierte Analyse des Zerfalls B-Meson nach Photon, Lepton und Neutrino durch, der als Maßstab für die Untersuchung der führenden B-Meson-LCDA gilt. Dazu haben wir die Software EOS um experimentelle Observablen dieses Zerfalls und Pseudo-Observablen entsprechend dem theoretische Kurzstreckenverhalten erweitert. Dies ermöglicht eine Machbarkeitsstudie unter Verwendung von Pseudo-Daten und den Bayes'schen Analysewerkzeugen in EOS, welche den Nutzen der Messung dieses Zerfalls unterstreicht und weiterhin die Wirksamkeit der Parameterschranke zur Handhabung von Trunkierungsfehlern demonstriert. Diese Analyse zeigt das signifikante Potenzial unseres Ansatzes für zukünftige Forschung
Nano-optische Untersuchungen von Silizium-Vakanz-Farbzentren in dünnen polykristallinen Diamantmembranen
No full textQuantum information and computing advancements are contingent on the efficacy of spin-photon interfaces, wherein atomic transitions are coupled to the resonant mode of an optical cavity, thereby enhancing the photon emission rate and augmenting the overall efficiency of quantum networks. However, the substantial enhancement of the emission rate (Purcell effect) is only achievable when a quantum emitter interacts with a resonant optical antenna of specific dimensions. Amidst the various semiconductor quantum emitters, silicon-vacancy (SiV) color centers in diamond hold great promise for scalable operations, owing to their limited inhomogeneous broadening and room temperature stability. Nevertheless, their restricted out-coupling efficiency due to the high refractive index of bulk diamonds presents a significant challenge. Addressing this limitation involves the manipulation of the local density of states ( LDOS ) by altering the photonic environment through the integration of dielectric microstructures or plasmonic nanostructures.
To achieve resilient heterostructure devices, integrated quantum photonics, hybrid quantum systems, and other intricate functional materials, it is imperative that the single-color centers be embedded in thin, free-standing membranes with thicknesses ranging from a few micrometers to hundreds of nanometers. While the utilization of high-quality single-crystalline diamond ( SCD) seems intuitive, the technological intricacies involved in fabricating single-crystal diamond membranes present challenges, as they cannot be cultivated on a substrate other than diamond, and their physical and chemical properties lag behind advanced materials such as silicon technology.
Initially, a comprehensive examination of the optical properties of SiV centers in polycrystalline diamond ( PCD) membranes of varying thickness was conducted. A combined study of microphotoluminescence measurements and electron microscopy on PCD membranes housing SiV color centers underscored the pivotal role of diamond grain size in the effective isolation of individual SiV centers, mitigating background interference originating from grain boundaries (GBs). Additional depth-resolved elemental analysis using time-of-flight secondary ion mass spectrometer (TOF-SIMS) conducted on both un-implanted and implanted PCD membranes indicated that PCD membranes with a thickness in the micrometer (μm) range hold potential for quantum optical applications, provided that the nano-crystalline regions are adequately removed, either through back thinning or the substantial enhancement of spatial resolution in optical excitation through near-field or antenna-enhanced microscopy.
Subsequently, finite-difference time-domain ( FDTD) calculations were employed to explore the design considerations for nanoantennas. The research suggested that a gold nano-cone with an aspect ratio of ≈ 1 yields a substantial enhancement in the Purcell factor (F) exceeding four orders of magnitude, accompanied by an antenna efficiency of 80% under efficient near-field coupling with a quantum emitter. The fabrication process involved the creation of ultra-sharp gold nano-cones with dimensions of approximately 100 nm, boasting an aspect ratio of ≈ 1 through gold sputtering and focused ion beam (FIB) milling procedures on commercially available scanning near-field probes (atomic force microscope ( AFM) probes), thus enabling precise near-field manipulation of quantum emitters. The optical studies on nano-cones showed that the localized surface plasmon resonance ( LSPR) linewidth is relatively narrow (around 30 – 50 nm) and spans the required near-infra-red ( NIR) spectral region, enabling them to implement near-field coupling with NIR quantum emitters. Since the LSPR shift is proportional to the refractive index modification of the embedding medium, the optical response of the nano-cone LSPR was fine-tuned by adjusting the aspect ratio of the nanostructure, ensuring a spectral matching with the quantum emitter.
To unravel this novel observation for the hybrid quantum system, we performed the nearfield coupling with nanometer precision by utilizing AFM integrated confocal microscopy. The controlled near-field interaction of SiV centers with gold nano-cones fabricated on commercial AFM probes ensured a Purcell factor of F ≈ 57. Discrepancies between theoretical predictions and experimental results primarily stem from two factors: spectral mismatch and random dipole orientations of SiV color centers on PCD membranes. The future objective focuses on precisely tailoring the dimensions of the nano-cones and the creation of SiV color centers within high-quality PCD membranes, thereby achieving perfect spectral matching and ideal dipole orientation. This, in turn, will effectively enhance the near-field coupling.Fortschritte in der Quanteninformation und -informatik hängen von der Effizienz von Spin-Photonen-Schnittstellen ab, bei denen atomare Übergänge an die Resonanzmode eines optischen Resonator gekoppelt werden, wodurch die Photonen-Emissionsrate erhöht und die Gesamteffizienz von Quantennetzwerken gesteigert wird. Eine wesentliche Steigerung der Emissionsrate (Purcell-Effekt) ist jedoch nur dann möglich, wenn ein Quantenemitter mit einer resonanten optischen Antenne mit bestimmten Abmessungen wechselwirkt. Unter den verschiedenen Halbleiter-Quantenemittern sind die Silizium-Vakanzzentren ( SiV ) in Diamant aufgrund ihrer begrenzten inhomogenen Verbreiterung und ihrer Stabilität bei Raumtemperatur sehr vielversprechend für skalierbare Funktionalitäten. Allerdings stellt ihre eingeschränkte Auskopplungseffizienz aufgrund des hohen Brechungsindexes von Diamanten eine große Herausforderung dar. Um diese Einschränkung zu überwinden, muss die lokale Zustandsdichte (LDOS ) manipuliert werden, indem die photonische Umgebung durch die Integration von dielektrischen Mikrostrukturen oder plasmonischen Nanostrukturen verändert wird.
Um robust Heterostruktur-Bauelemente, integrierte Quantenphotonik, hybride Quantensysteme und andere komplexe Funktionsmaterialien herzustellen, soltten die einfarbigen Zentren unbedingt in dünne, freistehende Membranen eingebettet werden, deren Dicke von einigen Mikrometern bis zu Hunderten von Nanometern reicht. Während die Verwendung von hochwertigem einkristallinem Diamant ( SCD) intuitiv erscheint, stellen die technologischen Feinheiten bei der Herstellung von einkristallinen Diamantmembranen eine Herausforderung dar, da sie nicht auf einem anderen Substrat als Diamant gewachsen werden können und ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften hinter denen fortschrittlicher Materialien wie der Siliziumtechnologie zurückbleiben.
Zunächst wurde eine umfassende Untersuchung der optischen Eigenschaften von SiV-Zentren in PCD -Membranen unterschiedlicher Dicke durchgeführt. Eine kombinierte Studie von Mikrophotolumineszenzmessungen und Elektronenmikroskopie an PCD-Membranen, die SiV-Farbzentren beherbergen, unterstrich die zentrale Rolle der Diamantkorngröße bei der effektiven Isolierung einzelner SiV -Zentren, wodurch Hintergrundstörungen, die von crystalline (GBs) ausgehen, abgeschwächt werden.
Zusätzliche tiefenaufgelöste Elementanalysen mit Hilfe von Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometern ( TOF-SIMS ), die sowohl an nicht-implantierten als auch an im-plantierten PCD -Membranen durchgeführt wurden, zeigten, dass PCD-Membranen mit einer Dicke im Mikrometerbereich ( μm) Potenzial für quantenoptische Anwendungen haben, vorausgesetzt, dass die nanokristallinen Bereiche angemessen entfernt werden, entweder durch rückseitiges Ausdünnen oder durch eine wesentliche Verbesserung der räumlichen Auflösung bei optischer Anregung durch Nahfeld- oder antennenverstärkte Mikroskopie.
Anschließend wurden Berechnungen im Finite-Differenzen-Zeitbereich (FDTD) durchgeführt, um die Designüberlegungen für Nanoantennen zu untersuchen. Die Untersuchungen ergaben, dass ein Gold-Nano-Kegel mit einem Seitenverhältnis von etwa 1 eine erhebliche Verbesserung des Purcell-Faktors (F) um mehr als vier Größenordnungen ermöglicht, begleitet von einer Antenneneffizienz von 80% bei effizienter Nahfeldkopplung mit einem Quantenemitter. Das Herstellungsverfahren umfasste die Erzeugung ultrascharfer Gold-Nano-Kegel mit Abmessungen von etwa 100 nm und einem Seitenverhältnis von etwa 1 durch Goldsputtern und fokussierte Ionenstrahl-Fräsverfahren ( FIB) auf handelsüblichen scannenden Nahfeldsonden (AFM -Sonden), was eine präzise Nahfeldmanipulation von Quantenemittern ermöglicht. Die optischen Untersuchungen an Nano-Kegel haben gezeigt, dass die Linienbreite der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) relativ schmal ist (ca. 30 - 50 nm) und den erforderlichen NIR-Spektralbereich überspannt, so dass eine Nahfeldkopplung mit NIR-Quantenemittern möglich ist. Da die LSPR-Verschiebung proportional zur Änderung des Brechungsindex des Einbettungsmediums ist, wurde die optische Reaktion des Nano-Kegels LSPR durch Anpassung des Seitenverhältnisses der Nanostruktur fein abgestimmt, um eine spektrale Anpassung an den Quantenstrahler zu gewährleisten.
Um diese neuartige Beobachtung für das hybride Quantensystem zu entschlüsseln, haben wir die Nahfeldkopplung mit Nanometerpräzision unter Verwendung der integrierten konfokalen Mikroskopie von AFM durchgeführt. Die kontrollierte Nahfeldwechselwirkung von SiV-Zentren mit Gold-Nano-Kegel, die auf handelsüblichen AFM-Sonden hergestellt wurden, sorgte für einen Purcell-Faktor von F ≈ 57. Die Diskrepanzen zwischen den theoretischen Vorhersagen und den experimentellen Ergebnissen sind in erster Linie auf zwei Faktoren zurückzuführen: spektrale Fehlanpassung und zufällige Dipolausrichtungen der SiV-Farbzentren auf PCD-Membranen. Das künftige Ziel besteht darin, die Abmessungen der Nano-Kegel und die Bildung von SiV-Zentren in hochwertigen PCD-Membranen genau zu bestimmen, um so eine perfekte spektrale Anpassung und eine ideale Dipolausrichtung zu erreichen. Dies wiederum wird die Nahfeldkopplung effektiv verbessern
Appetitive conditioning with pornographic stimuli elicits stronger activation in reward regions than monetary and gaming‐related stimuli
No full textFinanziert aus dem DFG-geförderten Open-Access-Publikationsfonds der Universität Siegen für ZeitschriftenartikelAppetitive conditioning plays an important role in the development and maintenance of pornography-use and gaming disorders. It is assumed that primary and secondary reinforcers are involved in these processes. Despite the common use of pornography and gaming in the general population appetitive conditioning processes in this context are still not well studied. This study aims to compare appetitive conditioning processes using primary (pornographic) and secondary (monetary and gaming-related) rewards as unconditioned stimuli (UCS) in the general population. Additionally, it investigates the conditioning processes with gaming-related stimuli as this type of UCS was not used in previous studies. Thirty-one subjects participated in a differential conditioning procedure in which four geometric symbols were paired with either pornographic, monetary, or gaming-related rewards or with nothing to become conditioned stimuli (CS + porn, CS + game, CS + money, and CS−) in an functional magnetic resonance imaging study. We observed elevated arousal and valence ratings as well as skin conductance responses for each CS+ condition compared to the CS−. On the neural level, we found activations during the presentation of the CS + porn in the bilateral nucleus accumbens, right medial orbitofrontal cortex, and the right ventral anterior cingulate cortex compared to the CS−, but no significant activations during CS + money and CS + game compared to the CS−. These results indicate that different processes emerge depending on whether primary and secondary rewards are presented separately or together in the same experimental paradigm. Additionally, monetary and gaming-related stimuli seem to have a lower appetitive value than pornographic rewards