Digitales Repositorium der BTU Cottbus – Senftenberg
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A graph-refinement algorithm to minimize squared delivery delays using parcel robots
No full textIn recent years, parcel volumes have reached record highs, prompting the logistics industry to explore innovative solutions to meet growing demand. In densely populated areas, delivery robots offer a promising alternative to traditional truck-based delivery systems. These autonomous electric robots operate on sidewalks and deliver time-sensitive goods, such as express parcels, medicine and meals. However, their limited cargo capacity and battery life require a return to a depot after each delivery. This challenge can be modeled as an electric vehicle-routing problem with soft time windows and single-unit capacity constraints. The objective is to serve all customers while minimizing the quadratic sum of delivery delays and ensuring each vehicle operates within its battery limitations. To address this problem, we propose a mixed-integer quadratic programming model and introduce an enhanced formulation using a layered graph structure. For this layered graph, we present two solution approaches based on relaxations that reduce the number of nodes and arcs compared to the expanded formulation. The first approach, Iterative Refinement, solves the current relaxation to optimality and refines the graph when the solution is infeasible for the expanded formulation. This process continues until a proven optimal solution is obtained. The second approach, Branch and Refine, integrates graph refinement into a branch-and-bound framework, eliminating the need for restarts. Computational experiments on modified Solomon instances demonstrate the effectiveness of our solution approaches, with Branch and Refine consistently outperforming Iterative Refinement across all tested parameter configurations
Fortgeschrittene Such- und Rettungseinsätze für ertrinkende Schwimmer mit autonomen unbemannten Flugsystemen : Standortoptimierung, Flugtrajektorienplanung und bildgestützte Lokalisierung
No full textDrowning is among the most prevalent causes of death from unintentional injuries worldwide. Because of the time-sensitive nature of swimming accidents and the shortage of lifeguard staff resulting in unsupervised swimming areas, interest in supportive rescue methods increases. In this paper, we propose an autonomous Unmanned Aircraft System (UAS) usable by Emergency Medical Service (EMS) providers in swimmer rescue scenarios additionally to Standard Rescue Operation (SRO) equipment. The UAS consists of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and purpose-built hangars located near the swimming area to store the UAVs. When receiving an alert, the UAVs autonomously navigate to the emergency site to conduct a Search and Rescue (S&R) operation for the drowning person. We introduce a Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model to address the Facility Location Problem (FLP), assisting with identification of accessibility-optimal UAV hangar placements near the swimming area. Additionally, we present a MILP model to optimize the UAV flight trajectories in advance of the operation, allowing for efficient coordination of a heterogeneous UAV fleet. We apply the presented MILP models to a real-world scenario in the Lusatian Lake District using the state-of-the-art commercial solver CPLEX to solve the instances. Furthermore, we present a method for automated image-based swimmer localization using the state-of-the-art neural network You Only Look Once (YOLO). Finally, we use a Discrete-Event Simulation (DES) approach to quantify how much time is saved by using additional resources.Ertrinken ist weltweit eine der häufigsten Todesursachen durch unbeabsichtigte Verletzungen. Aufgrund der zeitkritischen Natur von Badeunfällen und des Personalmangels an Rettungsschwimmern, der in vielen unbewachten Badegebieten resultiert, steigt das Interesse an unterstützenden innovativen Rettungsmethoden. In diesem Beitrag stellen wir ein autonomes unbemanntes Luftfahrzeugsystem (Unmanned Aircraft System - UAS) vor, das von Rettungsdiensten bei der Rettung von Schwimmern zusätzlich zu Standard-Rettungsmitteln eingesetzt werden kann. Das UAS besteht aus unbemannten Luftfahrzeugen (Unmanned Aerial Vehicles - UAVs) und speziell angefertigten Hangars, die in der Nähe des Schwimmbereichs aufgestellt werden, um darin die UAVs zu lagern. Sobald ein Alarm eingeht, navigieren die UAVs autonom zum Unfallort, um eine Such- und Rettungsaktion (Search and Rescue - S&R) für die ertrinkende Person durchzuführen. Wir stellen ein gemischt-ganzzahliges lineares Programm (Mixed-Integer Linear Program - MILP) vor, um das Standortproblem (Facility Location Problem - FLP) zu lösen, welches die Identifizierung zeitoptimaler UAV-Hangarstandorte in der Nähe des Schwimmbereichs ermöglicht. Außerdem stellen wir ein MILP zur Optimierung von Flugtrajektorien der UAVs im Vorfeld der Mission vor, was eine effiziente Koordination einer heterogenen UAV-Flotte ermöglicht. Wir wenden die vorgestellten MILP-Modelle auf ein reales Szenario im Lausitzer Seenland an und verwenden den modernen kommerziellen Löser CPLEX, um Optimallösungen der Instanzen zufinden. Darüber hinaus stellen wir eine Methode zur automatischen bildbasierten Lokalisierung von Schwimmern vor, die das moderne neuronale Netzwerk You Only Look Once (YOLO) verwendet. Schließlich verwenden wir ereignisorientierte Simulation (Discrete-Event Simulation - DES), um zu quantifizieren, wie viel Zeit durch die Verwendung zusätzlicher Ressourcen eingespart wird
61 GHz Extrem Leistungseffizienter Chipsatz in 130-nm SiGe BiCMOS Technologie für Dauerstrichradars
No full textAdvances in the semiconductor technology and RF integrated circuits have been the main driver in broadening the diverse field of applications for CW radars. High performance millimeter-wave chipsets are proven essential and viable for realizing complex sensors. Nevertheless, the supply voltage and dc power consumption requirements remain a major impediment to achieve battery-powered operation and energy-efficient scalable MIMO solutions. This thesis presents the system- and circuit-level design considerations, implementation, and demonstration of a low-voltage and ultra-low-power chipset at 61 GHz to take the unprecedented step for enabling highly efficient radar sensors. A system-level study is conducted initially to link a medical radar application to circuit-level specifications. Novel building block circuits have been introduced to operate with the reduced supply voltage and current without compromising the target performance and functionality. The developed blocks are used to realize fully integrated VCO and TRX chips that are fabricated in IHP SG13G2 130-nm SiGe BiCMOS technology and verified individually on-wafer. The presented ultra-low-power chipset is employed in a radar demonstrator board and validated in laboratory environment for human vital signs detection. In addition, two methods are proposed to undertake the dc offset problem and are verified with measurements. The millimeter-wave chipset established by this work stands out with the reduced supply voltage and minimized dc power consumption compared to the state of the art. The scalable aspects of the proposed chipset support energy-efficient, battery-powered, and portable MIMO operation which are promising highlights for many future applications.Die Fortschritte in der Halbleitertechnologie und bei den integrierten RF-Schaltungen sind die Hauptantriebskraft für die stete Ausweitung der bereits vielfältigen Anwendungsbereiche von CW Radaren. Leistungsstarke Milli-meterwellen-Chipsätze haben sich als unverzichtbar für die Realisierung komplexer Sensoren erwiesen. Dennoch sind die Anforderungen an die Versorgungsspannung und Stromverbrauch eine große Hürde, um energieeffiziente, skalierbare MIMO-Lösungen mit Batteriebetrieb zu realisieren. In dieser Arbeit werden die Designüberlegungen auf System- und Schaltungsebene, die Implementierung und Demonstration eines Low-Voltage und Ultra-Low-Power Chipsatzes bei 61 GHz vorgestellt, was einen beispiellosen Schritt zur Ermöglichung hocheffizienter Radarsensoren darstellt. Zunächst wird eine Studie auf Systemebene durchgeführt, um einen medizinischen Anwendungsfall für Radare mit Spezifikationen auf Schaltungsebene zu verbinden. Neuartige Schaltungsbausteine werden eingeführt, die mit reduzierter Versorgungsspannung und geringem Arbeitsstrom arbeiten, ohne die angestrebte Leistung und Funktionalität zu beeinträchtigen. Die entwickelten Blöcke werden verwendet, um voll integrierte VCO- und TRX Chips in der 130-nm-SiGe-BiCMOS-Technologie SG13G2 des IHP zu realisieren, welche durch Messungen auf Wafer-Ebene verifiziert werden. Zusätzlich wird der vorgestellte Ultra-Low-Power-Chipsatz mit Hilfe einer Radar-Demonstrator-Platine in Laborumgebung für die Erkennung menschlicher Lebenszeichen validiert. Um das Problem des Gleichstrom-Offsets zu lösen, werden zwei Methoden vorgeschlagen und durch Messungen verifiziert. Der in dieser Arbeit entwickelte Millimeterwellen-Chipsatz zeichnet sich durch reduzierte Versorgungsspannung und minimierten Stromverbrauch im Vergleich zum Stand der Technik aus. Die Skalierbarkeit des vorgeschlagenen Chipsatzes ermöglicht einen energieeffizienten, batteriebetriebenen und portablen MIMO-Betrieb, was einen vielversprechenden Aspekt für viele zukünftige Anwendungen darstellt
ANN-partitions and CQQL-expressions
No full textGegeben sei für ein binäres Klassifikationsproblem ein künstliches, neuronales Netzwerk ann bestehend aus ReLUKnoten und linearen Schichten (convolution, pooling, fully connected). Das Netzwerk ann sei mit hinreichender Genauigkeit an Hand von Trainingsdaten trainiert. Wir werden zeigen, dass ein solches Netzwerk in verschiedene Partitionen des Eingaberaums zerlegt werden kann, wobei jede Partition eine lineare Abbildung der Eingabewerte auf einen klassifizierenden Ausgabewert repräsentiert. Im Weiteren gehen wir von einem einfachen Netzwerk ann aus, bei dem die Eingangswerte Mintermen von Attributwerten entsprechen. Einfach ist ein Netzwerk, wenn es für eine geringe Anzahl von Attributen trainiert wurde und die Anzahl der ReLU-Knoten ebenfalls gering ist. In der Arbeit wird gezeigt, dass jede lineare Partition durch einen CQQL-Ausdruck beschrieben werden kann. Ein CQQL-Ausdruck lässt sich mit Hilfe von Quantenlogik-inspirierten Entscheidungsbäumen beschreiben.Let for a binary classification problem an artificial, neuronal network be given, which consists of ReLU-nodes and linear layers (convolution, pooling, fully connected). Assume, the network ann is trained by training data with sufficient accuracy. We will show how to decompose such a network into several partitions of the input space. Every partition represents a linear function of the input values to a classifying output value. Furthermore, we assume the network announced is simple and the input values correspond to minterm values of attribute values. A network is simple if it is trained for a small number of attributes and it contains a small number of ReLU-nodes. Our work shows that every linear partition can be described by a CQQL-expression. A CQQL-expression can be represented by quantum-logic-inspired decision trees
Untersuchung von IT-Sicherheitsproblemen in Speicherprogrammierbaren Steuerungen und dazugehörigen Protokollen
No full textProgrammable Logic Controllers (PLCs) are pivotal in Critical Infrastructures (CIs) and Industrial Control Systems (ICSs), governing processes in nuclear power plants, petrochemical factories, and water treatment systems. Despite their importance, PLCs are vulnerable to security threats, notably control logic injection attacks, aiming to sabotage physical processes. This thesis delves into PLC security, analyzing vulnerabilities in non-cryptographically and cryptographically protected PLCs, particularly Siemens S7-300 and S7-1500 models.
Siemens, an automation market leader, utilizes S7-300 PLCs in millions of applications, reflecting the broader ICS security landscape. The S7-1500 line claims resistance to cyberattacks, including control logic injections. The thesis evaluates authentication in non-cryptographically protected PLCs, introducing a stealthy control logic injection attack scenario using an S7-300 PLC and S7Comm protocol.
The second part explores integrity checks in cryptographically protected S7-1500 PLCs. Findings, encompassing disclosed vulnerabilities, lead to a severe control logic injection attack with a malicious interrupt block, conducted in an industrial setting using the S7-1500 and S7CommPlus protocol.
The final segment focuses on Profinet protocol security and an injection attack scenario. The study demonstrates adversaries manipulating critical data without prior knowledge, causing harm to physical processes. A real-world attack on a Profinet-based system with two S7-300 PLCs is executed.
The thesis concludes by proposing mitigation solutions, enhancing PLC and communication protocol security. This contribution elevates the security posture of millions of operating devices globally, advancing PLC security research.Die Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen) sind entscheidend für kritische Infrastrukturen (KIen) und Industrielle Kontrollsysteme (IKSen). Ihre Steuerlogik regelt Prozesse in Kernkraftwerken, petrochemischen Fabriken und Wasseraufbereitungsanlagen. Leider sind sie anfällig für bösartige Bedrohungen, insbesondere Control Logic Injection-Angriffe, die katastrophale Schäden verursachen können.
Die Arbeit adressiert Sicherheitsprobleme und Schwachstellen in SPSen und ihren Protokollen, die solche Angriffe ermöglichen. Der Fokus liegt auf der Analyse der Sicherheit von nicht kryptografisch und kryptografisch geschützten SPSen, insbesondere auf den Schutzmechanismen der Steuerlogik. Siemens-Geräte, vor allem S7-300 und S7-1500, werden für Experimente genutzt, da Siemens Marktführer ist und fortschrittliche Sicherheitsmechanismen in der S7-1500 behauptet.
Der erste Teil analysiert die Authentifizierung nicht kryptografisch geschützter SPSen, inklusive eines Stealth-Logikinjektionsangriffs mit einer S7-300 und S7Comm in realer Industrieumgebung.
Im zweiten Teil wird der Integritätscheck kryptografisch geschützter SPSen (S7-1500) untersucht, inklusive eines schwerwiegenden Logikinjektionsangriffs mit S7-1500 und S7CommPlus.
Der letzte Teil fokussiert auf die Profinet-Kommunikation zwischen SPSen und anderen Geräten. Ein Angriffsszenario zeigt, dass Angreifer ohne Vorkenntnisse kritische Daten manipulieren können. Ein Angriff auf ein Profinet-System mit zwei S7-300 SPSen veranschaulicht die Realität.
Die Arbeit schließt mit Lösungsvorschlägen zur Erhöhung der Sicherheit von SPSen und deren Kommunikationsprotokollen. Diese Ergebnisse tragen signifikant zur Forschung im Bereich der SPS-Sicherheit bei und verbessern die Sicherheit von Millionen von Industriegeräten weltweit
Double crisis of municipal finance in small towns?
No full textDie doppelte Krise der Kleinstädte, die sich einerseits aus einer allgemeinen Investitionskrise und andererseits einer Gestaltungskrise zusammensetzt, ist mit Blick auf diesen Beitrag als durchaus ambivalent zu bewerten. Hinsichtlich der Investitionskrise ist zunächst ein erheblicher und struktureller Investitionsrückstand festzustellen, der im Durchschnitt über alle kommunalen Gruppen (kreisangehörige Gemeinden, kreisfreie Städte und Landkreise) hinweg besteht, in den Größenklassen der kreisangehörigen Gemeinden jedoch unterschiedlich hoch ausgeprägt ist. So sind die Kleinstädte im Gesamtbild überraschend gut aufgestellt, obwohl sie nicht besonders steuerstark sind. Eine besondere Investitionskrise der Kleinstädte konnte dementsprechend aus den empirischen Untersuchungen nicht abgeleitet werden. Zugleich sind Kleinstädte bei der Bewältigung der künftigen Herausforderungen besonders gefordert, da deren Komplexität (demografischer Wandel, Klimatransformation, Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft) in diesen Gemeinden auf relativ kleine Verwaltungen mit wenigen Möglichkeiten der tiefen Spezialisierung trifft. Darüber hinaus kann auch keine allgemeine Gestaltungskrise in den Kleinstädten konstatiert werden. Der Umfang der freiwilligen Aufgabenwahrnehmung, welcher einen geeigneten Gradmesser der kommunalen Möglichkeiten zur Selbstverwaltung repräsentiert, fällt durchschnittlich zwar niedriger aus als in den Mittel- und Großstädten. Dies ist jedoch bezugnehmend auf deren konkreten Aufgabenumfang und räumliche Ausstrahlwirkung wenig verwunderlich. Für die Kleinstädte erscheint dabei weniger eine Abgrenzung nach der Einwohnerzahl, sondern vielmehr die Einstufung in das System der Zentralen Orte bedeutsam. Dies gilt sowohl für die Abgrenzung gegenüber größeren Städten (d. h., Mittel- und Oberzentren) als auch gegenüber kleineren Gemeinden ohne städtischen Charakter. Demnach scheint die Einstufung in Grund- und Mittelzentren ein zweckmäßiger Maßstab für eine Differenzierung zwischen kleineren und größeren Kleinstädten zu sein. Demzufolge ist für die Kleinstädte hinsichtlich ihrer Funktion als „Anker“ im ländlichen Raum weniger die eigene Bevölkerungszahl als vielmehr die zentralörtliche Einstufung relevant, die somit tatsächlich das Handeln vor Ort entscheidend prägt. Trotz der vergleichsweisen guten Lage der Kleinstädte ist eine krisenhafte Entwicklung durchaus mit Blick auf die Fördermittelpraxis zu konstatieren, wobei die Förderbürokratie, ungünstige Anreizeffekte und die permanente Fremdsteuerung durch die Fördermittelgeber (vorrangig die Länder) die Gestaltungskraft vor Ort vielfach lähmen. Diesbezüglich sollte die staatsinterne Bürokratie wieder verstärkt durch lokale Gestaltungsräume ersetzt werden. Dies könnte mit einer Stärkung frei verfügbarer Finanzmittel verbunden werden, sodass Kleinstädte künftig im Einklang mit ihren individuellen Rahmenbedingungen erfolgreich in die Zukunft investieren können.The double crisis of small towns, which is made up of a general crisis of investment on the one hand and a crisis of organization on the other, must be assessed as quite ambivalent with regard to this article. With regard to the investment crisis, a considerable and structural investment backlog can first be observed, which exists on average across all municipal groups (municipalities, cities and districts), but is varying in severity depending on the size of the municipalities. Small towns are surprisingly well positioned overall, although they are not particularly fiscally strong. Accordingly, a particular investment crisis in small towns could not be deduced from the empirical analysis. At the same time, small towns are particularly challenged in coping with future challenges, as the complexity of these challenges (demographic change, climate transformation, digitalization of the economy and society) is met by relatively small administrations with few opportunities for deep specialization. Furthermore, there is no general organizational crisis in the small towns. The extent to which tasks are performed on a voluntary basis, which represents a suitable indicator of the possibilities for local self-government, is on average lower than in medium-sized and large cities. However, this is hardly surprising regarding their specific scope of tasks and spatial impact. For small towns, it is less the demarcation based on the number of inhabitants and more the classification in the system of central locations that appears to be significant. This applies both to the differentiation from larger cities (medium-sized and regional centers) and from smaller municipalities without any urban character. Accordingly, the classification into basic and medium-sized centers appears to be an appropriate yardstick for differentiating between smaller and larger towns. Accordingly, for small towns, their function as "anchors" in rural areas is less depending on their own population size than on their central location classification, which therefore has a decisive influence on local action. Despite the comparatively good situation of small towns, a critical development can be observed with regard to the funding practice, whereby the bureaucracy, unfavorable incentive effects and the permanent external control by the funding providers (primarily the federal states) often paralyze the creative power on site. In this respect, internal state bureaucracy should be increasingly replaced by local freedom of action. This could be combined with a strengthening of unrestricted financial resources so that small towns can successfully invest in the future in line with their individual framework conditions
20. GI/ITG KuVS Fachgespräch Sensornetze (FGSN 2023)
No full textThere are many names we use to call them, like the (original) Wireless Sensor Networks, Wireless Sensor and Actuator Networks, Internet of Things, Cyber-Physical Systems, Cyber-Physical Systems of Systems, and some others. More or less visible, wireless sensor networks are already applied in many aspects of our lives and for different purposes. During the 20 years of Fachgespräch Sensornetze (FGSN) we were able to observe the process of the birth and evolution of wireless sensor networks. What do they look like now, from that time perspective? Is there still room for research andimprovements? Or are they maybe already that mature that everything has already been said? And what do they look like from the industry point of view? What is the future of sensor networks? Where are they heading? These retrospective and perspective views are the central topic of the 20th edition of the Fachgespräch Sensornetze (FGSN 2023) held on the 4th of September 2023 at Hasso-Plattner-Institut as part of the NetSys 2023 conference in Potsdam. We were happy to meet again, to discuss these subjects within the scientific community. The aim of this series of Fachgespräch is to give scientists from academia and industry the opportunity for an informal exchange of ideas and to strengthen cooperation in this multidisciplinary research area.Es gibt viele Bezeichnungen dafür, wie z.B. (ursprüngliche) drahtlose Sensornetzwerke, drahtlose Sensor- und Aktornetzwerke, Internet der Dinge, Cyber-Physical Systems, Cyber-Physical Systems of Systems und einige andere. Mehr oder weniger sichtbar werden drahtlose Sensornetzwerke bereits in vielen Bereichen unseres Lebens und für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. In den 20 Jahren des Fachgesprächs Sensornetze (FGSN) konnten wir den Entstehungsprozess und die Entwicklung drahtloser Sensornetzwerke beobachten. Wie sehen sie heute aus dieser Perspektive aus? Gibt es noch Raum für Forschung und Verbesserungen? Oder sind sie vielleicht schon so ausgereift, dass bereits alles gesagt wurde? Und wie sehen sie aus der Sicht der Industrie aus? Was ist die Zukunft der Sensornetzwerke? In welche Richtung werden sie sich weiterentwickeln? Diese Rück- und Ausblicke sind das zentrale Thema der 20. Ausgabe des Fachgesprächs Sensornetze (FGSN 2023), das am 4. September 2023 im Hasso-Plattner-Institut im Rahmen der NetSys 2023 Konferenz in Potsdam stattfand. Wir haben uns gefreut, uns wieder zu treffen, um diese Themen innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu diskutieren. Ziel dieser Fachgesprächsreihe ist es, Wissenschaftlern aus dem akademischen Bereich und der Industrie die Möglichkeit zu einem informellen Gedankenaustausch zu geben und die Zusammenarbeit in diesem multidisziplinären Forschungsbereich zu stärken
Labor-Röntgenmikroskopie von 3D-Nanostrukturen im harten Röntgenbereich durch eine Kombination von Mehrschicht-Röntgenoptiken
No full textHigh-resolution imaging of buried metal interconnect structures in advanced microelectronic products with full-field X-ray microscopy is demonstrated in the hard X-ray regime, i.e., at photon energies > 10 keV. The combination of two multilayer optics—a side-by-side Montel (or nested Kirkpatrick–Baez) condenser optic and a high aspect-ratio multilayer Laue lens—results in an asymmetric optical path in the transmission X-ray microscope. This optics arrangement allows the imaging of 3D nanostructures in opaque objects at a photon energy of 24.2 keV (In-Kα X-ray line). Using a Siemens star test pattern with a minimal feature size of 150 nm, it was proven that features 10 keV, demonstriert. Die Kombination von zwei Mehrschichtoptiken - einer nebeneinander angeordneten Montel-Kondensoroptik (oder verschachtelten Kirkpatrick-Baez-Optik) und einer Laue-Mehrschichtlinse mit hohem Aspektverhältnis - führt zu einem asymmetrischen Strahlengang im Transmissionsröntgenmikroskop. Diese optische Anordnung ermöglicht die Abbildung von 3D-Nanostrukturen in undurchsichtigen Objekten bei einer Photonenenergie von 24,2 keV (In-Kα-Röntgenlinie). Anhand eines Siemens-Sterntestmusters mit einer Mindeststrukturgröße von 150 nm wurde gezeigt, dass Strukturen < 150 nm aufgelöst werden können. Die In-Kα-Strahlung wird von einem Target aus einer Ga-In-Legierung mit einer Labor-Röntgenquelle in Flüssigmetallstrahltechnik erzeugt. Da die Eindringtiefe der Röntgenstrahlen in die Proben im Vergleich zu den in modernen Labor-Röntgenmikroskopen verwendeten 8 keV-Photonen (Cu-Kα-Strahlung) viel größer ist, können 3D-Nanostrahlen zerstörungsfrei in mm bis cm dicken Proben abgebildet werden. Dies bedeutet, dass für die Visualisierung von Verbindungsstrukturen in mikroelektronischen Produkten, die mit fortschrittlichen Gehäusetechnologien hergestellt werden, keine zerstörende Entnahme, Ausdünnung oder Querschnittszerlegung der Proben erforderlich ist. Die Anwendung der Labor-Transmissions-Röntgenmikroskopie im harten Röntgenbereich wird für Cu/Cu6Sn5/Cu-Mikrobump-Verbindungen demonstriert, die durch Fest-Flüssig-Interdiffusion (SLID) hergestellt wurden
Biomasse- und Bioenergieperspektiven einer Kohleregion : Status quo, Potenzial und Szenarien in der Lausitz
No full textCoal has been one of the main fuels used in Europe. Its decreasing role due to the ongoing transformation of the energy system will create significant socio-economic challenges. The switch into renewable energy systems could be an alternative to maintain jobs and economic activities within the affected regions. Biomass use and bioenergy can play an important role in the energy transition. Instead of energy crops, forest and agricultural residues should be used as biogenic energy sources in the future to avoid impacts on land use and food security. The main objective of this article is to investigate the biomass potential of a coal region and to provide scenarios for the future development of bioenergy production. Due to the changing framework conditions and, as a result, the different biomass focuses, previous bioenergy potential estimates must be reviewed. The methods for determining the potential of biomass for energy production was used for Lusatia (in German: Lausitz), the second largest coal region in Germany. These methods can also be applied in other regions. As a first step, the regional status quo assessment of cultivated areas and yields had decisive relevance for calculating biomass potential ranges. In a second step, the current bioenergy facilities in the region were identified, with a focus on power and heat production. The third step was the estimation of future regional bioenergy use. Therefore, the regional potential was gathered with the generally supra-regional framework conditions. For this purpose, national scenario studies were used, which contain the relevant target values and framework conditions. Two scenarios were developed for future bioenergy estimations: a conservative path based on the current policies and a progressive path, derived from the goal of climate neutrality by 2045. The results show a qualitative comparison among both scenarios and the previously determined potential ranges. Bioenergy can probably contribute to achieving climate neutrality with an increase in wood-fired systems, while agricultural bioenergy potential is likely to decline. In the discussion section, however, the uncertainty of these results is pointed out, as future use of bioenergy will be heavily influenced by the regulatory framework, competition with material use and the influences of climate change.Kohle war einer der wichtigsten Energieträger in Europa. Ihre abnehmende Bedeutung aufgrund der laufenden Umgestaltung des Energiesystems wird erhebliche sozioökonomische Herausforderungen mit sich bringen. Die Umstellung auf erneuerbare Energiesysteme könnte eine Alternative sein, um Arbeitsplätze und wirtschaftliche Aktivitäten in den betroffenen Regionen zu erhalten. Die Nutzung von Biomasse und Bioenergie kann eine wichtige Rolle bei der Energiewende spielen. Anstelle von Energiepflanzen sollten in Zukunft forst- und landwirtschaftliche Reststoffe als biogene Energieträger genutzt werden, um Auswirkungen auf die Landnutzung und die Ernährungssicherheit zu vermeiden. Das Hauptziel dieses Artikels ist es, das Biomassepotenzial einer Kohleregion zu untersuchen und Szenarien für die zukünftige Entwicklung der Bioenergieproduktion zu erstellen. Aufgrund der sich ändernden Rahmenbedingungen und der daraus resultierenden unterschiedlichen Biomasseschwerpunkte müssen bisherige Bioenergiepotenzialabschätzungen überprüft werden. Die Methoden zur Ermittlung des Potenzials von Biomasse zur Energieerzeugung wurden für die Lausitz, das zweitgrößte Kohlerevier Deutschlands, angewendet. Diese Methoden können auch in anderen Regionen angewendet werden
Untersuchung von elektrisch aktiven Defekten in Gruppe IV und Gruppe III-N epitaktischen Schichten integriert auf Si Substraten
No full textThe hetero-integration of group IV and III-V epitaxial layers on silicon (Si) substrates enables novel devices for optoelectronic and high-power applications. However, lattice and thermal mismachtes lead to an unavoidable formation of defects in hetero-epitaxy. The consideration of these defects is important in semiconductor devices as they affect material properties and impair the device performances. Besides the structural characterization of the unintentional introduced defects and the question of it’s origin, it is essential to evaluate their electrical activity in order to describe their impact on the device performance.
This work explores the electrical activity of threading dislocations (TDs) in Ge-rich SiGe heterostructures integrated on Si substrates as well as the electrical active defects introduced by the growth of aluminium-nitride (AlN) seed layers for the integration of gallium-nitride (GaN) on Si substrates.
I demonstrated a defect-related p-type conductivity of intrinsically grown Si ₀ ̣₀₆Ge ₀ ̣₉₄/Ge that reaffirms previous work of similar intrinsic Ge-based material. Moreover, I detailed the threading dislocation related leakage currents in rectifying devices, revealing a power law dependence on the threading dislocation density (TDD). By a variation of temperature I determined the dominant mechanism of transport of this leakage currents in different temperature regimes, for which I suggested possible interactions with TD related defect states. Through the reduction of leakage currents in the fabricated MOS capacitors I was able to examine an effective carrier concentration of 5-6x10¹⁵cm⁻³ in the nominally intrinsic Si ₀ ̣₀₆Ge ₀ ̣₉₄ epitaxial layer, which decreases down to 1x10¹⁵cm⁻³in the Ge buffer underneath. By applying deep level transient spectroscopy (DLTS) I found one dominant hole trap at mid-gap position confirming the presence of an TD-related effective generation-recombination center. In addition, I investigated the hole trapping kinetics of this defect level and associated it with point defects that are trapped in the strain field around threading dislocations.
I obtained insights into defect formation in the Si substrate and at the AlN/Si interface in dependence of the AlN growth temperature. A low temperature growth step prevented a deep in-diffusion of Al atoms into the Si substrate with simultaneous increase of the maximal p-type doping in the vicinity of the AlN/Si interface. Furthermore, I found a bulk hole trap inside the Si substrate at mid-gap position that showed an increase in density by applying a low temperature growth step. In contrast, the defect states at the AlN/Si interface decreased when a low temperature growth step was applied, in comparison to AlN layers grown at continuous high temperatures.Die Heterointegration von epitaktischen Gruppe IV und Gruppe III-V Schichten auf Silizium (Si) ermöglicht die Herstellung von innovativen Bauelementen für optoelektronische- und Hochleistungsanwendungen. Jedoch führen Gitterfehlanpassungen und Unterschiede in den Wäremausdehnungskoeffizienten zur unvermeidbaren Bildung von Defekten, welche verschiedene Materialeigenschaften beeinflussen und die Funktionsweise der Bauteile beeinträchtigen. Neben der strukturellen Charakterisierung der Defekte und der Frage nach deren Entstehung, ist es unerlässlich ihre elektrische Aktivität zu untersuchen, um den Einfluss auf die Bauteilperformance korrekt beschreiben zu können.
Diese Arbeit untersucht die elektrische Aktivität von Durchstoßversetzungen in Silizium-
Germanium (SiGe) Heterostrukturen mit hohem Germanium (Ge) Anteil, gewachsen auf Si Substraten, wie auch die elektrisch aktiven Defekte, welche durch das Wachstum von Alumiunnitrit (AlN) Schichten entstehen, die dazu genutzt werden um Galiumnitrit (GaN) auf Si zu wachsen.
Ich konnte eine defektbedingte p-Dotierung in den undotiert gewachsenen Si ₀ ̣₀₆Ge ₀ ̣₉₄/Ge Schichten nachweisen. Darüber hinaus habe ich die versetzungsabhängigen Leckströme in gleichrichtenden Bauteilen beschrieben, wobei eine Potenzgesetzabhängigkeit von der Versetzungsdichte festegellt wurde. Durch eine Variation der Temperatur konnte ich die dominierenden Transportmechanismen der Leckströme bestimmen und habe mögliche Interaktionen mit den versetzungsbedingten Defektbändern beschrieben.
Durch das erfolgreiche Unterdrücken der Leckströme in MOS Kondensatoren bestimmte ich eine effektive Ladungsträgerkonzentration in der intrinsischen Si0.06Ge0.94 Schicht in Höhe von 5-6x10¹⁵cm⁻³. In der darunter liegenden Ge-Pufferschicht sank diese Ladungsträgerkonzentration auf 1x10¹⁵cm⁻³. Mit Hilfe von Transientenspektroskopie tiefer Störstellen (DLTS) bestimmte ich eine löchereinfangende Störstelle in der Mitte der Bandlücke, die ein versetzungs-bedingtes Generation-Rekombinationszentrum in der untersuchten Si ₀ ̣₀₆Ge ₀ ̣₉₄/Ge Heterostruktur bestätigte. Zusätzlich untersuchte ich die Löchereinfangkinetik des gefunden Defektlevels und ordnete es daraufhin Punktdefekten zu, die im Spannungsfeld der Durchstoßversetzugen lokalisiert sind.
Ich gewann Kenntnisse über elektrisch aktive Defekte im Si Substrat und an der AlN/Si Grenzfläche in Abhängigkeit der AlN Wachstumstemperatur. Ein Wachstumsschritt bei verringerter Temperatur verhinderte das tiefe Eindringen von Al Atomen in das Si Substrat im Vergleich zum AlN Wachstum bei konstant hoher Temperatur, wohingegen die maximale Dotierung in der Nähe der AlN/Si Grenzfläche anstieg. Des Weiteren beobachtete ich ein Defektlevel im Si Subsrtat in der Mitte der Bandlücke. Die Konzentration dieses Defektlevels nimmt zu, wenn der Wachstumsschritt bei verringerter Temperatur durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu nehmen die Defekte an der AlN/Si Grenzfläche ab