TY  - THES
A1  - Pudell, Jan-Etienne
T1  - Lattice dynamics
T1  - Gitterdynamik
BT  - observed with x-ray diffraction
BT  - beobachtet mit Röntgenbeugung
N2  - In this thesis I summarize my contribution to the research field of ultrafast structural dynamics in condensend matter. It consists of 17 publications that cover the complex interplay between electron, magnon, and phonon subsystems in solid materials and the resulting lattice dynamics after ultrafast photoexcitation. The investigation of such dynamics is necessary for the physical understanding of the processes in materials that might become important in the future as functional materials for technological applications, for example in data storage applications, information processing, sensors, or energy harvesting.
In this work I present ultrafast x-ray diffraction (UXRD) experiments based on the optical pump – x-ray probe technique revealing the time-resolved lattice strain. To study these dynamics the samples (mainly thin film heterostructures) are excited by femtosecond near-infrared or visible light pulses. The induced strain dynamics caused by stresses of the excited subsystems are measured in a pump-probe scheme with x-ray diffraction (XRD) as a probe. The UXRD setups used during my thesis are a laser-driven table-top x-ray source and large-scale synchrotron facilities with dedicated time-resolved diffraction setups. The UXRD experiments provide quantitative access to heat reservoirs in nanometric layers and monitor the transient responses of these layers with coupled electron, magnon, and phonon subsystems. In contrast to optical probes, UXRD allows accessing the material-specific information, which is unavailable for optical light due to the detection of multiple indistinguishable layers in the range of the penetration depth. 
In addition, UXRD facilitates a layer-specific probe for layers buried opaque heterostructures to study the energy flow. I extended this UXRD technique to obtain the driving stress profile by measuring the strain dynamics in the unexcited buried layer after excitation of the adjacent absorbing layers with femtosecond laser pulses. This enables the study of negative thermal expansion (NTE) in magnetic materials, which occurs due to the loss of the magnetic order. Part of this work is the investigation of stress profiles which are the source of coherent acoustic phonon wave packets (hypersound waves). The spatiotemporal shape of these stress profiles depends on the energy distribution profile and the ability of the involved subsystems to produce stress. The evaluation of the UXRD data of rare-earth metals yields a stress profile that closely matches the optical penetration profile: In the paramagnetic (PM) phase the photoexcitation results in a quasi-instantaneous expansive stress of the metallic layer whereas in the antiferromagnetic (AFM) phase a quasi-instantaneous contractive stress and a second contractive stress contribution rising on a 10 ps time scale adds to the PM contribution. These two time scales are characteristic for the magnetic contribution and are in agreement with related studies of the magnetization dynamics of rare-earth materials.
Several publications in this thesis demonstrate the scientific progress in the field of active strain control to drive a second excitation or engineer an ultrafast switch. These applications of ultrafast dynamics are necessary to enable control of functional material properties via strain on ultrafast time scales. 
For this thesis I implemented upgrades of the existing laser-driven table-top UXRD setup in order to achieve an enhancement of x-ray flux to resolve single digit nanometer thick layers. Furthermore, I developed and built a new in-situ time-resolved magneto-optic Kerr effect (MOKE) and optical reflectivity setup at the laser-driven table-top UXRD setup to measure the dynamics of lattice, electrons and magnons under the same excitation conditions.
N2  - In dieser Doktoarbeit sind meine Beiträge zum Forschungsgebiet der  ltraschnellen Strukturdynamik in kondensierter Materie zusammegefasst. Sie besteht aus 17 Publikationen, welche dieWechselwirkung zwischen Elektron-, Magnon- und Phononsystem in Festkörpern, sowie die dadurch verursachte Gitterdynamik nach ultraschneller optischer Anregung diskutieren. Die Untersuchung dieser Dynamik ist erforderlich für das physikalische Verständnis der Prozesse in Materialien, die in Zukunft als Funktionsmaterialien für technologische Anwendungen, z.B. in der Datenspeicherung und Informationsverarbeitung, sowie bei Sensoren und der Energiegewinnung, wichtig werden könnten.
In dieser Arbeit präsentiere ich Experimente, welche ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) als Technik nutzen. Sie basiert auf der Anrege-Abfrage-Technik: Die Dynamik in der Probe (hauptsächlich Dünnfilm-Heterostrukturen) wird durch Femtosekunden-Lichtpulse im nahen Infrarot oder im sichtbaren Bereich angeregt. Die Dehnung des Materials, welche die Spannung (Druck) der angeregten Teilsysteme hervorruft, wird mit Röntgenbeugung als Abfrage gemessen. Während meiner Doktorandentätigkeit habe ich zwei Arten von Aufbauten zur UXRD genutzt: lasergetriebene laborbasierte Röntgenquellen und Synchrotronstrahlungsquellen mit zugehörigen zeitaufgelösten Messinstrumenten. Mit den UXRD-Experimenten kann die gespeicherte Energie unterschiedlicher gekoppelter Teilsysteme, wie Elektronen, Mangonen und Phononen, einer nur wenige Nanometer dicken Schicht gemessen werden. Im Vergleich zu optischenMesstechniken bietet UXRD den Zugriff auf materialspezifische Informationen, die für optisches Licht aufgrund der Detektion mehrerer nicht unterscheidbarer Schichten im Bereich der Eindringtiefe nicht zur Verfügung steht.
Darüber hinaus lässt sich mit UXRD eine für optische Detektion verdeckte Schicht als schichtspezifische Sonde nutzen, um den Energietransport zu untersuchen. Dieses Prinzip wurde dazu genutzt, um das treibende Spannungsprofil mittels der Dehnungsdynamik in einer angrenzenden, optisch nicht angeregten Schicht zu messen. Dies ermöglichte die Untersuchung der Dichteanomalie in magnetischen Materialen, die durch den Verlust der magnetischen Ordnung entsteht. Ebenfalls Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung von Spannungsprofilen als Quelle von kohärenten akustischen Phononen (Hyperschallwellen). Das raumzeitliche Profil des Spannungsprofils hängt von der Energieverteilung innerhalb der Teilsysteme und ihrer Fähigkeit ab, Energie in Dehnung umzusetzen. Die Auswertung von UXRD Experimenten an Metallen der Seltenen Erden ergab ein Spannungsprofil, dass dem Absorptionsprofil der optischen Anregung entsprach: In der paramagnetischen Phase erzeugte es einen instantanen expansiven Druck, wohingegen in der antiferromagnetischen Phase ein instantaner und ein auf einer 10 ps Zeitskala ansteigender kontrahierender Druck zusätzlich auftritt. Die beiden charakteristischen Zeitskalen in der antiferromagnetischen Phase sind in Übereinstimmung mit verschiedenen Studien der Demagnetisierungsdynamik in den Metallen der Seltenen Erden.
Einige Publikationen dieser Arbeit beschäftigen sich mit Feld der aktiven Dehnungskontrolle. Dies ermöglich die Kontrolle von Funktionsmaterialen via Dehnung auf ultraschnellen Zeitskalen.
Im Rahmen meiner Doktorandentätigkeit habe ich den lasergetriebenen UXRD Aufbau optimiert, um mit dem hohen Röntgenfluss Experimente mit nur einigen Nanometer dicken Schichten zu ermöglichen. Diese Maschine habe ich um einen zeitaufgelösten Aufbau zur in situ Messung der Reflektivität und Magnetisierungsdynamik mittels magnetooptischem Kerr-Effekt ergänzt. Dies ermöglicht die gleichzeitige Messung von Gitter-, Elektronen- und Magnonendynamik unter derselben Anregebedingung.
KW  - ultrafast x-ray diffraction
KW  - ultraschnelle Röntgendiffraktion
KW  - lattice dynamics
KW  - Gitterdynamik
KW  - nanoscale heat transfer
KW  - nanoskaliger Wärmetransport
KW  - ultrafast magnetism
KW  - ultraschneller Magnetimus
KW  - mechanical and acoustical properties
KW  - mechanische und akustische Eigenschaften
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-484453
ER  - 
TY  - THES
A1  - Neumann, Justus
T1  - Secular evolution in galaxies
T1  - Säkulare Evolution in Galaxien
BT  - properties of bars and bulges as seen with integral field spectroscopy
BT  - Eigenschaften von Balken und Bulges aus Sicht der integralen Feldspektroskopie
N2  - Galaxies are gravitationally bound systems of stars, gas, dust and - probably - dark matter. They are the building blocks of the Universe. The morphology of galaxies is diverse: some galaxies have structures such as spirals, bulges, bars, rings, lenses or inner disks, among others. The main processes that characterise galaxy evolution can be separated into fast violent events that dominated evolution at earlier times and slower processes, which constitute a phase called secular evolution, that became dominant at later times. Internal processes of secular evolution include the gradual rearrangement of matter and angular momentum, the build-up and dissolution of substructures or the feeding of supermassive black holes and their feedback. Galaxy bulges – bright central components in disc galaxies –, on one hand, are relics of galaxy formation and evolution. For instance, the presence of a classical bulge suggests a relatively violent history. In contrast, the presence of a disc-like bulge instead indicates the occurrence of secular evolution processes in the main disc. Galaxy bars – elongated central stellar structures –, on the other hand, are the engines of secular evolution. Studying internal properties of both bars and bulges is key to comprehending some of the processes through which secular evolution takes place. The main objectives of this thesis are (1) to improve the classification of bulges by combining photometric and spectroscopic approaches for a large sample of galaxies, (2) to quantify star formation in bars and verify dependencies on galaxy properties and (3) to analyse stellar populations in bars to aid in understanding the formation and evolution of bars. Integral field spectroscopy is fundamental to the work presented in this thesis, which consists of three different projects as part of three different galaxy surveys: the CALIFA survey, the CARS survey and the TIMER project.

The first part of this thesis constitutes an investigation of the nature of bulges in disc galaxies. We analyse 45 galaxies from the integral-field spectroscopic survey CALIFA by performing 2D image decompositions, growth curve measurements and spectral template fitting to derive stellar kinematics from CALIFA data cubes. From the obtained results, we present a recipe to classify bulges that combines four different parameters from photometry and kinematics: The bulge Sersic index nb, the concentration index C20;50, the Kormendy relation and the inner slope of the radial velocity dispersion profile ∇σ. The results of the different approaches are in good agreement and allow a safe classification for approximately 95% of the galaxies. We also find that our new ‘inner’ concentration index performs considerably better than the traditionally used C50;90 and, in combination with the Kormendy relation, provides a very robust indication of the physical nature of the bulge. In the second part, we study star formation within bars using VLT/MUSE observations for 16 nearby (0.01 < z < 0.06) barred active-galactic-nuclei (AGN)-host galaxies from the CARS survey. We derive spatially-resolved star formation rates (SFR) from Hα emission line fluxes and perform a detailed multi-component photometric decomposition on images derived from the data cubes. We find a clear separation into eight star-forming (SF) and eight non-SF bars, which we interpret as indication of a fast quenching process. We further report a correlation between the SFR in the bar and the shape of the bar surface brightness profile: only the flattest bars (nbar < 0.4) are SF. Both parameters are found to be uncorrelated with Hubble type. Additionally, owing to the high spatial resolution of the MUSE data cubes, for the first time, we are able to dissect the SFR within the bar and analyse trends parallel and perpendicular to the bar major axis. Star formation is 1.75 times stronger on the leading edge of a rotating bar than on the trailing edge and is radially decreasing. Moreover, from testing an AGN feeding scenario, we report that the SFR of the bar is uncorrelated with AGN luminosity. Lastly, we present a detailed analysis of star formation histories and chemical enrichment of stellar populations (SP) in galaxy bars. We use MUSE observations of nine very nearby barred galaxies from the TIMER project to derive spatially resolved maps of stellar ages and metallicities, [α/Fe] abundances, star formation histories, as well as Hα as tracer of star formation. Using these maps, we explore in detail variations of SP perpendicular to the bar major axes. We find observational evidence for a separation of SP, supposedly caused by an evolving bar. Specifically, intermediate-age stars (∼ 2-6 Gyr) get trapped on more elongated orbits forming a thinner bar, while old stars (> 8 Gyr) form a rounder and thicker bar. This evidence is further strengthened by very similar results obtained from barred galaxies in the cosmological zoom-in simulations from the Auriga project. In addition, we find imprints of typical star formation patterns in barred galaxies on the youngest populations (< 2 Gyr), which continuously become more dominant from the major axis towards the sides of the bar. The effect is slightly stronger on the leading side. Furthermore, we find that bars are on average more metal-rich and less α-enhanced than the inner parts of the discs that surrounds them. We interpret this result as an indication of a more prolonged or continuous formation of stars that shape the bar as compared to shorter formation episodes in the disc within the bar region.
N2  - Galaxien sind gravitativ gebundene Systeme aus Sternen, Gas, Staub und - wahrscheinlich - dunkler Materie. Sie sind die Bausteine des Universums. Die Morphologie von Galaxien ist vielfältig: Einige Galaxien haben Strukturen wie zum Beispiel Spirale, Bulges, Balken, Ringe, Linsen oder innere Scheiben. Die Hauptprozesse, die die Entwicklung von Galaxien charakterisieren, können unterteilt werden in schnelle, heftige Prozesse, die zu früheren Zeiten die Evolution beherrschten, und langsamere Prozesse, die eine Phase bilden, die als säkulare Evolution (secular evolution) bezeichnet wird, die zur jetzigen Zeit dominiert. Interne Prozesse der säkularen Evolution sind zum Beispiel die schrittweise Umverteilung von Materie und Drehimpuls, der Auf- und Abbau von Substrukturen oder der Materiezufluss zu supermassereichen Schwarzen Löchern und ihr Feedback. Bulges – helle zentrale Komponenten in Scheibengalaxien –, auf der einen Seite, sind Relikte der Entstehung und Entwicklung von Galaxien. Zum Beispiel, lässt das Vorhandensein eines klassischen Bulges auf eine relativ heftige Entwicklung schließen. Im Gegensatz dazu, weist das Vorhandensein eines scheibenähnlichen Bulges auf das Auftreten von säkularen Evolutionsprozessen in der Hauptscheibe der Galaxie hin. Galaxienbalken (galaxy bars) - längliche zentrale Sternstrukturen - sind dagegen die Motoren der säkularen Evolution. Eine Untersuchung der Eigenschaften von Balken und Bulges ist der Schlüssel um die Hauptprozesse der säkularen Evolution zu verstehen. Die Hauptziele dieser Arbeit sind (1) das Verbessern der Klassifikation von Bulges durch Kombination von photometrischen und spektroskopischen Ansätzen für eine große Anzahl von Galaxien, (2) das Quantifizieren der Sternentstehung in Balken im Verhältnis zu den Eigenschaften von deren Galaxien und (3) das Analysieren der Sternpopulationen in Balken, um das Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Balken zu erweitern. Integrale Feldspektroskopie (integral field spectroscopy) ist grundlegend für die vorliegende Arbeit, die aus drei verschiedenen Projekten besteht. Sie wurde im Rahmen von drei verschiedenen Galaxien Surveys – Durchmusterungen von Galaxien – angefertigt: der CALIFA-Survey, der CARS-Survey und das TIMER-Projekt.

Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von Bulgetypen in Scheibengalaxien. Wir analysieren 45 Galaxien vom CALIFA-Survey unter Benutzung von photometrischer und spektroskopischer Methoden um Eigenschaften von Struktur und Kinematik der Bulges zu identifizieren. Basierend auf den Resultaten präsentieren wir ein Rezept zur Klassifizierung von Bulges, das vier verschiedene Parameter aus Photometrie und Kinematik kombiniert: Der Bulge-Sersic-Index, ein Konzentrationsindex, die Kormendy-Relation und die innere Steigung des Radialdispersionsgeschwindigkeitsprofils. Die Ergebnisse der verschiedenen Ansätze stimmen gut überein und erlauben eine sichere Klassifizierung von ungefähr 95% der Galaxien. Im zweiten Teil untersuchen wir die Sternentstehung in Balken mithilfe von VLT/MUSE-Beobachtungen für 16 nahegelegende Balkengalaxien mit aktiven Kernen (engl. AGN) vom CARS-Survey. Wir berechnen ortsaufgelöste Sternentstehungsraten (engl. SFR) aus Hα Emissionslinienflüssen und führen eine detaillierte Mehrkomponentenanalyse durch photometrische Zerlegung der Galaxien durch. Wir finden eine klare Trennung in acht sternbildende und acht nicht-sternbildende Balken, die wir als Indiz auf ein schnelles Erlöschen von Sternentstehung interpretieren. Des Weiteren, finden wir eine Korrelation zwischen der SFR im Balken und des Helligkeitsprofils des Balkens: Nur die flachsten Balken bilden Sterne. Aufgrund der hohen räumlichen Auflösung von MUSE ist es uns erstmals möglich, die SFR innerhalb des Balkens zu zerlegen und Trends parallel und senkrecht zur Balken-Hauptachse zu analysieren. Die Sternentstehung an der Vorderkante des rotierenden Balkens ist 1,75-mal stärker als an der Hinterkante und nimmt radial ab. Darüber hinaus berichten wir, dass die SFR in Balken nicht mit der AGN Leuchtkraft korelliert. Schließlich, präsentieren wir eine detaillierte Analyse der Sternentstehungsgeschichte und der chemischen Anreicherung von Sternpopulationen (SP) in Galaxienbalken. Wir verwenden MUSE-Beobachtungen von neun nahgelegene Galaxien aus dem TIMER-Projekt und berechnen ortsaufgelöste Karten von Sternenalter und Metallizitäten, [α/Fe]-Häufigkeiten, Sternentstehungsgeschichten sowie Sternentstehung. Anhand dieser Karten untersuchen wir im Detail Variationen von SP in Balken. Wir finden Hinweise für eine Trennung von SP, vermutlich verursacht durch die Präsenz des Balkens. Sterne mittleren Alters bilden einen länglichen dünnen Balken, während alte Sterne einen runderen und dickeren Balken bilden. Diese Beobachtung wird darüberhinaus über ähnliche Resultate in den kosmologischen zoom-in Simulationen des Auriga-Projekts verstärkt. Außerdem finden wir Tendenzen in den jüngsten Populationen, die auf eine kürzliche erfolte oder noch andauernde Sternentstehung entlang der Kanten der Balken hindeuten, mit einem leichten Übergewicht entlang der Vorderkante. Schließlich, finden wir Indiz für eine länger anhaltende oder kontinuierliche Formation von Sternen im Balken verglichen mit kürzeren Formationsepisoden in der Scheibe innerhalb des Balkenradius.
KW  - galaxies
KW  - galaxy evolution
KW  - galaxy structure
KW  - integral field spectroscopy
KW  - galaxy bars
KW  - galaxy bulges
KW  - stellar populations
KW  - Galaxien
KW  - Galaxienentwicklung
KW  - Galaxienstruktur
KW  - Integrale Feldspektroskopie
KW  - Galaxienbalken
KW  - Galaxienbulges
KW  - Sternenpopulationen
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482701
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jelken, Joachim
T1  - Surface relief and bulk birefringence gratings in photo-sensitive polymer films
T1  - Realzeit Observierung der Entstehung von Volumen- und Oberflächengittern in photosensitiven Polymerfilmen mittels der Rasterkraftmikroskopie und Messung der Beugungseffizienz
BT  - in-situ probing and manipulation in real time
N2  - This thesis is focused on a better understanding of the formation mechanism of bulk birefringence gratings (BBG) and a surface relief gratings (SRG) in photo-sensitive polymer films. A new set-up is developed enabling the in situ investigation how the polymer film is being structured during irradiation with modulated light. The new aspect of the equipment is that it combines several techniques such as a diffraction efficiency (DE) set-up, an atomic force microscope (AFM) and an optical set-up for controlled illumination of the sample. This enables the simultaneous acquiring and differentiation of both gratings (BBG and SRG), while changing the irradiation conditions in desired way.
The dissertation is based on five publications. The first publication (I) is focused on the description of the set-up and interpretation of the measured data. A fine structure within the 1st-order diffraction spot is observed, which is a result of the inhomogeneity of the inscribed gratings.
In the second publication (II) the interplay of BBG and SRG in the DE is discussed. It has been found, that, dependent on the polarization of a weak probe beam, the diffraction components of the SRG and BBG either interfere constructively or destructively in the DE, altering the appearance of the intensity distribution within the diffracted spot.
The third (III) and fourth (IV) publications describe the light-induced reconfiguration of surface structures. Special attention is payed to conditions influencing the erasure of topography and bulk gratings. This can be achieved via thermal treatment or illumination of the polymer film. Using the translation of the interference pattern (IP) in a controlled way, the optical erase speed is significantly increased. Additionally, a dynamic reconfigurable surface is generated, which could move surface attached objects by the continuous translation of the interference pattern during irradiation of the polymer films.
The fifth publication (V) deals with the understanding of polymer deformation under irradiation with SP-IP, which is the only IP generating a half-period topography grating (compared to the period of the IP) on the photo-sensitive polymer film. This mechanism is used, e.g. to generate a SRG below the diffraction limit of light. It also represents an easy way of changing the period of the surface grating just by a small change in polarization angle of the interfering beams without adjusting the optical pass of the two beams. Additionally, complex surface gratings formed in mixed polarization- and intensity interference patterns are shown.
I J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Applied Physics B, 125 (2019), 218
II J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Appl. Phys. Lett., 116 (2020), 051601
III J. Jelken and S. Santer, RSC Advances, 9 (2019), 20295
IV J. Jelken, M. Brinkjans, C. Henkel and S. Santer, SPIE Proceedings, 11367 (2020), 1136710
V J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Formation of Half-Period Surface Relief Gratings in Azobenzene Containing Polymer Films (submitted to Applied Physics B)
N2  - In dieser kumulativen Dissertation, basierend auf fünf Publikationen, geht es darum ein Verständnis über die grundlegenden Mechanismen zu entwickeln, welche hinter der Entstehung von Oberflächen- und Volumengittern in amorphen photo-sensitiven Polymerfilmen stehen. Hierzu wurde ein neuer Versuchsaufbau entwickelt, welcher in situ (d.h. während der Belichtung mit einem Interferenzgitter) Messungen der zeitlichen Entwicklung (Entstehung oder Löschung) von Volumen- als auch Oberflächengittern unabhängig voneinander ermöglicht. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber dem gängigen Verfahren der Beugungseffizienzmessung dar, weil dort die Anteile der beiden Gitter durch aufwendige mathematische Behandlung voneinander getrennt werden müssen. Hierzu wurde ein Rasterkraftmikroskop (AFM, atomic force microscope) in einen optischen Aufbau zur Erzeugung eines Interferenzgitters, welches zur Belichtung des Polymerfilms benutzt wird, integriert. Zusätzlich wurde außerdem die Beugung eines Sondenstrahls an den entstehenden Gittern detektiert.
Die erste Publikation (I) beschäftigt sich mit der grundsätzlichen Interpretation der mit diesem neuen Messaufbau erzielten Ergebnisse. Es wurde eine Feinstruktur in dem räumlichen Profil der ersten Beugungsordnung gemessen, deren Ursprung aus der Inhomogenität der erzeugten Gitter herrührt.
In der zweiten Publikation (II) wird die Kopplung von Oberflächen- und Volumengitter in der aufgezeichneten Beugungseffizienz untersucht. Es wird gezeigt, dass, abhängig von der Polarisation des Sondierungsstrahls, diese Kopplung sowohl konstruktiv als auch destruktiv sein kann, was auch die in der ersten Publikation beschriebene Feinstruktur beeinflusst.
Die dritte (III) und vierte (IV) Publikation beschäftigen sich mit dem dynamischen Umbau von Oberflächenstrukturen. Hierzu muss das erzeugte Oberflächengitter möglichst schnell wieder gelöscht werden können. Dies kann sowohl thermisch, als auch optisch erfolgen. Durch eine definierte Translation des Interferenzgitters konnte hier die optische Löschgeschwindigkeit signifikant gesteigert werden. Zum anderen wird auch die Möglichkeit des Transports oberflächenadsorbierter Objekte durch die Erzeugung einer dynamisch modulierten Oberfläche (mittels einer kontinuierlichen Translation des Interferenz- und dadurch des Oberflächengitters) aufgezeigt. Die Hypothese des Massentransports wird hierbei kritisch untersucht.
Die fünften Publikation (V) widmet sich dem SP-Interferenzgitter, welches als einziges Gitter eine Periode der Oberflächenstruktur ausbildet, die der Hälfte der Periode des optischen Interferenzgitters entspricht. Diese Eigenschaft kann zum einen für die Erzeugung von Oberflächengittern unterhalb der optischen Auflösungsgrenze benutzt werden, zum anderen erlaubt sie die Periode der Oberflächenstruktur einfach zu ändern, indem die Beleuchtung zu einem anderen Interferenzgitter geschaltet wird. Zusätzlich wird auch die Erzeugung von komplexen Oberflächengittern durch Misch-Interferenzgitter (Mischung aus Polarisations- und Intensitäts-Interferenzgitter) diskutiert.
I J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Applied Physics B, 125 (2019), 218
II J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Appl. Phys. Lett., 116 (2020), 051601
III J. Jelken and S. Santer, RSC Advances, 9 (2019), 20295
IV J. Jelken, M. Brinkjans, C. Henkel and S. Santer, SPIE Proceedings, 11367 (2020), 1136710
V J. Jelken, C. Henkel and S. Santer, Formation of Half-Period Surface Relief Gratings in Azobenzene Containing Polymer Films (eingereicht bei Applied Physics B)
KW  - photosensitive Polymer
KW  - Surface Relief Grating (SRG)
KW  - sub-diffraction gratings
KW  - azobenzene containing molecules
KW  - Atomic Force Microscope
KW  - diffraction efficiency
KW  - photo-structuring of polymer films
KW  - Rasterkraftmikroskopie
KW  - Beugungseffizienz
KW  - Oberflächengitter
KW  - Azobenzol enthaltende Moleküle
KW  - Photostrukturierung von Polymerfilmen
KW  - Photopolymer
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483988
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wolff, Christian Michael
T1  - Identification and reduction of losses in perovskite solar cells
N2  - Perovskite solar cells have become one of the most studied systems in the quest for new, cheap and efficient solar cell materials. Within a decade device efficiencies have risen to >25% in single-junction and >29% in tandem devices on top of silicon. This rapid improvement was in many ways fortunate, as e. g. the energy levels of commonly used halide perovskites are compatible with already existing materials from other photovoltaic technologies such as dye-sensitized or organic solar cells. Despite this rapid success, fundamental working principles must be understood to allow concerted further improvements. This thesis focuses on a comprehensive understanding of recombination processes in functioning devices.
First the impact the energy level alignment between the perovskite and the electron transport layer based on fullerenes is investigated. This controversial topic is comprehensively addressed and recombination is mitigated through reducing the energy difference between the perovskite conduction band minimum and the LUMO of the fullerene. Additionally, an insulating blocking layer is introduced, which is even more effective in reducing this recombination, without compromising carrier collection and thus efficiency. With the rapid efficiency development (certified efficiencies have broken through the 20% ceiling) and thousands of researchers working on perovskite-based optoelectronic devices, reliable protocols on how to reach these efficiencies are lacking. Having established robust methods for >20% devices, while keeping track of possible pitfalls, a detailed description of the fabrication of perovskite solar cells at the highest efficiency level (>20%) is provided. The fabrication of low-temperature p-i-n structured devices is described, commenting on important factors such as practical experience, processing atmosphere & temperature, material purity and solution age. Analogous to reliable fabrication methods, a method to identify recombination losses is needed to further improve efficiencies. Thus, absolute photoluminescence is identified as a direct way to quantify the Quasi-Fermi level splitting of the perovskite absorber (1.21eV) and interfacial recombination losses the transport layers impose, reducing the latter to ~1.1eV. Implementing very thin interlayers at both the p- and n-interface (PFN-P2 and LiF, respectively), these losses are suppressed, enabling a VOC of up to 1.17eV. Optimizing the device dimensions and the bandgap, 20% devices with 1cm2 active area are demonstrated. Another important consideration is the solar cells’ stability if subjected to field-relevant stressors during operation. In particular these are heat, light, bias or a combination thereof. Perovskite layers – especially those incorporating organic cations – have been shown to degrade if subjected to these stressors. Keeping in mind that several interlayers have been successfully used to mitigate recombination losses, a family of perfluorinated self-assembled monolayers (X-PFCn, where X denotes I/Br and n = 7-12) are introduced as interlayers at the n-interface. Indeed, they reduce interfacial recombination losses enabling device efficiencies up to 21.3%. Even more importantly they improve the stability of the devices. The solar cells with IPFC10 are stable over 3000h stored in the ambient and withstand a harsh 250h of MPP at 85◦C without appreciable efficiency losses. To advance further and improve device efficiencies, a sound understanding of the photophysics of a device is imperative. Many experimental observations in recent years have however drawn an inconclusive picture, often suffering from technical of physical impediments, disguising e. g. capacitive discharge as recombination dynamics. To circumvent these obstacles, fully operational, highly efficient perovskites solar cells are investigated by a combination of multiple optical and optoelectronic probes, allowing to draw a conclusive picture of the recombination dynamics in operation. Supported by drift-diffusion simulations, the device recombination dynamics can be fully described by a combination of first-, second- and third-order recombination and JV curves as well as luminescence efficiencies over multiple illumination intensities are well described within the model. On this basis steady state carrier densities, effective recombination constants, densities-of-states and effective masses are calculated, putting the devices at the brink of the radiative regime. Moreover, a comprehensive review of recombination in state-of-the-art devices is given, highlighting the importance of interfaces in nonradiative recombination. Different strategies to assess these are discussed, before emphasizing successful strategies to reduce interfacial recombination and pointing towards the necessary steps to further improve device efficiency and stability. Overall, the main findings represent an advancement in understanding loss mechanisms in highly efficient solar cells. Different reliable optoelectronic techniques are used and interfacial losses are found to be of grave importance for both efficiency and stability. Addressing the interfaces, several interlayers are introduced, which mitigate recombination losses and degradation.
N2  - Auf der Suche nach neuen, kostengünstigen und effizienten Systemen zur photovoltaischen Energiegewinnung, sind Perowskit Solarzellen zu einem der am meistuntersuchtesten Systeme avanciert. Innerhalb einer Dekade konnten unabhängig zertifizierte Umwandlungseffizienzen von >25% in Einzelschicht- und >29% in Mehrschichtzellen basierend auf Siliziumzellen realisiert werden. Die schnelle Entwicklung war in vielerlei Hinsicht glücklich, da beispielsweise die Energielevel typischer Perowskitschichten mit bereits existierenden Kontaktschichtsystemen anderer Photovoltaiksysteme, wie etwa Farbstoffsolarzellen oder Organische Solarzellen, kompatibel sind. Trotz dieses schnellen Erfolges, müssen zur weiteren Effizienzsteigerung grundlegende Wirkprinzipien der Solarzellen verstanden werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem umfassenden Verständnis von Rekombinationsprozessen in voll funktionstüchtigen Bauteilen. Zunächst wird der Einfluss unterschiedlicher Energielevel einer Transportschicht, basierend auf Fullerenen untersucht. Dieses kontrovers diskutierte Thema wurde umfassend untersucht und Rekombinationsverluste aufgrund ungünstiger Energielevel reduziert indem - durch die Wahl unterschiedlicher Fulleren-Derivate - der energetische Abstand zwischen Leitungsband des Perowskit und dem niedrigsten unbesetzten Zustand des Fullerenes reduziert wird. Zusätzlich wurde eine ultradünne elektrisch isolierende Zwischenschicht eingebracht, die noch effektiver Rekombinationsverluste unterdrückt, ohne die Fähigkeit zur Ladungsextraktion - und damit Effizienz einzuschränken. Das breite Interesse tausender Forschenden weltweit hat zur schnellen Entwicklung besagter hoher Effizienzen geführt, obgleich verlässliche, leicht nachzuvollziehende Herstellungsprotokolle nicht existierten. Auf Basis der hier entwickelten Protokolle, werden Methoden dargestellt, mit denen verlässlich >20% effiziente Solarzellen produziert werden können. Hierbei wird insbesondere auf sogenannte invertierte (p-i-n) Zellen eingegangen, wobei ein Fokus auf der Beschreibung essentieller Faktoren wie Atmosphärenkontrolle, Temperaturkontrolle, Materialreinheit oder praktischer Erfahrung liegt. Analog zu verlässlichen Herstellungsmethoden bedarf es robuster Techniken um Rekombinationsverluste zu identifizieren und zu lokalisieren. Zu diesem Zweck wird die Messung der absoluten Photolumineszenzeffizienz eingeführt, die erlaubt die Aufspaltung der Quasi-Fermi Level des Perowskiten zu quantifizieren (1.22eV). Ebenso ist es mit dieser Methode möglich Rekombinationsverluste an Grenzflächen zu lokalisieren, die die Leerlaufspannung auf 1.1V limitieren. Zur Vermeidung dieser Verluste werden erneut ultradünne Zwischenschichten an sowohl der p- als auch n- Grenzschicht eingebracht (PFN-P2 und LiF), die Leerlaufspannungen von bis zu 1.17V ermöglichen. Mithilfe eines optimierten Designs und einer Reduzierung der Bandlücke können Bauteile mit 20% Effizienz bei einer Größe von 1cm2 realisiert werden. Nebst hoher Effizienz ist die Stabilität der Bauteile unter einsatzrelevanten Umweltbedingungen ein wichtiger Faktor auf dem Weg zu einer Kommerzialisierung. Dies gilt insbesondere für Hitze, Beleuchtung, elektrische Ladung oder eine Kombination letzterer. Perowskitschichten -- insbesondere diejenigen, die organische Kationen beinhalten -- sind wohlbekannt dafür unter genannten Bedingungen zu degradieren. Das Konzept der ultradünnen Zwischenschichten wird daher um eine Familie fluornierter selbstorganisierender molekularer Monoschichten erweitert X-PFC_n, wobei X ein Halogen I/Br darstellt und n = 7-12 die Länge der fluorinerten Alkylkette angibt), die an der n-Grenzfläche zum Einsatz kommen. Diese Zwischenschicht reduziert Rekombinationsverluste resultierend in 21.3% effizienten Bauteilen und ermöglicht zusätzlich eine drastische erhöhte Stabilität. Bauteile mit dem Molekül IPFC10 sind über 3000h stabil unter Lagerungsbedingungen im Dunkeln und überstehen 250h unter voller Last bei 85°C ohne nennenswerte Verluste. Weitere Fortschritte in der Steigerung der Effizienz sind nur zu erwarten, wenn eine vollständige Beschreibung der Wirkprinzipien und Schwachstellen vorliegt. Eine Vielzahl experimenteller Studien haben bisher jedoch ein lückenhaftes Bild gemalt. Häufig sind physikalische Beschränkungen, etwa die hohe Kapazität aufgrund der sehr dünnen Schichten dafür verantwortlich, dass Rekombinationsdynamiken durch kapazitive Entladungsprozesse verdeckt werden. Um diese Probleme zu umgehen, werden hocheffiziente Solarzellen mit einer Kombination mehrerer optischer und optoelektronischer Messmethoden untersucht. Dies ermöglicht die Rekombinationsdynamik mit einer Superposition aus Rekombination erster, zweiter und dritter Ordnung der Ladungsträgerdichte vollumfänglich zu beschreiben. Drift-Diffusions Simulationen unterstützen die experimentellen Ergebnisse, selbst unter Einbeziehung mobiler Ionen. Weiterhin wird in einem Übersichtsartikel ein Ausblick auf den gegenwärtigen Stand des Wissens im Bezug auf Rekombinationsverluste in besagten Solarzellen gegeben. Unterschiedliche Messmethoden werden vorgestellt und erfolgreiche Methoden zur Minderung genannter Verluste diskutiert. Insgesamt stellt diese Arbeit einen Fortschritt im Verständnis und der Verminderung unterschiedlicher Verlustprozesse dar. Mithilfe unterschiedlicher verlässlicher optoelektronischer Messmethoden, wird gezeigt, dass der Ursprung von Rekombinations- und Stabilitätsverlusten häufig an den Grenzflächen liegt. Mithilfe gezielt eingesetzter ultradünner Zwischenschichten werden diese Verluste reduziert und die Stabilität erhöht.
T2  - Identifizierung und Reduzierung von Verlusten in Perowskit Solarzellen
KW  - perovskite solar cells
KW  - interfacial recombination
KW  - nonradiative losses
KW  - Perowskit Solarzellen
KW  - Grenzflächenrekombination
KW  - nichtstrahlende Verluste
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479301
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arya, Pooja
T1  - Light controlled active and passive motion of colloidal particles
N2  - In this dissertation we introduce a concept of light driven active and passive manipulation of colloids trapped at solid/liquid interface. The motion is induced due to generation of light driven diffusioosmotic flow (LDDO) upon irradiation with light of appropriate wavelength. The origin of the flow is due to osmotic pressure gradient resulting from a concentration gradient at the solid/liquid interface of the photosensitive surfactant present in colloidal dispersion. The photosensitive surfactant consists of a cationic head group and a hydrophobic tail in which azobenzene group is integrated in. The azobenzene is known to undergo reversible photo-isomerization from a stable trans to a meta stable cis state under irradiation with UV light. Exposure to light of larger wavelength results in back photo-isomerization from cis to trans state. The two isomers have different molecular properties, for instance, trans isomer has a rod like structure and low polarity (0 dipole moment), whereas cis one is bent and has a dipole moment of ~3 Debye. Being integrated in the hydrophobic tail of the surfactant molecule, the azobenzene state determines the hydrophobicity of the whole molecule: in the trans state the surfactant is more hydrophobic than in the cis-state. In this way many properties of the surfactant such as the CMC, solubility and the interaction potential with a solid surface can be altered by light. When the solution containing such a surfactant is irradiated with focused light, a concentration gradient of different isomers is formed near the boundary of the irradiated area near the solid surface resulting in osmotic pressure gradient. The generated diffusioosmotic (DO) flow carries the particles passively along. 
The local-LDDO flow can be generated around and by each particle when mesoporous silica colloids are dispersed in the surfactant solution. This is because porous particles act as a sink/source which absorbs azobenzene molecule in trans state and expels it when it is in the cis state. The DO flows generated at each particle interact resulting in aggregation or separation depending upon the initial state of surfactant molecules. The kinetic of aggregation and separation can be controlled and manipulated by altering the parameters such as the wavelength and intensity of the applied light, as well as surfactant and particle concentration. Using two wavelengths simultaneously allows for dynamic gathering and separation creating fascinating patterns such as 2D disk of well separated particles or establishing collective complex behaviour of particle ensemble as described in this thesis. 
The mechanism of l-LDDO is also used to generate self-propelled motion. This is possible when half of the porous particle is covered by metal layer, basically blocking the pores on one side. The LDDO flow generated on uncapped side pushes the particle forward resulting in a super diffusive motion. The system of porous particle and azobenzene containing surfactant molecule can be utilized for various application such as drug delivery, cargo transportation, self-assembling, micro motors/ machines or micro patterning.
N2  - In dieser Doktorarbeit führen wir das Konzept der lichtinduzierten Diffusioosmose (LDDO) zur licht-kontrollierten passiven und aktiven Bewegung von Kolloiden an der fest-flüssig Grenzfläche ein. Bei diesem neuartigen Phänomen wird ein Grenzflächenfluss mittels Lichtes bestimmter Wellenlänge erzeugt. Ein lichtempfindliches Tensid wirkt hierbei als Quelle der Diffusioosmose: Durch Einstrahlung von Licht wird ein Konzentrationsgradient an der Oberfläche erzeugt, der wiederum ein Ungleichgewicht im lateralen osmotischen Druck verursacht. Dieser Druckunterschied führt dann zu einem grenzflächennahen diffusioosmotischen Fluss. Das lichtaktive Molekül besteht aus einer kationischen Kopfgruppe und einer hydrophoben Kohlenstoffkette, in die die Azobenzolgruppe eingebettet ist. Azobenzol fungiert hier als Lichtschalter, da es mit Licht zwischen einem stabilen trans und einem metastabilen cis Zustand hin- und hergeschaltet werden kann. Nahes UV Licht führt hier zur trans-cis und sichtbares Licht zur cis-trans Isomerisation. Das trans Isomer unterscheidet sich in einigen Eigenschaften vom cis Isomer. So ist z.B. das trans-Isomer langgestreckt und besitzt eine geringe Polarität (verschwindendes Dipolmoment), währenddessen das cis Isomer gebogen ist und ein deutliches Dipolmoment von ca. 3 Debye besitzt. Durch die Integration der Azobenzolgruppe in die hydrophobe Kette des Tensids, bestimmt der Isomerisationszustand des Tensids die Hydrophobizität des gesamten Moleküls: Der trans Zustand ist deutlich hydrophober als der cis Zustand. Dieser Unterschied zeigt sich in den Löslichkeitseigenschaften des Moleküls, der kritischen Mizellenkonzentration sowie des Wechselwirkungspotentials zwischen Molekül und Grenzfläche. Dies kann genutzt werden, um diese Eigenschaften mittels Lichtbestrahlung zu ändern. Wird das Molekül in Wasser gelöst und mit fokussiertem Licht bestrahlt, kann ein isomerer Konzentrationsgradient im Bestrahlungsbereich an der fest-flüssig Grenzfläche erzeugt werden, der wiederum in einem osmotischen Druckgunterschied resultiert. Die daraus resultierende Diffusioosmose (DO), welche an der Grenzfläche erzeugt wird, ist in der Lage Kolloide, die sich an der Grenzfläche befinden, transportieren (passiv). 
Im Unterschied dazu kann ein sogenannter lokaler diffusioosmotischer Fluss (l-LDDO) um jedes einzelne Kolloid erzeugt werden, sobald es sich um meso-poröse Kolloide handelt. Hierbei agiert jedes Kolloid selbst als Konzentrationsquelle- bzw. –senke (ähnlich dem fokussiertem Licht im oberen Fall). Je nach Isomerisationszustand lagert sich das Molekül eher im Kolloid an oder bevorzugt die Umgebung des Wassers. Befindet sich das Molekül im trans Zustand lagert es sich im Kolloid an, während es im cis Zustand eher die Umgebung des Wassers sucht. Der diffusioosmotische Fluss wird um jedes einzelne Kolloid erzeugt, wodurch eine Wechselwirkung zwischen allen Kolloiden zustande kommt, die entweder anziehend oder abstoßend sein kann. Das hängt vom Isomerisationszustand der Tensidmoleküle vor der Bestrahlung ab. Durch die Änderung der folgenden Parameter kann die Bewegung der Kolloide kontrolliert werden: Lichtwellenlänge, Lichtintensität, Tensidkonzentration, Kolloidkonzentration. Durch die gleichzeitige Verwendung zweier verschiedener Lichtquellen (mit unterschiedlichen Wellenlängen), ist es möglich eine interessante Dynamik in der Anziehung und Abstoßung der Kolloide zu erzeugen, die faszinierende Kolloidformationen entstehen lassen wie sie in dieser Arbeit näher beschrieben werden.
 Das Phänomen der lokalen Diffusioosmose kann auch zu selbst-getriebener Bewegung führen, nämlich wenn eine Hälfte des Kolloids bedeckt wird (z.B. mit einer Metallschicht) und somit für Tensidmoleküle undurchlässig macht. Der diffusioosmotische Fluss, der auf der unbedeckten Seite des Kolloids erzeugt wird, bewegt das Kolloid in eine Richtung fort und führt so durch Überlagerung zur thermischen Bewegung zu super-diffusivem Verhalten. Das System, bestehend aus porösen Kolloiden und azobenzolhaltigem Tensidmolekül kann sinnführend genutzt werden, z.B. für folgende Anwendungen: gezieltem Medikamententransport, Mikrofrachttransport, Selbstassemblierung, Mikromotoren/-maschinen oder Mikrostrukturierung.
T2  - Licht-kontrollierten passive und aktive Bewegung kolloidaler Partikel
KW  - Azobenzene containing surfactant
KW  - Photochemistry
KW  - Porous silica particles
KW  - Janus colloids
KW  - LDDO
KW  - diffusioosmotic flow
KW  - Hydrophobic and hydrophillic interactions
KW  - Kinetics of photoisomerization
KW  - Azobenzol enthaltendes Tensid
KW  - hydrophoben und hydrophile Wechselwirkungen
KW  - Janus-Kolloid
KW  - LDDO
KW  - Photochemie
KW  - poröse Siliciumdioxidpartikel
KW  - diffusioosmotischer Fluss
KW  - Isomerisierung Kinetik
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483880
ER  - 
TY  - THES
A1  - Christ, Simon
T1  - Morphological transitions of vesicles exposed to nonuniform spatio-temporal conditions
N2  - Giant unilamellar vesicles are an important tool in todays experimental efforts to understand the structure and behaviour of biological cells. Their simple structure allows the isolation of the physical elastic properties of the lipid membrane. A central physical
property is the bending energy of the membrane, since the many different shapes of giant vesicles can be obtained by finding the minimum of the bending energy. In the spontaneous curvature model the bending energy is a function of the bending rigidity as well as the mean curvature and an additional parameter called the spontaneous curvature, which describes an internal preference of the lipid-bilayer to bend towards one side or the other. The spontaneous and mean curvature are local properties of the membrane.
Additional constraints arise from the conservation of the membrane surface area and the enclosed volume, which are global properties.
In this thesis the spontaneous curvature model is used to explain the experimental observation of a periodic shape oscillation of a giant unilamellar vesicle that was filled with a protein complex that periodically binds to and unbinds from the membrane.
By assuming that the binding of the proteins to the membrane induces a change in the spontaneous curvature the experimentally observed shapes could successfully be explained. This involves the numerical solution of the differential equations as obtained from the minimization of the bending energy respecting the area and volume constraints, the so called shape equations. Vice versa this approach can be used to estimate the spontaneous curvature from experimentally measurable quantities.
The second topic of this thesis is the analysis of concentration gradients in rigid conic membrane compartments. Gradients of an ideal gas due to gravity and gradients generated by the directed stochastic movement of molecular motors along a microtubulus were considered. It was possible to calculate the free energy and the bending energy analytically for the ideal gas. In the case of the non-equilibrium system with molecular motors, the characteristic length of the density profile, the jam-length, and its dependency on the opening angle of the conic compartment have been calculated in the mean-field limit.
The mean field results agree qualitatively with stochastic particle simulations.
N2  - Die Morphologie beschreibt die Struktur und Form von Organismen. Im Rahmen dieser Arbeit werden insbesondere die verschiedenen Formen von einfachen Lipidmembranen untersucht, die geschlossene Formen in Lösung bilden, die Vesikel. Der Fokus liegt dabei auf Begebenheiten, in denen die es inhomogene Zustände innerhalb oder außerhalb des Vesikels gibt.
Das betrifft zum einen die Erklärung der beobachteten Formen in einem Experiment, bei dem im Inneren des Vesikels Proteine plaziert wurden, die sich wiederkehrend an die innere Vesikelmembran heften und wieder ablösen. Dabei Verändert sich die Form des Vesikels von einer symmetrischen erdnussähnlichen Form zu einer asymmetrischen Form mit einem sehr dünnen Hals. Mittels eines theoretischem Modells, dass dem Anheften der Proteine eine Änderung in ihrer bevorzugten Krümmung zuweist, werden Formen berechnet, die den beobachteten Formen gleichen und nur durch das Variieren der bevorzugten Krümmung kann derselbe Formübergang erzielt werden.
Außerdem wird die Biegeenergie von Vesikeln, die durch die äußere Umgebung in eine kegelförmige Form gezwungen werden, in Abhängigkeit des Öffnungswinkels des Kegels analytisch berechnet. Es wird weiterhin die freie Energie eines idealen Gases, das durch die Kräfte der Gravitation inhomogen verteilt ist, innerhalb solcher starren kegelförmigen Vesikeln analytisch berechnet. Ein weiteres System, das betrachtet wird, sind molekulare Motoren, die die Fähigkeit besitzen, sich entlang bestimmter Stränge, der Mikrotubuli, gerichtet fortzubewegen und wenn sie sich nicht an einem Mikrotubulus
befinden, bewegen sie sich aufgrund der üblichen ungerichteten Kräfte, der Diffusion. Wenn nur ein Mikrotubulus und nur eine Art von Motoren vorhanden ist, entsteht dadurch eine Anhäufung von Teilchen auf der Seite in die die Motoren sich bewegen, ein Konzentrationsgradient. Es wird analytisch berechnet, wie sich dieser Konzentrationsgradient
verschiebt, wenn sich der Öffnungswinkel des Kegels ändert und mit Ergebnissen aus Computersimulationen verglichen.
T2  - Morphologische Übergänge von Vesikeln unter räumlich oder zeitlich inhomogenen Bedingunge
KW  - Formgleichungen von Vesikeln
KW  - Shape equations of vesicles
KW  - Molekulare Motoren
KW  - Molecular motors
KW  - Conic compartments
KW  - Kegelförmige Geometrien
KW  - Bending energy
KW  - Biegeenergie
KW  - Min-Proteine
KW  - Min-proteins
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-480788
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller, Jirka
T1  - Untersuchungen zum flow-Erleben bei Experimenten als physikalische Lerngelegenheit
N2  - In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, in wie weit physikalische Experimente ein flow-Erleben bei Lernenden hervorrufen. Flow-Erleben wird als Motivationsursache gesehen und soll den Weg zu Freude und Glück darstellen. Insbesondere wegen dem oft zitierten Fachkräftemangel in naturwissenschaftlichen und technischen Berufen ist eine Motivationssteigerung in naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächern wichtig. Denn trotz Leistungssteigerungen in internationalen Vergleichstests möchten in Deutschland deutlich weniger Schüler*innen einen solchen Beruf ergreifen als in anderen Industriestaaten. Daher gilt es, möglichst früh Schüler*innen für naturwissenschaftlich-technische Fächer zu begeistern und insbesondere im regelrecht verhassten Physikunterricht flow-Erleben zu erzeugen. 
Im Rahmen dieser Arbeit wird das flow-Erleben von Studierenden in klassischen Laborexperimenten und FELS (Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone) als Lernumgebung untersucht. FELS ist eine an die Lebenswelt der Schüler*innen angepasste Lernumgebung, in der sie mit Smartphones ihre eigene Lebenswelt experimentell untersuchen. 
Es zeigt sich, dass sowohl klassische Laborexperimente als auch in der Lebenswelt durchgeführte, smartphonebasierte Experimente  flow-Erleben erzeugen. Allerdings verursachen die smartphonebasierten Experimente kaum Stressgefühle. 
Die in dieser Arbeit herausgefundenen Ergebnisse liefern einen ersten Ansatz, der durch Folgestudien erweitert werden sollte.
N2  - The present work examines to what extent physical experiments induce a flow-experience in students. Experiencing flow is seen as a source of motivation and should represent the path to joy and happiness. In particular, because of the often-cited shortage of employees in the natural sciences and technical professions, increasing motivation in natural sciences subjects is important. Because despite performance increases in international comparative tests, significantly fewer students in Germany want to take up such a profession than in other industrialized countries. It is therefore important to get students enthusiastic about scientific and technical subjects as early as possible and, in particular, to create a flow experience in the downright hated physics class.
In the context of this work, the flow-experience of students is examined as a learning environment in classic laboratory experiments and FELS (inquiry-based learning with the smartphone, based on the German term: Forschend-Entdeckendes Lernen mit dem Smartphone). FELS is a learning environment adapted to the students' living environment, in which they use smartphones to experimentally examine their own living environment.
It turns out that both classic laboratory experiments and smartphone-based experiments create flow-experiences. However, the smartphone-based experiments hardly cause any feelings of stress.
The results found in this work provide a first approach, which should be expanded through follow-up studies.
T2  - Examining the flow-experience in experiments as a physical learning opportunity
KW  - Flow
KW  - Smartphone
KW  - Experimente
KW  - Physikdidaktik
KW  - FELS
KW  - Lernumgebung
KW  - blended learning
KW  - Forschend Entdeckendes Lernen
KW  - inquiry based learning
KW  - physics education
KW  - learning environment
KW  - experiment
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482879
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Grebenkov, Denis S.
A1  - Metzler, Ralf
A1  - Oshanin, Gleb
T1  - From single-particle stochastic kinetics to macroscopic reaction rates
BT  - fastest first-passage time of N random walkers
JF  - New Journal of Physics
N2  - We consider the first-passage problem for N identical independent particles that are initially released uniformly in a finite domain Ω and then diffuse toward a reactive area Γ, which can be part of the outer boundary of Ω or a reaction centre in the interior of Ω. For both cases of perfect and partial reactions, we obtain the explicit formulas for the first two moments of the fastest first-passage time (fFPT), i.e., the time when the first out of the N particles reacts with Γ. Moreover, we investigate the full probability density of the fFPT. We discuss a significant role of the initial condition in the scaling of the average fFPT with the particle number N, namely, a much stronger dependence (1/N and 1/N² for partially and perfectly reactive targets, respectively), in contrast to the well known inverse-logarithmic behaviour found when all particles are released from the same fixed point. We combine analytic solutions with scaling arguments and stochastic simulations to rationalise our results, which open new perspectives for studying the relevance of multiple searchers in various situations of molecular reactions, in particular, in living cells.
KW  - diffusion
KW  - first-passage
KW  - fastest first-passage time of N walkers
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.1088/1367-2630/abb1de
SN  - 1367-2630
VL  - 22
PB  - Dt. Physikalische Ges.
CY  - Bad Honnef
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Grebenkov, Denis S.
A1  - Metzler, Ralf
A1  - Oshanin, Gleb
T1  - From single-particle stochastic kinetics to macroscopic reaction rates
BT  - fastest first-passage time of N random walkers
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - We consider the first-passage problem for N identical independent particles that are initially released uniformly in a finite domain Ω and then diffuse toward a reactive area Γ, which can be part of the outer boundary of Ω or a reaction centre in the interior of Ω. For both cases of perfect and partial reactions, we obtain the explicit formulas for the first two moments of the fastest first-passage time (fFPT), i.e., the time when the first out of the N particles reacts with Γ. Moreover, we investigate the full probability density of the fFPT. We discuss a significant role of the initial condition in the scaling of the average fFPT with the particle number N, namely, a much stronger dependence (1/N and 1/N² for partially and perfectly reactive targets, respectively), in contrast to the well known inverse-logarithmic behaviour found when all particles are released from the same fixed point. We combine analytic solutions with scaling arguments and stochastic simulations to rationalise our results, which open new perspectives for studying the relevance of multiple searchers in various situations of molecular reactions, in particular, in living cells.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1018 
KW  - diffusion
KW  - first-passage
KW  - fastest first-passage time of N walkers
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-484059
SN  - 1866-8372
IS  - 1018
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhelavskaya, Irina
T1  - Modeling of the Plasmasphere Dynamics
T1  - Modellierung der Plasmasphärendynamik
N2  - The plasmasphere is a dynamic region of cold, dense plasma surrounding the Earth. Its shape and size are highly susceptible to variations in solar and geomagnetic conditions. Having an accurate model of plasma density in the plasmasphere is important for GNSS navigation and for predicting hazardous effects of radiation in space on spacecraft. The distribution of cold plasma and its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions remain, however, poorly quantified. Existing empirical models of plasma density tend to be oversimplified as they are based on statistical averages over static parameters. Understanding the global dynamics of the plasmasphere using observations from space remains a challenge, as existing density measurements are sparse and limited to locations where satellites can provide in-situ observations. In this dissertation, we demonstrate how such sparse electron density measurements can be used to reconstruct the global electron density distribution in the plasmasphere and capture its dynamic dependence on solar wind and geomagnetic conditions. 

First, we develop an automated algorithm to determine the electron density from in-situ measurements of the electric field on the Van Allen Probes spacecraft. In particular, we design a neural network to infer the upper hybrid resonance frequency from the dynamic spectrograms obtained with the Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) instrumentation suite, which is then used to calculate the electron number density. The developed Neural-network-based Upper hybrid Resonance Determination (NURD) algorithm is applied to more than four years of EMFISIS measurements to produce the publicly available electron density data set.

We utilize the obtained electron density data set to develop a new global model of plasma density by employing a neural network-based modeling approach. In addition to the location, the model takes the time history of geomagnetic indices and location as inputs, and produces electron density in the equatorial plane as an output. It is extensively validated using in-situ density measurements from the Van Allen Probes mission, and also by comparing the predicted global evolution of the plasmasphere with the global IMAGE EUV images of He+ distribution. The model successfully reproduces erosion of the plasmasphere on the night side as well as plume formation and evolution, and agrees well with data.

The performance of neural networks strongly depends on the availability of training data, which is limited during intervals of high geomagnetic activity. In order to provide reliable density predictions during such intervals, we can employ physics-based modeling. We develop a new approach for optimally combining the neural network- and physics-based models of the plasmasphere by means of data assimilation. The developed approach utilizes advantages of both neural network- and physics-based modeling and produces reliable global plasma density reconstructions for quiet, disturbed, and extreme geomagnetic conditions. 

Finally, we extend the developed machine learning-based tools and apply them to another important problem in the field of space weather, the prediction of the geomagnetic index Kp. The Kp index is one of the most widely used indicators for space weather alerts and serves as input to various models, such as for the thermosphere, the radiation belts and the plasmasphere. It is therefore crucial to predict the Kp index accurately. Previous work in this area has mostly employed artificial neural networks to nowcast and make short-term predictions of Kp, basing their inferences on the recent history of Kp and solar wind measurements at L1. We analyze how the performance of neural networks compares to other machine learning algorithms for nowcasting and forecasting Kp for up to 12 hours ahead. Additionally, we investigate several machine learning and information theory methods for selecting the optimal inputs to a predictive model of Kp. The developed tools for feature selection can also be applied to other problems in space physics in order to reduce the input dimensionality and identify the most important drivers.

Research outlined in this dissertation clearly demonstrates that machine learning tools can be used to develop empirical models from sparse data and also can be used to understand the underlying physical processes. Combining machine learning, physics-based modeling and data assimilation allows us to develop novel methods benefiting from these different approaches.
N2  - Die Plasmasphäre ist eine die Erde umgebende dynamische Region aus kaltem, dichtem Plasma. Ihre Form und Größe sind sehr anfällig für Schwankungen der solaren und geomagnetischen Bedingungen. Ein präzises Modell der Plasmadichte in der Plasmasphäre ist wichtig für die GNSS-Navigation und für die Vorhersage gefährlicher Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf Raumfahrzeuge. Die Verteilung des kalten Plasmas und seine dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen sind jedoch nach wie vor nur unzureichend quantifiziert. Bestehende empirische Modelle der Plasmadichte sind in der Regel zu stark vereinfacht, da sie auf statistischen Durchschnittswerten statischer Parameter basieren. Das Verständnis der globalen Dynamik der Plasmasphäre anhand von Beobachtungen aus dem Weltraum bleibt eine Herausforderung, da vorhandene Dichtemessungen spärlich sind und sich auf Orte beschränken, an denen Satelliten In-situ-Beobachtungen liefern können. In dieser Dissertation zeigen wir, wie solche spärlichen Elektronendichtemessungen verwendet werden können, um die globale Elektronendichteverteilung in der Plasmasphäre zu rekonstruieren und ihre dynamische Abhängigkeit vom Sonnenwind und den geomagnetischen Bedingungen zu erfassen.

Zunächst entwickeln wir einen automatisierten Algorithmus zur Bestimmung der Elektronendichte aus In-situ-Messungen des elektrischen Feldes der Van Allen Probes Raumsonden. Insbesondere entwerfen wir ein neuronales Netzwerk, um die obere Hybridresonanzfrequenz aus den dynamischen Spektrogrammen abzuleiten, die wir durch die Instrumentensuite „Electric and Magnetic Field Instrument Suite“ (EMFISIS) erhielten, welche dann zur Berechnung der Elektronenzahldichte verwendet wird. Der entwickelte „Neural-network-based Upper Hybrid Resonance Determination“ (NURD)-Algorithmus wird auf mehr als vier Jahre der EMFISIS-Messungen angewendet, um den öffentlich verfügbaren Elektronendichte-Datensatz zu erstellen.

Wir verwenden den erhaltenen Elektronendichte-Datensatz, um ein neues globales Modell der Plasmadichte zu entwickeln, indem wir einen auf einem neuronalen Netzwerk basierenden Modellierungsansatz verwenden. Zusätzlich zum Ort nimmt das Modell den zeitlichen Verlauf der geomagnetischen Indizes und des Ortes als Eingabe und erzeugt als Ausgabe die Elektronendichte in der äquatorialebene. Dies wird ausführlich anhand von In-situ-Dichtemessungen der Van Allen Probes-Mission und durch den Vergleich der vom Modell vorhergesagten globalen Entwicklung der Plasmasphäre mit den globalen IMAGE EUV-Bildern der He+ -Verteilung validiert. Das Modell reproduziert erfolgreich die Erosion der Plasmasphäre auf der Nachtseite sowie die Bildung und Entwicklung von Fahnen und stimmt gut mit den Daten überein.

Die Leistung neuronaler Netze hängt stark von der Verfügbarkeit von Trainingsdaten ab, die für Intervalle hoher geomagnetischer Aktivität nur spärlich vorhanden sind. Um zuverlässige Dichtevorhersagen während solcher Intervalle zu liefern, können wir eine physikalische Modellierung verwenden. Wir entwickeln einen neuen Ansatz zur optimalen Kombination der neuronalen Netzwerk- und physikbasierenden Modelle der Plasmasphäre mittels Datenassimilation. Der entwickelte Ansatz nutzt sowohl die Vorteile neuronaler Netze als auch die physikalischen Modellierung und liefert zuverlässige Rekonstruktionen der globalen Plasmadichte für ruhige, gestörte und extreme geomagnetische Bedingungen.

Schließlich erweitern wir die entwickelten auf maschinellem Lernen basierten Werkzeuge und wenden sie auf ein weiteres wichtiges Problem im Bereich des Weltraumwetters an, die Vorhersage des geomagnetischen Index Kp. Der Kp-Index ist einer der am häufigsten verwendeten Indikatoren für Weltraumwetterwarnungen und dient als Eingabe für verschiedene Modelle, z.B. für die Thermosphäre, die Strahlungsgürtel und die Plasmasphäre. Es ist daher wichtig, den Kp-Index genau vorherzusagen. Frühere Arbeiten in diesem Bereich verwendeten hauptsächlich künstliche neuronale Netze, um Kurzzeit-Kp-Vorhersagen zu treffen, wobei deren Schlussfolgerungen auf der jüngsten Vergangenheit von Kp- und Sonnenwindmessungen am L1-Punkt beruhten. Wir analysieren, wie sich die Leistung neuronaler Netze im Vergleich zu anderen Algorithmen für maschinelles Lernen verhält, um kurz- und längerfristige Kp-Voraussagen von bis zu 12 Stunden treffen zu können. Zusätzlich untersuchen wir verschiedene Methoden des maschinellen Lernens und der Informationstheorie zur Auswahl der optimalen Eingaben für ein Vorhersagemodell von Kp. Die entwickelten Werkzeuge zur Merkmalsauswahl können auch auf andere Probleme in der Weltraumphysik angewendet werden, um die Eingabedimensionalität zu reduzieren und die wichtigsten Treiber zu identifizieren.

Die in dieser Dissertation skizzierten Untersuchungen zeigen deutlich, dass Werkzeuge für maschinelles Lernen sowohl zur Entwicklung empirischer Modelle aus spärlichen Daten als auch zum Verstehen zugrunde liegender physikalischer Prozesse genutzt werden können. Die Kombination von maschinellem Lernen, physikbasierter Modellierung und Datenassimilation ermöglicht es uns, kombinierte Methoden zu entwickeln, die von unterschiedlichen Ansätzen profitieren.
KW  - Plasmasphere
KW  - Inner magnetosphere
KW  - Neural networks
KW  - Machine learning
KW  - Modeling
KW  - Kp index
KW  - Geomagnetic activity
KW  - Data assimilation
KW  - Validation
KW  - IMAGE EUV
KW  - Kalman filter
KW  - Plasmasphäre
KW  - Innere Magnetosphäre
KW  - Neuronale Netze
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Modellieren
KW  - Forecasting
KW  - Kp-Index
KW  - Geomagnetische Aktivität
KW  - Datenassimilation
KW  - Validierung
KW  - Kalman Filter
KW  - Prognose
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-482433
ER  -