TY - JOUR A1 - Jordan, Grace A1 - McCarthy, Denis N. A1 - Schlepple, N. A1 - Krissler, Jan A1 - Schroeder, H. A1 - Kofod, Guggi T1 - Actuated micro-optical submount using a dielectric elastomer actuator JF - IEEE ASME transactions on mechatronics N2 - Analysis of the operating characteristics of a dielectric elastomer actuator (DEA) submount for the high-precision positioning of optical components in one dimension is presented. Precise alignment of a single-mode fiber is demonstrated and variation of the sensitivity of the submount motion by changing the bias voltage is confirmed. A comparison of the performance of the DEA submount with a piezoelectric alignment stage is made, which demonstrates that DEAs could present a very attractive, low-cost alternative to currently used manual technologies in overcoming the hurdle of expensive packaging of single-mode optical components. KW - Actuators KW - manufacturing automation KW - optical interconnections KW - packaging KW - position control Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1109/TMECH.2010.2089991 SN - 1083-4435 VL - 16 IS - 1 SP - 98 EP - 102 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - Piscataway ER - TY - JOUR A1 - Rychkov, Dmitry A1 - Kuznetsov, Alexey A1 - Rychkov, Andrey T1 - Electret properties of polyethylene and polytetrafluoroethylene films with chemically modified surface JF - IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation N2 - This paper investigates the effect of chemical surface modification of polytetrafluoroethylene (PTFE) and low density polyethylene (LDPE) films on their electret properties. PTFE films were subjected to wet treatment with three different chemicals: orthophosphoric acid, tetrabutyl titanate and tetraethoxysilane. The technique based on the principles of molecular layer deposition (MLD) method was used to modify the surface of LDPE films with phosphorus trichloride vapors. The surfaces of the films were then corona charged, and the electret charge stability was studied by means of isothermal and thermally stimulated surface potential decay. Both PTFE and LDPE films, after the surface treatment, displayed a considerable enhancement in the charge stability compared to the virgin samples. It is important to note that the enhancement of the charge stability was achieved in the positively charged PTFE films, a result important to practical applications. We attribute this effect of charge stabilization to the formation of new energetically deep traps on the modified surface. Decrease in molecular mobility, due to attachment of new chemical structures to the surface macromolecules, may also contribute to the overall growth of the charge stability. KW - Electrets KW - surface treatment KW - charge stability KW - charge carrier processes KW - polytetrafluoroethylene KW - polyethylene Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1109/TDEI.2011.5704487 SN - 1070-9878 VL - 18 IS - 1 SP - 8 EP - 14 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - Piscataway ER - TY - JOUR A1 - Mellinger, Axel A1 - Mellinger, Olena T1 - Breakdown threshold of dielectric barrier discharges in ferroelectrets where Paschen's law fails JF - IEEE transactions on dielectrics and electrical insulation N2 - The piezoelectric activity of charged cellular foams (so-called ferroelectrets) is compared against simulations based on a multi-layer electromechanical model and Townsend's model of Paschen breakdown, with the distribution of void heights determined from scanning electron micrographs. While the calculated space charge hysteresis curves are in good agreement with experimental data, the onset of piezoelectric activity is observed at significantly higher electric fields than predicted by Paschen's law. One likely explanation is that the commonly accepted Paschen curve for electric breakdown in air poorly describes the critical electric field for dielectric barrier discharges in micrometer-size cavities. KW - Ferroelectrets KW - dielectric barrier discharges KW - piezoelectricity KW - Paschen's law Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1109/TDEI.2011.5704491 SN - 1070-9878 VL - 18 IS - 1 SP - 43 EP - 48 PB - Inst. of Electr. and Electronics Engineers CY - Piscataway ER - TY - JOUR A1 - Fiehler, Katja A1 - Bannert, Michael M. A1 - Bischoff, Matthias A1 - Blecker, Carlo A1 - Stark, Rudolf A1 - Vaitl, Dieter A1 - Franz, Volker H. A1 - Roesler, Frank T1 - Working memory maintenance of grasp-target information in the human posterior parietal cortex JF - NeuroImage : a journal of brain function N2 - Event-related functional magnetic resonance imaging was applied to identify cortical areas involved in maintaining target information in working memory used for an upcoming grasping action. Participants had to grasp with their thumb and index finger of the dominant right hand three-dimensional objects of different size and orientation. Reaching-to-grasp movements were performed without visual feedback either immediately after object presentation or after a variable delay of 2-12 s. The right inferior parietal cortex demonstrated sustained neural activity throughout the delay, which overlapped with activity observed during encoding of the grasp target. Immediate and delayed grasping activated similar motor-related brain areas and showed no differential activity. The results suggest that the right inferior parietal cortex plays an important functional role in working memory maintenance of grasp-related information. Moreover, our findings confirm the assumption that brain areas engaged in maintaining information are also involved in encoding the same information, and thus extend previous findings on working memory function of the posterior parietal cortex in saccadic behavior to reach-to-grasp movements. Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2010.09.080 SN - 1053-8119 VL - 54 IS - 3 SP - 2401 EP - 2411 PB - Elsevier CY - San Diego ER - TY - JOUR A1 - Seiss, Martin A1 - Spahn, Frank T1 - Hydrodynamics of saturn's dense rings JF - Mathematical modelling of natural phenomena N2 - The space missions Voyager and Cassini together with earthbound observations revealed a wealth of structures in Saturn's rings. There are, for example, waves being excited at ring positions which are in orbital resonance with Saturn's moons. Other structures can be assigned to embedded moons like empty gaps, moon induced wakes or S-shaped propeller features. Furthermore, irregular radial structures are observed in the range from 10 meters until kilometers. Here some of these structures will be discussed in the frame of hydrodynamical modeling of Saturn's dense rings. For this purpose we will characterize the physical properties of the ring particle ensemble by mean field quantities and point to the special behavior of the transport coefficients. We show that unperturbed rings can become unstable and how diffusion acts in the rings. Additionally, the alternative streamline formalism is introduced to describe perturbed regions of dense rings with applications to the wake damping and the dispersion relation of the density waves. KW - granular gas KW - instabilities KW - hydrodynamics KW - planetary rings Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1051/mmnp/20116409 SN - 0973-5348 SN - 1760-6101 VL - 6 IS - 4 SP - 191 EP - 218 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - JOUR A1 - Kollosche, Matthias A1 - Stoyanov, Hristiyan A1 - Laflamme, Simon A1 - Kofod, Guggi T1 - Strongly enhanced sensitivity in elastic capacitive strain sensors JF - Journal of materials chemistry N2 - Strain sensors based on dielectric elastomer capacitors function by the direct coupling of mechanical deformations with the capacitance. The coupling can be improved by enhancing the relative permittivity of the dielectric elastomer. Here, this is carried out through the grafting of conducting polymer (poly-aniline) to the elastomer backbone, leading to molecular composites. An enhancement in capacitance response of 46 times is observed. This could help to extend the possible range of miniaturization towards even smaller device features. Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1039/c0jm03786a SN - 0959-9428 VL - 21 IS - 23 SP - 8292 EP - 8294 PB - Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER - TY - JOUR A1 - Sepp, T. A1 - Tempel, E. A1 - Gramann, M. A1 - Nurmi, P. A1 - Haupt, Michael T1 - Studying the patterns of the universe JF - Baltic astronomy N2 - The SDSS galaxy catalog is one of the best databases for galaxy distribution studies. The SDSS DR8 data is used to construct the galaxy cluster catalog. We construct the clusters from the calculated luminosity density field and identify denser regions. Around these peak regions we construct galaxy clusters. Another interesting question in cosmology is how observable galaxy structures are connected to underlying dark matter distribution. To study this we compare the SDSS DR7 galaxy group catalog with galaxy groups obtained from the semi-analytical Millennium N-Body simulation. Specifically, we compare the group richness, virial radius, maximum separation and velocity dispersion distributions and find a relatively good agreement between the mock catalog and observations. This strongly supports the idea, that the dark matter distribution and galaxies in the semi-analytical models and observations are very closely linked. KW - galaxies: groups, clusters KW - cosmology: dark matter, large-scale structure of the Universe Y1 - 2011 SN - 1392-0049 VL - 20 IS - 2 SP - 309 EP - 312 PB - Institute of Theoretical Physics and Astronomy CY - Moletai ER - TY - THES A1 - Krey, Olaf T1 - Zur Rolle der Mathematik in der Physik : Wissenschaftstheoretische Aspekte und Vorstellungen Physiklernender T1 - The role of mathematics in physics : considerations from the philosophy of science and learners' conceptions N2 - Mathematik spielt im Physikunterricht eine nicht unerhebliche Rolle - wenn auch eine zwiespältige. Oft wird sie sogar zum Hindernis beim Lernen von Physik und kann ihr emanzipatorisches Potenzial nicht entfalten. Die vorliegende Arbeit stellt zwei Bausteine für eine begründete Konzeption zum Umgang mit Mathematik beim Lernen von Physik zur Verfügung. Im Theorieteil der Arbeit werden zum Einen wissenschaftstheoretische Aspekte der Rolle der Mathematik in der Physik aufgearbeitet und der physikdidaktischen Forschungsgemeinschaft im Zusammenhang zugänglich gemacht. Zum anderen werden Forschungsergebnisse zu Vorstellungen Lernender über Physik und Mathematik sowie im Bereich der Epistemologie zusammengestellt. Im empirischen Teil der Arbeit werden Vorstellungen zur Rolle der Mathematik in der Physik von Schülerinnen und Schülern der Klassenstufen 10 und 12 sowie Physik-Lehramtstudierenden im Grundstudium mit Hilfe eines Fragebogens erhoben und unter Verwendung inhaltsanalytischer bzw. statistischer Methoden ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen unter Anderem, dass Mathematik im Physikunterricht entgegen gängiger Meinungen bei den Lernenden nicht negativ, aber zumindest bei jüngeren Lernenden formal und algorithmisch konnotiert ist. N2 - Mathematics plays an important, but ambivalent role in the physics classroom. Often mathematics becomes an obstacle in learning physics and cannot reveal its emancipatory potential. This thesis provides two components of a well-grounded conception for handling mathematics in the learning of physics. In the theoretical part of the thesis epistemological aspects of the role of mathematics in physics are being processed and made accessible to the community of physics education researchers. At the same time, research data on learners’ epistemological beliefs about physics and mathematics are compiled. In the empirical part of the thesis a questionnaire was designed to collect data on beliefs about the role of mathematics in physics from pupils of grade 10 and 12 as well as undergraduate physics teacher students. Content-analytical and statistical methods have been applied in the processing of the questionnaires. The results revealed, among others, that mathematics in the physics classroom is not, against common belief, evaluated negatively by learners. Yet, at least younger learners perceive the use of mathematics in physics to be mainly formal and algorithmic. KW - Physik KW - Wissenschaftstheorie KW - Vorstellungen KW - Mathematikdidaktik KW - Physikdidaktik KW - physics KW - philosophy of science KW - conceptions KW - mathematics education KW - science education Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59412 ER - TY - THES A1 - Döring, Sebastian T1 - Oberflächengitter in azobenzenhaltigen Schichten für organische DFB-Laser T1 - Surface relief gratings in azobenzene containing layers for organic DFB lasers N2 - Ein neuentwickeltes azobenzenhaltiges Material, das auf einem supramolekularen Konzept basiert, wird bezüglich seiner Strukturbildung während einer holografischen Belichtung bei 488 nm untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei eindimensionale, sinusförmige Reliefs mit Periodizitäten kleiner 500 nm. Es wird gezeigt, wie der Grad der Vernetzung der photosensitiven Schicht die Strukturbildung in diesem Größenbereich beeinflusst. Zur Maximierung der Strukturtiefe werden gezielt Prozessparameter der Belichtung sowie Materialparameter variiert. Unter Standardbedingungen und moderaten Belichtungsintensitäten von ca. 200 mW/cm² bilden sich innerhalb weniger Minuten bei einer Periode von 400 nm Strukturtiefen von bis zu 80nm aus. Durch die Beeinflussung von Materialparametern, wie Oberflächenspannung und Viskosität, wird die maximale Strukturtiefe auf 160nm verdoppelt. Durch Mehrfachbelichtungen wird auch die Bildung von zweidimensionalen Gittern untersucht. Die Originalstrukturen werden in einem Abformverfahren kopiert und in Schichten von unter UV-Licht aushärtenden Polymeren übertragen. Durch das Abformen kommt es zu einer geringfügigen Verschlechterung der Oberflächenqualität sowie Abnahme der Strukturtiefe. Dieser Verlust wird durch eine Verringerung der Prozesstemperatur verringert. Mithilfe kopierter Oberflächengitter werden organische Distributed Feedback-(DFB)-Laser zweiter Ordnung hergestellt, um den Einfluss von Gitterparametern auf die Emissionseigenschaften dieser Laser zu untersuchen. Dazu erfolgt zunächst die Charakterisierung der optischen Verstärkungseigenschaften ausgewählter organischer Emittermaterialien mittels der Variablen Strichlängenmethode. Das mit dem Laserfarbstoff Pyrromthen567 (PM567) dotierte Polystyrol (PS) zeigt dabei trotz konzentrationsbedingter geringer Absorption eine vergleichsweise geringe Gewinnschwelle von 50µJ/cm² bei ca. 575 nm. Das aktive Gast-Wirt-System der konjugierten Polymere MEH-PPV und F8BT* weist eine hohe Absorption und eine kleine Gewinnschwelle von 2,5 µJ/cm² bei 630 nm auf. Dieses Verhalten spiegelt sich auch in den Emissionseigenschaften der damit hergestellten DFB-Laser wieder. Die Dicke der aktiven Schichten liegen im Bereich hunderter Nanometer und wird so eingestellt, dass sich nur die transversalen Grundmoden im Wellenleiter ausbreiten können. Die Gitterperiode sind so gewählt, dass ein Lichtmode im Verstärkungsbereich des Emittermaterials liegt. Die Emissionslinien der Laser sind mit FWHM-Werten von bis zu 0,3 nm spektral sehr schmalbandig und weisen auf eine sehr gute Gitterqualität hin. Die Untersuchungen liefern minimale Laserschwellen und maximale differentielle Effizienzen von 4,0µJ/cm² und 8,4% für MEH-PPV in F8BT* (bei ca. 640nm) sowie 80 µJ/cm² und 0,9% für PM567 in PS (bei ca. 575 nm). Die Vergrößerung der Strukturtiefe von 40nm auf 80nm in mit MEH-PPV dotierten F8BT*-Lasern zu einem deutlichen Anstieg der ausgekoppelten Energie sowie der differentiellen Effizienz und einem geringen Absinken der Laserschwelle. Dies ist ein Resultat der erhöhten Kopplung von Lasermode und Gitter. Die Emission von DFB-Lasern mit zweidimensionalen Oberflächengittern zeigen eine Verringerung der Divergenz aber kein Einfluss auf die Laserschwelle. Abschließend erfolgt eine Vermessung der Photostabilität von DFB-Lasern unter verschiedenen Bedingungen. Das Einbringen eines konjugierten Polymers in eine aktive Matrix sowie der Betrieb in einer Stickstoffatmosphäre führen dabei zu einer Erhöhung der Lebensdauer auf über eine Million Pulse. Durch die Kombination von Oberflächengittern in PDMS-Filmen mit elektroaktiven Substraten wird eine elektrisch steuerbare Deformation des Beugungsgitters erreicht und auf einen DFB-Laser übertragen. Die spannungsinduzierte Verformung wird zunächst in Beugungsexperimenten charakterisiert und ein optimaler Arbeitspunkt bestimmt. Mit den beiden Elastomeren SEBS12 und VHB4910 werden in den Gittern maximale Periodenänderungen von 1,3% bzw. 3,4% bei einer Steuerspannung von 2 kV erreicht. Der Unterschied resultiert aus den verschiedenen Elastizitätsmoduln der Materialien. Übertragen auf DFB-Laser resultiert eine Variation der Gitterperiode senkrecht zu den Gitterlinien in einer kontinuierlichen Verschiebung der Emissionswellenlänge. Mit einem Spannungssignal von 3,25 kV wird die schmalbandige Emission eines elastischen DFB-Lasers kontinuierlich um fast 50nm von 604 nm zu 557 nm hin verschoben. Aus dem Deformationsverhalten sowohl der reinen Beugungsgitter als auch der Laser werden Rückschlüsse auf die Elastizität der verwendeten Materialien gezogen und erlauben Verbesserungen der Bauteile. N2 - The photoinduced surface relief formation in a newly developed azobenzene containing material is investigated. A photosensitive film based on a supramolecular material concept is illuminated in a holographic setup with light at 488 nm leading to sinusoidal surface structures. It can be shown how the degree of network formation within the material influences structure formation at periods below 500nm. Different material and process parameters are varied to determine maximum possible structure amplitude. At moderate recording conditions and illumination intensities of 200 mW/cm² maximum structure amplitudes of 80 nm are formed within several minutes at periods of approximately 400 nm. Changing material parameters like surface tension and viscosity leads to an increase of maximum amplitude to 160 nm. Additionally, twodimensional structures are fabricated by multiple recording steps. Original surface structures are copied by soft lithography methods into films of UV cured polymers. This replication leads to a decrease of structure contrast and increase of surface roughness. It is shown that structure contrast is preserved by reduction of process temperature. Organic second order distributed feedback (DFB) lasers are prepared with the help of replicated surface gratings covered with organic active layers with thicknesses of several hundred nanometers. The lasers are investigated regarding the influence of grating amplitude on laser threshold and slope efficiency. For this, the optical gain of two green/red emitter materials, polystyrene (PS) doped with laser dye pyrromethene567 (PM567) and active guest host system of conjugated polymers MEH-PPV and F8BT*, is measured. PS doped with PM567 shows relatively low gain threshold of 50 µJ/cm² at 575 nm caused by the low dye concentration while F8BT* doped with MEH-PPV shows threshold gain of 2.5 µJ/cm² at 630 nm. Similar behavior is observed during laser action. Following Bragg-condition grating periods at approximately 400nm lead to laser emission within the gain spectra of the materials. DFB lasers show single mode narrow line emission with FWHMs of down to 0.3nm. This is a result of high grating quality. Lasers based on MEH-PPV-F8BT* exhibit laser thresholds and slope efficiencies of 4.0µJ/cm² and 8.4%, respectively. PM567-PS lasers exhibit 80 µJ/cm² and 0.9%. An increase of grating amplitude of a MEH-PPV-F8BT*-DFB laser from 40nm to 80nm leads to a considerable increase of energy output and a slight decrease of laser threshold. This is a result of an increase of coupling between light mode and grating which relates to an increase of reflectivity. The use of a two dimensional grating leads to a decrease of divergence angle of laser emission but shows no influence on laser threshold. Finally, laser lifetime is observed under different conditions. Doping the conjugated polymer MEH-PPV in an active matrix in combination with the allocation of nitrogen atmosphere leads to an prolongation of half life time to several million pulses. The combination of elastic surface relief gratings with electro active substrates enables electrical controlled deformation of the surface structure. This deformation is characterized by diffraction measurements. At optimal working conditions electro active substrates based on elastomers SEBS12 and VHB4910 show maximum grating deformation of 1.3% und 3.4% at actuation voltages of 2kV, respectively. The different results are caused by the different elastic modulus of the elastomer materials. The transfer of deformation principle to elastic DFB lasers leads to a continuously shift of emission wavelength. At an actuation voltage of 3.25kV an elastic DFB laser based on polyvinylacetate doped with PM567 shows a shift of nearly 50 nm, from 604 nm to 557 nm. Deformation behavior of grating and laser allow to draw conclusions on elasticity of the material and with this is tool for the improvement of the device. KW - Oberflächengitter KW - Azobenzen KW - Holografie KW - DFB-Laser KW - Wellenlängenverschiebung KW - surface relief grating KW - azobenzene KW - holography KW - DFB laser KW - wavelength shift Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59211 ER - TY - THES A1 - Theilmann, Florian T1 - Die Kunst der Untersuchung : Essays zu einem erscheinungsorientierten Physikunterricht T1 - The art of inquiry : essays on phenomenological science teaching N2 - Die vorliegende Arbeit versammelt zwei einleitende Kapitel und zehn Essays, die sich als kritisch-konstruktive Beiträge zu einem "erlebenden Verstehen" (Buck) von Physik lesen lassen. Die traditionelle Anlage von Schulphysik zielt auf eine systematische Darstellung naturwissenschaftlichen Wissens, das dann an ausgewählten Beispielen angewendet wird: Schulexperimente beweisen die Aussagen der Systematik (oder machen sie wenigstens plausibel), ausgewählte Phänomene werden erklärt. In einem solchen Rahmen besteht jedoch leicht die Gefahr, den Bezug zur Lebenswirklichkeit oder den Interessen der Schüler zu verlieren. Diese Problematik ist seit mindestens 90 Jahren bekannt, didaktische Antworten - untersuchendes Lernen, Kontextualisierung, Schülerexperimente etc. - adressieren allerdings eher Symptome als Ursachen. Naturwissenschaft wird dadurch spannend, dass sie ein spezifisch investigatives Weltverhältnis stiftet: man müsste gleichsam nicht Wissen, sondern "Fragen lernen" (und natürlich auch, wie Antworten gefunden werden...). Doch wie kann dergleichen auf dem Niveau von Schulphysik aussehen, was für einen theoretischen Rahmen kann es hier geben? In den gesammelten Arbeiten wird einigen dieser Spuren nachgegangen: Der Absage an das zu modellhafte Denken in der phänomenologischen Optik, der Abgrenzung formal-mathematischen Denkens gegen wirklichkeitsnähere Formen naturwissenschaftlicher Denkbewegungen und Evidenz, dem Potential alternativer Interpretationen von "Physikunterricht", der Frage nach dem "Verstehen" u.a. Dabei werden nicht nur Bezüge zum modernen bildungstheoretischen Paradigma der Kompetenz sichtbar, sondern es wird auch versucht, eine ganze Reihe konkrete (schul-)physikalische Beispiele dafür zu geben, was passiert, wenn nicht schon gewusste Antworten Thema werden, sondern Expeditionen, die sich der physischen Welt widmen: Die Schlüsselbegriffe des Fachs, die Methoden der Datenerhebung und Interpretation, die Such- und Denkbewegungen kommen dabei auf eine Weise zur Sprache, die sich nicht auf die Fachsystematik abstützen möchte, sondern diese motivieren, konturieren und verständlich machen will. N2 - This book is a collection of two introductory chapters and ten essays that address questions concerning "experiential learning" in physics. Traditionally, physics education has been trying to convey a systematic picture of salient scientific knowledge, which would then be applied to selected experiments and phenomena. However, within such a framework, students' real life experiences and interests can hardly be related to. This problem is well known, but typical solutions within science education address merely the methods and conditions of learning, thereby treating symptoms and missing the underlying problem. For our discussion we have chosen a different point of departure: The fascination of science arises from its investigative nature, which allows us to relate to our world in novel ways. Accordingly, we should teach how to inquire nature, rather than giving canonical answers. What would be the practical consequences of such an approach, and what would the theoretical framework look like? These collected essays investigate a number of approaches toward this issue: phenomenological optics and its rejection of kinematic pictures, the distinction between mathematical reasoning and scientific evidence, the potential of non-conventional interpretations of science teaching, the meaning of "understanding" etc. This discussion merges into the current discourse about competence, while illustrating a kind of physics teaching that encourages "expeditions" into the realm of physics. Here, the key concepts, methods of investigation, and ways of reasoning are not simply based on the established edifice of physics, but rather serve to motivate, clarify, and elucidate its structures and practices. KW - Physikdidaktik KW - Phänomenologie KW - Verstehen KW - Unterrichtsvorschläge KW - Wissenschaftstheorie KW - Physics Education KW - Phenomenology KW - Understanding KW - Science Curriculum KW - Philosophy of Science Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-56145 ER -