TY  - THES
A1  - Flores Suárez, Rosaura
T1  - Three-dimensional polarization probing in polymer ferroelectrics, polymer-dispersed liquid crystals, and polymer ferroelectrets
T1  - Dreidimensionale Polarisationsmessung in polymeren Ferroelektrika, polymerdispergierten Flüssigkristallen und polymeren Ferroelektreten
N2  - A key non-destructive technique for analysis, optimization and developing of new functional materials such as sensors, transducers, electro-optical and memory devices is presented. The Thermal-Pulse Tomography (TPT) provides high-resolution three-dimensional images of electric field and polarization distribution in a material. This thermal technique use a pulsed heating by means of focused laser light which is absorbed by opaque electrodes. The diffusion of the heat causes changes in the sample geometry, generating a short-circuit current or change in surface potential, which contains information about the spatial distribution of electric dipoles or space charges. Afterwards, a reconstruction of the internal electric field and polarization distribution in the material is possible via Scale Transformation or Regularization methods. In this way, the TPT was used for the first time to image the inhomogeneous ferroelectric switching in polymer ferroelectric films (candidates to memory devices). The results shows the typical pinning of electric dipoles in the ferroelectric polymer under study and support the previous hypotheses of a ferroelectric reversal at a grain level via nucleation and growth. In order to obtain more information about the impact of the lateral and depth resolution of the thermal techniques, the TPT and its counterpart called Focused Laser Intensity Modulation Method (FLIMM) were implemented in ferroelectric films with grid-shaped electrodes. The results from both techniques, after the data analysis with different regularization and scale methods, are in total agreement. It was also revealed a possible overestimated lateral resolution of the FLIMM and highlights the TPT method as the most efficient and reliable thermal technique. After an improvement in the optics, the Thermal-Pulse Tomography method was implemented in polymer-dispersed liquid crystals (PDLCs) films, which are used in electro-optical applications. The results indicated a possible electrostatic interaction between the COH group in the liquid crystals and the fluorinate atoms of the used ferroelectric matrix. The geometrical parameters of the LC droplets were partially reproduced as they were compared with Scanning Electron Microscopy (SEM) images. For further applications, it is suggested the use of a non-strong-ferroelectric polymer matrix. In an effort to develop new polymerferroelectrets and for optimizing their properties, new multilayer systems were inspected. The results of the TPT method showed the non-uniformity of the internal electric-field distribution in the shaped-macrodipoles and thus suggested the instability of the sample. Further investigation on multilayers ferroelectrets was suggested and the implementation of less conductive polymers layers too.
N2  - In dieser Arbeit wird eine zerstörungsfreie Technik zur Analyse, Optimierung, und Entwicklung neuer funktioneller Materialien für Sensoren, Wandler, Speicher und elektrooptische Anwendungen vorgestellt. Die Wärmepuls-Tomographie (engl. Thermal-Pulse Tomography, TPT) liefert dreidimensionale Abbildungen hoher Auflösung von elektrischen Feldern und Polarisationsverteilungen eines Materials. Bei dieser thermischen Methode wird ein fokussierter, gepulster Laserstrahl durch eine undurchsichtige Oberflächenelektrode absorbiert, welche sich dadurch aufheizt. Die einsetzende Wärmediffusion führt – aufgrund der Wärmeausdehnung des Materials – zu Änderungen der Probengeometrie, welche in pyroelektrischen Materialien einen Kurzschlussstrom oder eine Änderung des Oberflächenpotentials zur Folge hat. Diese wiederum enthalten wichtige Informationen über die räumliche Verteilung elektrischer Dipole und Raumladungen im untersuchten Material. Aus dem gemessenen Kurzsschlussstrom kann anschließend das interne elektrische Feld und die Polarisationsverteilung im Material mittels verschiedener Skalentransformations- und Regularisierungsmethoden rekonstruiert werden. Auf diese Weise ermöglichte die TPT-Methode erstmals die Darstellung inhomogener ferroelektrischer Schaltvorgänge in polymeren ferroelektrischen Filmen, welche mögliche Materialien für die Datenspeicherung sind. Die Ergebnisse zeigen eine typische Haftschicht im ferroelektrischen Polymer und unterstützen die Hypothese einer ferroelektrischen Umpolung auf einer der Korngröße äquivalenten Längenskala über Keimbildung und anschließendes Wachstum. Um die Lateral- und Tiefenauflösung zu untersuchen, wurden sowohl die TPT-Methode als auch die äquivalente Methode in der Zeitdomäne (Focused Laser Intensity Modulation Method, FLIMM) auf ferroelektrischen Filme mit Gitterelektroden angewendet. Die Ergebnisse beider Techniken zeigen nach der Datenauswertung mit unterschiedlichen Regularisierungs- und Scale-Methoden eine vollkommene Übereinstimmung. Des Weiteren stellte sich heraus, dass bisherige Untersuchungen der lateralen Auflösung von FLIMM diese möglicherweise überschätzen. Damit behauptet sich TPT als effiziente und verlässliche thermische Methode. Nach einer Optimierung der Optik wurde die TPT-Methode in polymerdispergierten Flüssigkristallen (polymer-dispersed liquid crystals, PDLC), welche in elektrooptischen Anwendungen von Interesse sind, angewendet. Die Ergebnisse deuten auf eine mögliche elektrostatischeWechselwirkung zwischen den COH-Gruppen des Flüssigkristalls und den Fluoratomen der verwendeten ferroelektrischen Matrix hin. Die durch rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (scanning electron microscopy, SEM) gewonnenen geometrischen Parameter der Flüssigkristalltröpfchen konnten mittels TPT reproduziert werden. Für weitere Anwendungen werden schwach ferroelektrische Polymermatrices vorgeschlagen. Im Bestreben neue polymere Ferroelektrete zu entwickeln und deren Eigenschaften zu optimieren, wurden neuartige Mehrschichtsysteme untersucht. Die Ergebnisse aus der TPT-Methode zeigen eine Abweichung der Uniformität der inneren Verteilung des elektrischen Feldes in den geformten Makrodipolen, was auf eine Instabilität der Probe hindeutet. Ebenfalls wurden weitere Untersuchungen an Mehrschicht-Ferroelektreten und die Anwendung von halbleitenden Polymerschichten vorgeschlagen.
KW  - Ferroelektrik
KW  - Ferroelektrete
KW  - Wärmepuls-Tomographie
KW  - Polarisationsverteilung
KW  - Flüssigkristalle
KW  - Polarization distribution
KW  - Ferroelectrics
KW  - PDLC
KW  - Ferroelectrets
KW  - Thermal-Pulse Tomography
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-60173
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fang, Peng
T1  - Preparation and investigation of polymer-foam films and polymer-layer systems for ferroelectrets
T1  - Präparation und Untersuchung von Polymerschaumfolien und Polymerschichtsystemen für Ferroelektrete
N2  - Piezoelectric materials are very useful for applications in sensors and actuators. In addition to traditional ferroelectric ceramics and ferroelectric polymers, ferroelectrets have recently become a new group of piezoelectrics. Ferroelectrets are functional polymer systems for electromechanical transduction, with elastically heterogeneous cellular structures and internal quasi-permanent dipole moments. The piezoelectricity of ferroelectrets stems from linear changes of the dipole moments in response to external mechanical or electrical stress. Over the past two decades, polypropylene (PP) foams have been investigated with the aim of ferroelectret applications, and some products are already on the market. PP-foam ferroelectrets may exhibit piezoelectric d33 coefficients of 600 pC/N and more. Their operating temperature can, however, not be much higher than 60 °C. Recently developed polyethylene-terephthalate (PET) and cyclo-olefin copolymer (COC) foam ferroelectrets show slightly better d33 thermal stabilities, but usually at the price of smaller d33 values. Therefore, the main aim of this work is the development of new thermally stable ferroelectrets with appreciable piezoelectricity. Physical foaming is a promising technique for generating polymer foams from solid films without any pollution or impurity. Supercritical carbon dioxide (CO2) or nitrogen (N2) are usually employed as foaming agents due to their good solubility in several polymers. Polyethylene propylene (PEN) is a polyester with slightly better properties than PET. A “voiding + inflation + stretching” process has been specifically developed to prepare PEN foams. Solid PEN films are saturated with supercritical CO2 at high pressure and then thermally voided at high temperatures. Controlled inflation (Gas-Diffusion Expansion or GDE) is applied in order to adjust the void dimensions. Additional biaxial stretching decreases the void heights, since it is known lens-shaped voids lead to lower elastic moduli and therefore also to stronger piezoelectricity. Both, contact and corona charging are suitable for the electric charging of PEN foams. The light emission from the dielectric-barrier discharges (DBDs) can be clearly observed. Corona charging in a gas of high dielectric strength such as sulfur hexafluoride (SF6) results in higher gas-breakdown strength in the voids and therefore increases the piezoelectricity. PEN foams can exhibit piezoelectric d33 coefficients as high as 500 pC/N. Dielectric-resonance spectra show elastic moduli c33 of 1 − 12 MPa, anti-resonance frequencies of 0.2 − 0.8 MHz, and electromechanical coupling factors of 0.016 − 0.069. As expected, it is found that PEN foams show better thermal stability than PP and PET. Samples charged at room temperature can be utilized up to 80 − 100 °C. Annealing after charging or charging at elevated temperatures may improve thermal stabilities. Samples charged at suitable elevated temperatures show working temperatures as high as 110 − 120 °C. Acoustic measurements at frequencies of 2 Hz − 20 kHz show that PEN foams can be well applied in this frequency range. Fluorinated ethylene-propylene (FEP) copolymers are fluoropolymers with very good physical, chemical and electrical properties. The charge-storage ability of solid FEP films can be significantly improved by adding boron nitride (BN) filler particles. FEP foams are prepared by means of a one-step procedure consisting of CO2 saturation and subsequent in-situ high-temperature voiding. Piezoelectric d33 coefficients up to 40 pC/N are measured on such FEP foams. Mechanical fatigue tests show that the as-prepared PEN and FEP foams are mechanically stable for long periods of time. Although polymer-foam ferroelectrets have a high application potential, their piezoelectric properties strongly depend on the cellular morphology, i.e. on size, shape, and distribution of the voids. On the other hand, controlled preparation of optimized cellular structures is still a technical challenge. Consequently, new ferroelectrets based on polymer-layer system (sandwiches) have been prepared from FEP. By sandwiching an FEP mesh between two solid FEP films and fusing the polymer system with a laser beam, a well-designed uniform macroscopic cellular structure can be formed. Dielectric resonance spectroscopy reveals piezoelectric d33 coefficients as high as 350 pC/N, elastic moduli of about 0.3 MPa, anti-resonance frequencies of about 30 kHz, and electromechanical coupling factors of about 0.05. Samples charged at elevated temperatures show better thermal stabilities than those charged at room temperature, and the higher the charging temperature, the better is the stability. After proper charging at 140 °C, the working temperatures can be as high as 110 − 120 °C. Acoustic measurements at frequencies of 200 Hz − 20 kHz indicate that the FEP layer systems are suitable for applications at least in this range.
N2  - Piezoelektrische Materialien haben große technische und wirtschaftliche Bedeutung für Anwendungen in Sensoren und Aktuatoren. Neben den traditionellen ferroelektrischen Keramiken und Polymeren bilden Ferroelektrete eine neue Gruppe der Piezoelektrika. Ferroelektrete sind reversible funktionelle Polymersysteme zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt. Sie zeichnen sich aus durch eine elastische zelluläre Struktur mit internen quasi-permanenten Dipolen. Der Mechanismus der Piezoelektrizität in Ferroelektreten wird dominiert von der Änderung der einzelnen Dipolmomente bei Einwirkung einer äußeren mechanischen Kraft. Insbesondere zelluläres Polypropylene (PP) war in den vergangenen zwei Jahrzehnten Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung im Hinblick auf die grundlegenden Eigenschaften und Anwendungen von Ferroelektreten. Einige bereits erhältliche kommerzielle Produkte nutzen die in geladenem zellulären PP erreichbaren hohen piezoelektrischen d33-Koeffizienten von 600 pC/N und mehr, sind aber durch eine relativ geringe maximale Betriebstemperatur von ungefähr 60 °C eingeschränkt. Die kürzlich entwickelten Ferroelektrete aus zellulärem Polyethylenterephthalat (PET) und zellulären Cyclo-Olefin-Copolymeren (COC) zeigen eine bessere Temperaturbeständigkeit (vor allem COC), allerdings gewöhlich auf Kosten von geringeren d33-Koeffizienten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, temperaturbeständige Ferroelektrete mit für den Markt geeigneten piezoelektrischen Eigenschaften zu entwickeln. Physikalisches Schäumen ist eine beliebte Methode, um besonders reine Polymerschäume herzustellen. Häufig werden, wegen ihrer guten Löslichkeit in vielen Polymeren, Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickstoff (N2) im superkritischen Zustand als Treibmittel eingesetzt. Der Polyester Polyethylennaphtalat (PEN) hat ähnliche Eigenschaften wie PET, ist jedoch temperaturbeständiger. Ein Dreistufenprozess (Schäumen, Aufblähen und Strecken) wurde entwickelt, um PEN-Schäume für hochwertige Ferroelektrete herzustellen. Ungeschäumte PEN-Folien werden mit superkritischem CO2 unter hohem Druck gesättigt und anschließend unter geringem Druck bei Temperaturen nahe der Glastemperatur geschäumt. Um die Hohlräume zu vergrößern, wird der Schaum anschließend mittels Gasdiffusionsexpansion (GDE) aufgebläht. Nach zusätzlichem biaxialen Verstrecken erhält man die optimalen linsenförmigen Zellen, welche zu einer minimalen mechanischen Steifigkeit und einem maximalen piezoelektrischen d33-Koeffizienten des Ferroelektrets führen. Sowohl Korona- als auch Kontaktaufladung werden an zellulärem PEN erfolgreich eingesetzt. Die Lichtemission der dielektrisch behinderten Entladungen (DBDs) kann klar beobachtet werden. Korona-Aufladung in Gasen mit hohen dielektrischen Durchbruchsfestigkeiten, wie z.B. Schwefelhexafluorid (SF6), ermöglicht es, das Paschen-Durchbruchsfeld in den Hohlräumen und damit die erzielbare interne Ladungsdichte zu erhöhen. Dadurch können für zelluläres PEN piezoelektrische d33-Koeffizienten bis zu 500 pC/N erzielt werden. Piezoelektrischen Resonanzmessungen der Ferroelektrete liefern Steifigkeiten c33 im Bereich von 1 – 12 MPa, Antiresonanzfrequenzen von 0.2 – 0.8 MHz und elektromechanische Kopplungsfaktoren zwischen 0.016 und 0.069. PEN-Ferroelektrete zeigen eine bessere Temperaturstabilität als solche aus PP und PET. Der Anwendungsbereich von unbehandeltem PEN reicht bis etwa 80 – 100°C, jener von getemperten oder bei 120°C geladenen Proben bis etwa 110 – 120 °C. Akustische Messungen im Frequenzbereich von 2 Hz – 20 kHz zeigen die Eignung von PEN-Ferroelektretwandlern für Luftschallanwendungen. Fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP) ist ein Fluorpolymer mit sehr guten physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften. Die Ladungsspeichereigenschaften von ungeschäumtem FEP können durch die Beimengung von Bornitrid deutlich verbessert werden. In dieser Arbeit wird zelluläres FEP mittels eines einstufigen Prozesses, dem schon erwähnten Schäumen mit überkritischem CO2, hergestellt. Die geladenen FEP-Proben weisen d33-Koeffizienten von bis zu 40 pC/N auf. Ermüdungstests zeigen eine sehr gute mechanische Stabilität von PEN- und FEP-Ferroelektreten. Zelluläre Polymerferroelektrete haben großes Potenzial für Anwendungen, und die Suche nach geeigneten zellulären Morphologien ist eng verknüpft mit dem technischen Aufwand ihrer Herstellung. Alternativ wurden Ferroelektrete mit Sandwich-Strukturen aus FEP-Folien entwickelt. Durch Laserverschmelzen eines FEP-Foliengitters mit zwei umgebenden FEP-Folien wird eine definierte, einheitliche zelluläre Struktur gebildet. Aus dielektrischen Resonanzspektren können effektive piezoelektrische d33-Koeffizienten bis zu 350 pC/N, effektive mechanische Steifigkeiten um 0.3 MPa, Antiresonanzfrequenzen um 30 kHz und elektromechanische Kopplungsfaktoren von etwa 0.05 abgeleitet werden. Proben, welche bei erhöhter Temperatur geladen werden, zeigen höhere Ladungsstabilitäten. Nach geeigneter Aufladung bei 140 °C kann die Arbeitstemperatur bis auf 110 – 120 °C gesteigert werden. Akustische Messungen im Frequenzbereich von 2 Hz – 20 kHz zeigen die Eignung von FEP-Sandwich-Strukturen für Luftschallanwendungen.
KW  - Elektroaktive Materialien
KW  - Ferroelektret
KW  - Piezoelektrizität
KW  - Polymerschaum
KW  - Polymerfilm
KW  - Electroactive material
KW  - ferroelectret
KW  - piezoelectricity
KW  - polymer foam
KW  - polymer film
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-48412
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TY  - THES
A1  - Stoyanov, Hristiyan
T1  - Soft nanocomposites with enhanced electromechanical response for dielectric elastomer actuators
T1  - Elastomer-Nanokomposite mit erhöhter elektro-mechanischer Sensitivität für dielektrische Elastomer Aktoren
N2  - Electromechanical transducers based on elastomer capacitors are presently considered for many soft actuation applications, due to their large reversible deformation in response to electric field induced electrostatic pressure. The high operating voltage of such devices is currently a large drawback, hindering their use in applications such as biomedical devices and biomimetic robots, however, they could be improved with a careful design of their material properties. The main targets for improving their properties are increasing the relative permittivity of the active material, while maintaining high electric breakdown strength and low stiffness, which would lead to enhanced electrostatic storage ability and hence, reduced operating voltage. Improvement of the functional properties is possible through the use of nanocomposites. These exploit the high surface-to-volume ratio of the nanoscale filler, resulting in large effects on macroscale properties. This thesis explores several strategies for nanomaterials design. The resulting nanocomposites are fully characterized with respect to their electrical and mechanical properties, by use of dielectric spectroscopy, tensile mechanical analysis, and electric breakdown tests. First, nanocomposites consisting of high permittivity rutile TiO2 nanoparticles dispersed in thermoplastic block copolymer SEBS (poly-styrene-coethylene-co-butylene-co-styrene) are shown to exhibit permittivity increases of up to 3.7 times, leading to 5.6 times improvement in electrostatic energy density, but with a trade-off in mechanical properties (an 8-fold increase in stiffness). The variation in both electrical and mechanical properties still allows for electromechanical improvement, such that a 27 % reduction of the electric field is found compared to the pure elastomer. Second, it is shown that the use of nanofiller conductive particles (carbon black (CB)) can lead to a strong increase of relative permittivity through percolation, however, with detrimental side effects. These are due to localized enhancement of the electric field within the composite, which leads to sharp reductions in electric field strength. Hence, the increase in permittivity does not make up for the reduction in breakdown strength in relation to stored electrical energy, which may prohibit their practical use. Third, a completely new approach for increasing the relative permittivity and electrostatic energy density of a polymer based on 'molecular composites' is presented, relying on chemically grafting soft π-conjugated macromolecules to a flexible elastomer backbone. Polarization caused by charge displacement along the conjugated backbone is found to induce a large and controlled permittivity enhancement (470 % over the elastomer matrix), while chemical bonding, encapsulates the PANI chains manifesting in hardly any reduction in electric breakdown strength, and hence resulting in a large increase in stored electrostatic energy. This is shown to lead to an improvement in the sensitivity of the measured electromechanical response (83 % reduction of the driving electric field) as well as in the maximum actuation strain (250 %). These results represent a large step forward in the understanding of the strategies which can be employed to obtain high permittivity polymer materials with practical use for electro-elastomer actuation.
N2  - Die Palette von elektro-mechanischen Aktuatoren, basierend auf dem Prinzip weicher dehnbarer Kondensatoren, scheint besonders für Anwendungen in der Medizin und für biomimetische Applikationen unbegrenzt. Diese Wandler zeichnen sich sowohl durch hohe Reversibilität bei großer mechanischer Deformation als auch durch ihre Flexibilität aus, wobei die mechanischen Deformationen durch elektrische Felder induziert werden. Die Notwendigkeit von hoher elektrischer Spannung zur Erzeugung dieser mechanischen Deformationen verzögert jedoch die technisch einfache und breite Markteinführung dieser Technologie. Diesem Problem kann durch eine gezielte Materialmodifikation begegnet werden. Eine Modifikation hat das Ziel, die relative Permittivität zu erhöhen, wobei die Flexibilität und die hohe elektrische Durchbruchsfeldstärke beibehalten werden sollten. Durch eine Materialmodifikation kann die Energiedichte des Materials bedeutend erhöht und somit die notwendige Betriebsspannung des Aktuators herabgesetzt werden. Eine Verbesserung der funktionalen Materialeigenschaften kann durch die Verwendung von Nanokompositen erzielt werden, welche die fundamentalen Eigenschaften der Nanopartikel, d.h. ein gutes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen nutzen, um eine gezielte makroskopische Materialmodifikation zu bewirken. Diese Arbeit behandelt die Anwendung innovativer Strategien für die Erzeugung von Nanomaterialien mit hoher Permittivität. Die so erzeugten Materialien und deren relevante Aktuatorkenngrößen werden durch elektrische und mechanische Experimente vollständig erfasst. Mittels der klassischen Mischansätze zur Erzeugung von Kompositmaterialen mit hoher Permittivität konnte durch nichtleitendes Titaniumdioxid TiO2 (Rutile) in einem Thermoplastischen-Block-Co-Polymer SEBS (poly-styrene-co-ethylene-cobutylene-co-styrene) die Permittivität bereits um 370 % erhöht und die elektrische Energiedichte um 570 % gesteigert werden. Diese Veränderungen führten jedoch zu einem signifikanten Anstieg der Steifigkeit des Materials. Aufgrund der positiven Rückkopplung von elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Kompositmaterials ermöglicht bereits dieser einfache Ansatz eine Verbesserung der Aktuation, bei einer 27 %-igen Reduktion der Aktuatorbetriebsspannung. Eine direkte Verwendung von leitfähigen Nanopartikeln kann ebenso zu einem Anstieg der relativen Permittivität beitragen, wobei jedoch die Leitfähigkeit dieser Nanopartikel bedeutende Wechselwirkungen verursacht, welche somit die Energiedichte des Materials negativ beeinflusst und die praktische Verwendung dieses Kompositsystems ausschließt. Als ein völlig neuer Ansatz zur Steigerung der relativen Permittivität und Energiedichte und abweichend vom klassischen Mischverfahren, wird die Herstellung eines "Molekularen Komposits", basierend auf einem chemischen Propfverfahren, präsentiert. In diesem Ansatz wird ein π-konjugiertes leitfähiges Polymer (PANI) an die Hauptkette des Elastomers der Polymermatrix gebunden. Die daraus resultierende Ladungsverteilung entlang der Elastomerhauptkette bewirkt eine 470 %-ige Steigerung der Permittivität des "Molekularen Komposits" im Vergleich zur Permittivität des unbehandelten Elastomermaterials. Aufgrund der Verkapselung der chemischen Bindungen der PANI-Kette entstehen kaum negative Rückwirkungen auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des so erzeugten Komposits. Diese Materialeigenschaften resultieren in einem signifikanten Anstieg der Energiedichte des Materials. Das mittels dieses Verfahrens erzeugte Komposit zeigt sowohl eine Steigerung der Sensitivität der elektromechanischen Antwort (Reduktion des elektrischen Felds um 83 %) als auch eine bedeutende Steigerung der maximalen Aktuation (250 %). Die Ergebnisse und Ideen dieser Arbeit stellen einen wesentlichen Sprung im Verständnis zur Permittivitätssteigerung in Polymermaterialien dar und werden deshalb in der Erforschung und Entwicklung von Elastomeraktuatoren Beachtung finden.
KW  - dielektrische Elastomere
KW  - Nanokomposite
KW  - hohe Permittivität
KW  - elektrostatische Energiedichte
KW  - elektromechanische Reaktion
KW  - dielectric elastomers
KW  - nanocomposites
KW  - high permittivity
KW  - electrostatic energy density
KW  - electromechanical response
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-51194
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TY  - THES
A1  - Camacho González, Francisco
T1  - Charge-Storage mechanisms in polymer electrets
T1  - Ladungsspeicherung Mechanismen in Polymerelektreten
N2  - In view of the importance of charge storage in polymer electrets for electromechanical transducer applications, the aim of this work is to contribute to the understanding of the charge-retention mechanisms. Furthermore, we will try to explain how the long-term storage of charge carriers in polymeric electrets works and to identify the probable trap sites. Charge trapping and de-trapping processes were investigated in order to obtain evidence of the trap sites in polymeric electrets. The charge de-trapping behavior of two particular polymer electrets was studied by means of thermal and optical techniques. In order to obtain evidence of trapping or de-trapping, charge and dipole profiles in the thickness direction were also monitored.  In this work, the study was performed on polyethylene terephthalate (PETP) and on cyclic-olefin copolymers (COCs). PETP is a photo-electret and contains a net dipole moment that is located in the carbonyl group (C = O). The electret behavior of PETP arises from both the dipole orientation and the charge storage. In contrast to PETP, COCs are not photo-electrets and do not exhibit a net dipole moment. The electret behavior of COCs arises from the storage of charges only.  COC samples were doped with dyes in order to probe their internal electric field. COCs show shallow charge traps at 0.6 and 0.11 eV, characteristic for thermally activated processes. In addition, deep charge traps are present at 4 eV, characteristic for optically stimulated processes.  PETP films exhibit a photo-current transient with a maximum that depends on the temperature with an activation energy of 0.106 eV. The pair thermalization length (rc) calculated from this activation energy for the photo-carrier generation in PETP was estimated to be approx. 4.5 nm. The generated photo-charge carriers can recombine, interact with the trapped charge, escape through the electrodes or occupy an empty trap.  PETP possesses a small quasi-static pyroelectric coefficient (QPC): ~0.6 nC/(m²K) for unpoled samples, ~60 nC/(m²K) for poled samples and ~60 nC/(m²K) for unpoled samples under an electric bias (E ~10 V/µm). When stored charges generate an internal electric field of approx. 10 V/µm, they are able to induce a QPC comparable to that of the oriented dipoles. Moreover, we observe charge-dipole interaction. Since the raw data of the QPC-experiments on PETP samples is noisy, a numerical Fourier-filtering procedure was applied. Simulations show that the data analysis is reliable when the noise level is up to 3 times larger than the calculated pyroelectric current for the QPC.  PETP films revealed shallow traps at approx. 0.36 eV during thermally-stimulated current measurements. These energy traps are associated with molecular dipole relaxations (C = O). On the other hand, photo-activated measurements yield deep charge traps at 4.1 and 5.2 eV. The observed wavelengths belong to the transitions in PETP that are analogous to the π - π* benzene transitions. The observed charge de-trapping selectivity in the photocharge decay indicates that the charge detrapping is from a direct photon-charge interaction. Additionally, the charge de-trapping can be facilitated by photo-exciton generation and the interaction of the photo-excitons with trapped charge carriers. These results indicate that the benzene rings (C6H4) and the dipolar groups (C = O) can stabilize and share an extra charge carrier in a chemical resonance. In this way, this charge could be de-trapped in connection with the photo-transitions of the benzene ring and with the dipole relaxations.  The thermally-activated charge release shows a difference in the trap depth to its optical counterpart. This difference indicates that the trap levels depend on the de-trapping process and on the chemical nature of the trap site. That is, the processes of charge detrapping from shallow traps are related to secondary forces. The processes of charge de-trapping from deep traps are related to primary forces. Furthermore, the presence of deep trap levels causes the stability of the charge for long periods of time.
N2  - Angesichts der Bedeutung der Ladungsspeicherung in Polymerelektreten für viele Anwendungen, wie z.B. in elektromechanischen Wandler, ist es das Ziel dieser Arbeit, zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der kurz- und langfristigen Ladungsstabilisierung beizutragen sowie mögliche Haftstellen zu identifizieren. Ladungs- und Entladungsprozesse in Elektreten geben Hinweise auf Ladungshaftstellen. Diese Prozesse wurden mit thermischen und optischen Methoden bei gleichzeitiger Messung von Ladungs- und Polarisationprofilen untersucht. Die experimentellen Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wurden an Polyethylenterephthalat (PETP) und an Cyclischen-Olefin Copolymeren (COC) durchgeführt.  PETP ist ein Photoelektret und weist in der Carbonylgruppe (C = O) ein Dipolmoment auf. Die Elektreteigenschaften ergeben sich sowohl aus der Orientierungspolarisation als auch aus der Ladungsspeicherung. Im Gegensatz zu PETP ist COC kein Photoelektret und zeigt auch keine Orientierungspolarisation. Deshalb folgen die Elektreteigenschaften des COC ausschließlich aus der Ladungsspeicherung. Die COC-Proben wurden mit Farbstoffen dotiert, um das innere elektrische Feld zu untersuchen. Diese Systeme zeigen flache Ladungshaftstellen bei 0,6 und 0,11 eV, die durch thermisch stimulierte Prozesse entladen werden sowie tiefe Haftstellen bei 4 eV, die optisch stimuliert werden können.  PETP-Filme zeigen einen transienten Photostrom mit einem Maximalwert ( jp), der von der Temperatur mit einer Aktivierungsenergie von 0,106 eV abhängt. Der thermische Paarabstand (rc) kann für die Photoladungsgeneration in PETP auf ca. 4,5 nm abgeschätzt werden. Die Photoladungsträger können rekombinieren, mit den gespeicherten Ladungen interagieren, über die Elektroden entkommen oder eine leere Haftstelle einnehmen.  PETP zeigt einen kleinen quasi-statischen pyroelektrischen Koeffizienten (QPC) von ca. 0,6 nC/(m²K) für nicht polarisierte Proben, ca. 60 nC/(m²K) für polarisierte Proben und ca. 60 nC/(m²K) für nicht polarisierte Proben mit Vorspannung (E ~10 V/µm). Wenn die gespeicherten Ladungen ein internes elektrisches Feld von ca. 10 V/µm generieren können, sind sie in der Lage, einen QPC herbeizuführen, der vergleichbar mit dem von orientierten Dipolen ist. Es ist außerdem möglich, eine Ladungs-Dipol-Wechselwirkung zu beobachten. Da die QPM-Daten von PETP auf Grund des geringen Signals verrauscht sind, wurde ein numerisches Fourier-Filterverfahren angewandt. Simulationen zeigen, dass eine zuverlässige Datenanalyse noch bei einem Signal möglich ist, dessen Rauschen bis zu 3-mal größer ist als der berechnete pyroelektrische Strom.  Messungen der thermisch stimulierten Entladung von PETP-Filmen ergaben flache Haftstellen bei ca. 0,36 eV, welche mit der Dipolrelaxation der Carbonylgruppe (C = O) assoziiert sind. Messungen der photostimulierten Entladung ergaben tiefe Haftstellen bei 4,1 und 5,2 eV. Die beobachteten Wellenlängen entsprechen Übergängen in PETP analog den π - π* Übergängen in Benzol. Die beobachtete Selektivität bei der photostimulierten Entladung lässt auf eine direkte Wechselwirkung von Photonen und Ladungen schließen. Einen zusätzlichen Einfluß auf die Entladung hat die Erzeugung von Photo-Exzitonen und deren Wechselwirkung mit den gespeicherten Ladungsträgern. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Phenylringe (C6H4) und die Dipolgruppen (C = O) eine zusätzliche Ladung in einer chemischen Resonanz stabilisieren und miteinander teilen können. Daher kann die gebundene Ladung auch durch einen Photoübergang im Benzolring oder durch eine Dipolrelaxation freigesetzt werden.  Die mittels thermisch stimulierter Entladung bestimmte Tiefe der Haftstellen unterscheidet sich deutlich von den mittels photostimulierter Entladung gemessenen Werten. Flachere Haftstellen werden bei der thermisch stimulierten Entladung gefunden und können sekundären Kräften zugeordnet werden. Die tieferen Haftstellen sind chemischer Natur und können primären Kräften zugeordnet werden. Letztere sind für die Langzeitstabilität der Ladung in Polymerelektreten verantwortlich.
KW  - Charge-Storage
KW  - polymer-electret
KW  - photo-stimulated discharge
KW  - polyethylene terephthalate
KW  - cyclic-olefin copolymer
KW  - charge-dipole interaction
KW  - thermo-stimulated discharge
KW  - thermo-luminescence
KW  - trap-depth
KW  - charge profiling
KW  - charge storage
KW  - charge trap
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-8756
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TY  - THES
A1  - Kappel, Marcel
T1  - Scattering effects in the sound wave propagation of instrument soundboards
T1  - Schall-Streueffekte in Resonanzböden von Musikinstrumenten
N2  - In the western hemisphere, the piano is one of the most important instruments. While its evolution lasted for more than three centuries, and the most important physical aspects have already been investigated, some parts in the characterization of the piano remain not well understood. Considering the pivotal piano soundboard, the effect of ribs mounted on the board exerted on the sound radiation and propagation in particular, is mostly neglected in the literature. The present investigation deals exactly with the sound wave propagation effects that emerge in the presence of an array of equally-distant mounted ribs at a soundboard. Solid-state theory proposes particular eigenmodes and -frequencies for such arrangements, which are comparable to single units in a crystal. Following this 'linear chain model' (LCM), differences in the frequency spectrum are observable as a distinct band structure. Also, the amplitudes of the modes are changed, due to differences of the damping factor. These scattering effects were not only investigated for a well-understood conceptional rectangular soundboard (multichord), but also for a genuine piano resonance board manufactured by the piano maker company 'C. Bechstein Pianofortefabrik'. To obtain the possibility to distinguish between the characterizing spectra both with and without mounted ribs, the typical assembly plan for the Bechstein instrument was specially customized. Spectral similarities and differences between both boards are found in terms of damping and tone. Furthermore, specially prepared minimal-invasive piezoelectric polymer sensors made from polyvinylidene fluoride (PVDF) were used to record solid-state vibrations of the investigated system. The essential calibration and characterization of these polymer sensors was performed by determining the electromechanical conversion, which is represented by the piezoelectric coefficient. Therefore, the robust 'sinusoidally varying external force' method was applied, where a dynamic force perpendicular to the sensor's surface, generates movable charge carriers. Crucial parameters were monitored, with the frequency response function as the most important one for acousticians. Along with conventional condenser microphones, the sound was measured as solid-state vibration as well as airborne wave. On this basis, statements can be made about emergence, propagation, and also the overall radiation of the generated modes of the vibrating system. Ultimately, these results acoustically characterize the entire system.
N2  - Betrachtet man den westlichen Kulturkreis, ist der Flügel bzw. das Klavier wohl eines der bedeutendsten Instrumente. Trotz einer stetigen, empirischen Weiterentwicklung dieses Instrumentes in den letzten drei Jahrhunderten und des Wissens um die wichtigsten physikalischen Effekte, sind viele Teile der Charakterisierung des Klaviers (sowohl akustisch als auch physikalisch) immer noch nicht vollständig verstanden. Nehmen wir nur den Resonanzboden - das entscheidende Bauteil für die Akustik eines Klaviers - und betrachten die Auswirkung, den die Berippung auf die Schallausbreitung des Instruments hat. Bis auf wenige Ausnahmen wird dieser Struktur-Aspekt in der Literatur weitestgehend übergangen. Die vorliegende Arbeit untersucht genau diese Ausbreitungscharakteristiken und Streueffekte, welche dadurch entstehen, dass Rippen, die denselben Abstand zueinander haben, auf dem Resonanzboden angebracht werden. Die Festkörperphysik stellt ein einfaches Modell über die Eigenfrequenzen für solche Anordnungen bereit. Dafür werden die Rippen und deren Abstände wie Einheitszellen eines Kristalls betrachtet. Ausgehend vom sogenannten 'Modell der linearen Ketten', werden gemessene Frequenzbänder im Spektrum erklärbar. Zusätzlich ändern sich auch die spektralen Amplituden des Resonanzbodens durch das Anbringen der Rippen. Diese Streueffekte wurden nicht nur an einem konzeptionellen rechteckigen Resonanzboden untersucht, sondern auch an einem originalen Klavier-Resonanzboden, welcher von dem Klavierbauer 'C. Bechstein Pianofortefabrik' hergestellt wurde und auch später in einem fertigen Klavier zum Einsatz kommen wird. Der traditionelle Zusammenbau des Klaviers wurde speziell für diese Untersuchung abgeändert, um die Möglichkeit zu haben, die Berippung des Resonanzbodens spektral zu charakterisieren. Alle gefundenen Eigenschaften des konzeptionellen und des originalen Bodens wurden verglichen. Für die Dämpfung und für die Brillianz des Tons wurden Übereinstimmungen, aber auch Unterschiede gefunden. Ein großer Teil dieser Untersuchung erforderte den Einsatz von speziell angefertigten piezoelektrischen Polymer-Beschleunigungsaufnehmern aus Polyvinylidenfluorid. Direkt fest eingeklebt im Instrument, wurden diese eingesetzt, um die Körperschwingungen des vibrierenden Systems aufzunehmen. Die essentielle Kalibrierung und Charakterisierung dieser Sensoren wurde durchgeführt, indem die elektromechanische Umwandlung bestimmt wurde, die durch den piezoelektrischen Koeffizienten gegeben ist. Durch eine sinusförmig variierende, externe Kraft und die dadurch entstehenden Ladungsträger an den Oberflächen des Sensormaterials kann dieser Koeffizient sehr genau bestimmt werden. In Abhängigkeit entscheidender physikalischer Größen, z.B. der Frequenz-Antwort-Funktion, wurde das Verhalten des piezoelektrischen Koeffizienten untersucht. Die erzeugten Vibrationen als Körperschall (aufgenommen durch die Piezopolymere) und als Luftschallwelle (aufgenommen durch konventionelle Kondensator-Mikrophone) wurden simultan gemessen und dann untersucht. Daraus kann man Aussagen über Entstehung, Ausbreitung und Abstrahlung der erzeugten Moden in das umgebende Medium ableiten. Letztlich charakterisieren diese Ergebnisse das gesamte vibrierende System akustisch.
KW  - Musikinstrumente
KW  - piezoelektrische Sensoren
KW  - Streuung von Schallwellen
KW  - music instruments
KW  - piezoelectric sensors
KW  - wave scattering
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62676
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ganesan, Lakshmi Meena
T1  - Coupling of the electrical, mechanical and optical response in polymer/liquid-crystal composites
T1  - Kopplung von elektrischen, mechanischen und optischen Effekten in einem Polymer/Flüssigkristall-Komposit
N2  - Micrometer-sized liquid-crystal (LC) droplets embedded in a polymer matrix may enable optical switching in the composite film through the alignment of the LC director along an external electric field. When a ferroelectric material is used as host polymer, the electric field generated by the piezoelectric effect can orient the director of the LC under an applied mechanical stress, making these materials interesting candidates for piezo-optical devices. In this work, polymer-dispersed liquid crystals (PDLCs) are prepared from poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) and a nematic liquid crystal (LC). The anchoring effect is studied by means of dielectric relaxation spectroscopy. Two dispersion regions are observed in the dielectric spectra of the pure P(VDF-TrFE) film. They are related to the glass transition and to a charge-carrier relaxation, respectively. In PDLC films containing 10 and 60 wt% LC, an additional, bias-field-dependent relaxation peak is found that can be attributed to the motion of LC molecules. Due to the anchoring effect of the LC molecules, this relaxation process is slowed down considerably, when compared with the related process in the pure LC. The electro-optical and piezo-optical behavior of PDLC films containing 10 and 60 wt% LCs is investigated. In addition to the refractive-index mismatch between the polymer matrix and the LC molecules, the interaction between the polymer dipoles and the LC molecules at the droplet interface influences the light-scattering behavior of the PDLC films. For the first time, it was shown that the electric field generated by the application of a mechanical stress may lead to changes in the transmittance of a PDLC film. Such a piezo-optical PDLC material may be useful e.g. in sensing and visualization applications. Compared to a non-polar matrix polymer, the polar matrix polymer exhibits a strong interaction with the LC molecules at the polymer/LC interface which affects the electro-optical effect of the PDLC films and prevents a larger increase in optical transmission.
N2  - Mikrometer-große, in eine Polymermatrix eingebettete Flüssigkristall-Tröpfchen können als elektro-optische Lichtventile fungieren, da die Ausrichtung der Flüssigkristalle durch ein externes elektrisches Feld verändert werden kann. Wird nun ein ferroelektrisches Polymer als Matrix verwendet, so kann das durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte und von der äußeren mechanischen Spannung abhängige elektrische Feld den Flüssigkristall ausrichten. Solche Materialien können daher als piezo-optische Lichtventile eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden PDLCs (polymer-dispersed liquid crystals) durch Einbettung von nematischen Flüssigkristallen in Poly(Vinylidenefluoride-Trifluorethylene) (P(VDF-TrFE)) erzeugt. Die Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkristall und Polymer wurden mittels dielektrischer Spektroskopie untersucht. Im dielektrischen Spektrum des reinen P(VDF-TrFE) wurden zwei Dispersions-Regionen beobachtet, welche vom Glasübergang und einer Ladungsträgerrelaxation des Polymers herrühren. PDLC Folien mit unterschiedlichen Anteilen von Flüssigkristall-Tröpfchen (10 bzw. 60 Gewichtsprozente) zeigten beim Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zusatzliche Relaxationseffekte, welche der Bewegung der eingebetteten Flüssigkristall-Moleküle zugeordnet werden konnten. Durch die Einlagerung der Flüssigkristall-Moleküle weist die Struktur eine Relaxation auf, die gegenüber vergleichbaren Prozessen im reinen Flüssigkristall deutlich verlangsamt ist. Des weiteren wurde das elektrooptische und piezo-optische Verhalten der mit 10 und 60 Gewichtsprozent Flüssigkristall geladenen Folien untersucht. Die Lichtstreuung hängt dabei ab von der Fehlanpassung der Brechungsindizes von Polymermatrix und Flüssigkristallen sowie von den Wechselwirkungen der Polymerdipole mit den Flüssigkristall-Molekülen an der Tröpfchenoberfläche. Es konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Lichtdurchlässigkeit der PDLC-Folien durch eine externe mechanische Spannung gesteuert werden kann. Dieser Effekt macht das piezo-optische PDLC-Material für die Verwendung in Optik- und Sensoranwendungen interessant. Im Vergleich mit unpolaren Wirtspolymeren zeigen polare Wirtsmaterialien eine deutlich stärkere Wechselwirkung zwischen den Flüssigkristall-Molekülen an der Polymer/Flüssigkristall-Grenzfläche, welche den elektrooptischen Effekt beeinflusst und so die maximale transmissions änderung reduziert.
KW  - PDLC
KW  - P(VDF-TrFE)
KW  - nematic LC
KW  - piezo-optisch
KW  - elektro-optisch
KW  - PDLC
KW  - P(VDF-TrFE)
KW  - nematic LC
KW  - piezo-optical
KW  - electro-optical
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41572
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kalbitz, René
T1  - Stability of polarization in organic ferroelectric metal-insulator-semiconductor structures
T1  - Stabilität der Ferroelektrischen Polarisation in Organischen Metall-Isolator-Halbleiter Strukturen
N2  - Organic thin film transistors (TFT) are an attractive option for low cost electronic applications and may be used for active matrix displays and for RFID applications. To extend the range of applications there is a need to develop and optimise the performance of non-volatile memory devices that are compatible with the solution-processing fabrication procedures used in plastic electronics. A possible candidate is an organic TFT incorporating the ferroelectric co-polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)) as the gate insulator. Dielectric measurements have been carried out on all-organic metal-insulator-semiconductor structures with the ferroelectric polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) as the gate insu-lator. The capacitance spectra of MIS devices, were measured under different biases, showing the effect of charge accumulation and depletion on the Maxwell-Wagner peak. The position and height of this peak clearly indicates the lack of stable depletion behavior and the decrease of mobility when increasing the depletion zone width, i.e. upon moving into the P3HT bulk. The lack of stable depletion was further investigated with capacitance-voltage (C-V) measurements. When the structure was driven into depletion, C-V plots showed a positive flat-band voltage shift, arising from the change in polarization state of the ferroelectric insulator. When biased into accumulation, the polarization was reversed. It is shown that the two polarization states are stable i.e. no depolarization occurs below the coercive field. However, negative charge trapped at the semiconductor-insulator interface during the depletion cycle masks the negative shift in flat-band voltage expected during the sweep to accumulation voltages. The measured output characteristics of the studied ferroelectric-field-effect transistors confirmed the results of the C-V plots. Furthermore, the results indicated a trapping of electrons at the positively charged surfaces of the ferroelectrically polarized P(VDF-TrFE) crystallites near the insulator/semiconductor in-terface during the first poling cycles. The study of the MIS structure by means of thermally stimulated current (TSC) revealed further evidence for the stability of the polarization under depletion voltages. It was shown, that the lack of stable depletion behavior is caused by the compensation of the orientational polarization by fixed electrons at the interface and not by the depolarization of the insulator, as proposed in several publications. The above results suggest a performance improvement of non-volatile memory devices by the optimization of the interface.
N2  - Organische Transistoren sind besonders geeignet für die Herstellung verschiedener preisgünstiger, elektronischer Anwendungen, wie zum Beispiel Radio-Frequenz-Identifikations-Anhänger (RFID). Für die Erweiterung dieser Anwendung ist es notwendig die Funktion von organischen Speicherelementen weiter zu verbessern. Das ferroelektrische Polymer Poly(vinylidene-Fluoride-Trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) eignet sich besonders gut als remanent polarisierbarer Isolator in Dünnschich-Speicherelementen. Um Schalt- und Polarisationsverhalten solcher Speicherelemente zu untersuchen, wurden P(VDF-TrFE)-Kondensatoren und Metall-Halbleiter-Isolator-Proben sowie ferroelektrische Feld-Effekt-Transistoren (Fe-FET) aus dem Halbleiter Poly(3-Hexylthiophene) (P3HT) und P(VDF-TrFE) hergestellt und dielektrisch untersucht. Die Charakterisierung der MIS-Strukturen mittels spannungsabhängiger Kapazitätsspektren machte deutlich, dass es nicht möglich ist, einen stabilen Verarmungzustand (Aus-Zustand) zu realisieren. Kapazität-Spannungs-Messungen (C-V) an MIS-Proben mit uni/bi-polaren Spannungszyklen zeigten eine stabile ferroelektrische Polarisation des P(VDF-TrFE)-Films. Eine Depolarisation des Isolators durch den Mangel an Minoritäts-Ladungsträgern konnte als Grund für die Instabilität des Verarmungs-Zustandes ausgeschlossen werden. Die C-V-Kurven wiesen vielmehr auf die Existenz fixierter, negativer Ladungsträger an der Grenzfläche hin. Zusammenfassend kann festgestellt werden: die Ursache der Ladungsträgerinstabilitäten in organischen ferroelektrischen Speicherelementen ist auf die Kompensation der ferroelektrischen Orientierungspolarisation durch "getrappte"(fixierte) negative Ladungsträger zurückzuführen. Dieses Ergebnis liefert nun eine Grundlage für die Optimierung der Isolator/Halbleiter-Grenzfläche mit dem Ziel, die Zahl der Fallenzustände zu minimieren. Auf diesem Wege könnte die Stabilität des Speicherzustandes in organischen Dünnschichtspeicherelementen deutlich verbessert werden.
KW  - ferroelektrische Polarisation
KW  - Metall-Isolator-Halbleiter
KW  - organische Elektronik
KW  - Dielektrische Spektroskopie
KW  - Feld-Effekt-Transistoren
KW  - organic electronic
KW  - dielectric spectroskopie
KW  - non-volatile memory
KW  - organic electronic
KW  - ferroelectric polarization
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57276
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rodriguez Loureiro, Ignacio
T1  - Structural characterization of single and interacting soft interfaces displaying brushes of synthetic or biomolecular polymers
T1  - Strukturelle Charakterisierung von einzelnen und interagierenden weichen Grenzflächen mit Bürsten aus synthetischen oder biomolekularen Polymeren
N2  - The interaction between surfaces displaying end-grafted hydrophilic polymer brushes plays important roles in biology and in many wet-technological applications. The outer surfaces of Gram-negative bacteria, for example, are composed of lipopolysaccharide (LPS) molecules exposing oligo- and polysaccharides to the aqueous environment. This unique, structurally complex biological interface is of great scientific interest as it mediates the interaction of bacteria with neighboring bacteria in colonies and biofilms. The interaction between polymer-decorated surfaces is generally coupled to the distance-dependent conformation of the polymer chains. Therefore, structural insight into the interacting surfaces is a prerequisite to understand the interaction characteristics as well as the underlying physical mechanisms. This problem has been addressed by theory, but accurate experimental data on polymer conformations under confinement are rare, because obtaining perturbation-free structural insight into buried soft interfaces is inherently difficult. 
In this thesis, lipid membrane surfaces decorated with hydrophilic polymers of technological and biological relevance are investigated under controlled interaction conditions, i.e., at defined surface separations. For this purpose, dedicated sample architectures and experimental tools are developed. Via ellipsometry and neutron reflectometry pressure-distance curves and distance-dependent polymer conformations in terms of brush compression and reciprocative interpenetration are determined. Additional element-specific structural insight into the end-point distribution of interacting brushes is obtained by standing-wave x-ray fluorescence (SWXF). 
The methodology is first established for poly[ethylene glycol] (PEG) brushes of defined length and grafting density. For this system, neutron reflectometry revealed pronounced brush interpenetration, which is not captured in common brush theories and therefore motivates rigorous simulation-based treatments.  In the second step the same approach is applied to realistic mimics of the outer surfaces of Gram-negative bacteria: monolayers of wild type LPSs extracted from E. Coli O55:B5 displaying strain-specific O-side chains. The neutron reflectometry experiments yield unprecedented structural insight into bacterial interactions, which are of great relevance for the properties of biofilms.
N2  - Die Wechselwirkung zwischen Oberflächen mit end-gebundenen hydrophilen Polymerbürsten, spielt eine wichtige Rolle in der Biologie und in vielen nass-technologischen Anwendungen. Die äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien bestehen beispielsweise aus Lipopolysaccharid (LPS) -Molekülen, welche ihrer wässrigen Umgebung Oligo- und Polysaccharide präsentieren. Diese einzigartige, strukturell komplexe biologische Grenzfläche ist von großem wissenschaftlichen Interesse, da sie die Wechselwirkung zwischen benachbarten Bakterien in Kolonien und Biofilmen vermittelt. Die Wechselwirkung zwischen Polymer-dekorierten Oberflächen ist im Allgemeinen mit der abstandsabhängigen Konformation der Polymerketten gekoppelt. Strukturelle Einblicke in die interagierenden Oberflächen sind daher eine Voraussetzung, um sowohl die Wechselwirkungseigenschaften als auch die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen zu verstehen. Dieses Problem wurde bereits theoretisch angegangen, aber genaue experimentelle Daten über Polymerkonformationen unter räumlicher Einschränkung liegen kaum vor, da es schwierig ist, störungsfrei strukturelle Einblicke in weiche Grenzflächen innerhalb kondensierter Materie zu erhalten.
In dieser Arbeit wurden Lipidmonoschichten, die mit hydrophilen Polymeren von technologischer und biologischer Relevanz versehen sind, unter kontrollierten Wechselwirkungsbedingungen, d. h. bei definierten Oberflächenabständen, untersucht. Zu diesem Zweck wurden spezielle Probenarchitekturen und experimentelle Methoden entwickelt. Mittels Ellipsometrie und Neutronenreflektometrie wurden Druck-Abstand-Kurven und abstandsabhängige Polymerkonformationen im Hinblick auf Bürstenkompression und gegenseitige Durchdringung bestimmt. Zusätzliche, elementspezifische strukturelle Einblicke in die Endpunktverteilung interagierender Polymerbürsten wurden durch Röntgenfluoreszenz unter stehenden Wellen (SWXF) gewonnen. 
Die entwickelte Methodik wurde zunächst für Poly(ethylenglycol) (PEG) -Bürsten definierter Länge und Bindungsdichte etabliert. Für dieses System zeigte die Neutronenreflektometrie eine ausgeprägte Durchdringung der Bürsten, die in gängigen Bürstentheorien nicht erfasst wird und daher rigorose simulationsbasierte Studien motiviert. Im zweiten Schritt wurde der gleiche Ansatz auf realistische Modelle der äußeren Oberflächen Gram-negativer Bakterien angewandt: Monoschichten von aus E. coli O55 B5 extrahierten Wildtyp-Lipopolysacchariden, welche stammspezifische O-Seitenketten tragen. Die Neutronenreflektometrie-Experimente lieferten nie dagewesene strukturelle Einblicke in die Wechselwirkung von Bakterienoberflächen, Welche für die Eigenschaften von Biofilme von großer Bedeutung sind.
KW  - polymer physics
KW  - neutron reflectometry
KW  - soft matter physics
KW  - biophysics
KW  - Polymerphysik
KW  - Neutronreflektometrie
KW  - Physik der weichen Materie
KW  - Biophysik
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423675
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TY  - THES
A1  - Nagel, Oliver
T1  - Amoeboid cells as a transport system for micro-objects
T1  - Amöboide Zellen als Transportsystem für Mikroobjekte
N2  - Due to advances in science and technology towards smaller and more powerful processing units, the fabrication of micrometer sized machines for different tasks becomes more and more possible. Such micro-robots could revolutionize medical treatment of diseases and shall support to work on other small machines. Nevertheless, scaling down robots and other devices is a challenging task and will probably remain limited in near future. Over the past decade the concept of bio-hybrid systems has proved to be a promising approach in order to advance the further development of micro-robots. Bio-hybrid systems combine biological cells with artificial components, thereby benefiting from the functionality of living biological cells. Cell-driven micro-transport is one of the most prominent applications in the emerging field of these systems. So far, micrometer sized cargo has been successfully transported by means of swimming bacterial cells. The potential of motile adherent cells as transport systems has largely remained unexplored.
This thesis concentrates on the social amoeba Dictyostelium discoideum as a potential candidate for an amoeboid bio-hybrid transport system. The use of this model organism comes with several advantages. Due to the unspecific properties of Dictyostelium adhesion, a wide range of different cargo materials can be used for transport. As amoeboid cells exceed bacterial cells in size by one order of magnitude, also the size of an object carried by a single cell can also be much larger for an amoeba. Finally it is possible to guide the cell-driven transport based on the chemotactic behavior of the amoeba. Since cells undergo a developmentally induced chemotactic aggregation, cargo could be assembled in a self-organized manner into a cluster. It is also possible to impose an external chemical gradient to guide the amoeboid transport system to a desired location.
To establish Dictyostelium discoideum as a possible candidate for bio-hybrid transport systems, this thesis will first investigate the movement of single cells. Secondly, the interaction of cargo and cells will be studied. Eventually, a conceptional proof will be conducted, that the cheomtactic behavior can be exploited either to transport a cargo self-organized or through an external chemical source.
N2  - Durch die Fortschritte in Wissenschaft und Technik hin zu kleineren und leistungsfähigeren Prozessoren wird die Herstellung von Maschinen mit einer Größe von wenigen Mikrometern immer wahrscheinlicher. Solche Mikro-Roboter könnten sowohl die medizinische Behandlung von Krankheiten revolutionieren als auch dabei helfen andere kleine Maschinen zu bauen. Nichts desto trotz ist es eine komplizierte Aufgabe Roboter sowie andere Maschinen zu verkleinern und wird in naher Zukunft wohl nur begrenzt möglich sein. Im Verlauf des letzten Jahrzehnts hat sich das Konzept der Bio-Hybridsysteme als ein vielversprechender Ansatz entwickelt, um Mikro-Roboter weiter zu entwickeln. Bio-Hybridsysteme kombinieren biologische Zellen mit künstlichen Komponenten, um so einen Vorteil aus der Funktionalität lebender biologischer Zellen zu ziehen. Der zellgetriebene Mikro-Transport ist eine der bekanntesten Anwendungen in dem wachsenden Feld dieser Systeme. Bisher wurde mikrometergroße Fracht erfolgreich mit Hilfe von schwimmenden Bakterien transportiert. Das Potential beweglicher, adhärenter Zellen als Transportsystem blieb bisher weitgehend unerforscht.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der sozialen Amöbe Dictyostelium discoideum als einen potentiellen Kandidaten für ein auf Amöben basiertes Bio-Hybridtransportsystem. Die Nutzung dieses Modellorganismus bringt einige Vorteile mit sich. Auf Grund der unspezifischen Adhäsion von Dictyostelium ist es möglich eine Vielzahl von verschiedenen Frachtmaterialien für den Transport zu nutzen. Da Amöben um eine Größenordnung größer sind als Bakterien, können auch die Objekte, die eine einzelne Amöbe transportieren kann um einiges größer sein, als bei einer einzelnen Bakterie. Desweiteren ist noch möglich den zellgetrieben Transport durch das chemotaktische Verhalten der Amöben zu steuern. Da die Zellen im Verlauf ihres Lebenszyklus’ eine entwicklungsinduzierte chemotaktische Aggregation durchlaufen, ist es möglich, die Fracht in einer selbstorganisierten Art und Weise in Aggregate zusammen zu führen. Es ist auch möglich einen externen chemotaktischen Stimulus zu generieren, um das auf Amöben basierende Transportsystem zu einer gewünschten Position zu lenken.
Um Dictyostelium discoideum als denkbaren Kandidaten für ein Bio-Hybridtransportsystem zu etablieren, wird in dieser Arbeit zuerst die Bewegung einzelner Zellen untersucht. Als zweites wird die Interaktion von Zellen und Fracht studiert. Zum Schluss wird ein konzeptioneller Beweis geführt, dass das chemotaktische Verhalten der Zellen genutzt werden kann, um eine Fracht entweder selbstorganisiert oder mit Hilfe eines externen Stimulus zu transportieren.
KW  - bio-hybrid
KW  - dicytostelium
KW  - chemotaxsis
KW  - Bio-Hybrid
KW  - Dicytostelium
KW  - Chemotaxsis
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442192
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TY  - THES
A1  - Sharma, Anjali
T1  - Optical manipulation of multi-responsive microgels
N2  - This dissertation focuses on the understanding of the optical manipulation of microgels dispersed in aqueous solution of azobenzene containing surfactant. The work consists of three parts where each part is a systematic investigation of the (1) photo-isomerization kinetics of the surfactant in complex with the microgel polymer matrix, (2) light driven diffusiosmosis (LDDO) in microgels and (3) photo-responsivity of microgel on complexation with spiropyran.
The first part comprises three publications where the first one [P1] investigates the photo-isomerization kinetics and corresponding isomer composition at a photo-stationary state of the photo-sensitive surfactant conjugated with charged polymers or micro sized polymer networks to understand the structural response of such photo-sensitive complexes. We report that the photo-isomerization of the azobenzene-containing cationic surfactant is slower in a polymer complex compared to being purely dissolved in an aqueous solution. The surfactant aggregates near the polyelectrolyte chains at concentrations much lower than the bulk critical micelle concentration. This, along with the inhibition of the photo-isomerization kinetics due to steric hindrance within the densely packed aggregates, pushes the isomer-ratio to a higher trans-isomer concentration for all irradiation wavelengths. 
The second publication [P2] combines experimental results and non-adiabatic dynamic simulations for the same surfactant molecules embedded in the micelles with absorption spectroscopy measurements of micellar solutions to uncover the reasons responsible for the slowdown in photo induced trans → cis azobenzene isomerization at concentrations higher than the critical micelle concentration (CMC). The simulations reveal a decrease of isomerization quantum yields for molecules inside the micelles and observes a reduction of extinction coefficients upon micellization. These findings explain the deceleration of the trans → cis switching in micelles of the azobenzene-containing surfactants.
Finally, the third publication [P3] focusses on the kinetics of adsorption and desorption of the same surfactant within anionic microgels in the dark and under continuous irradiation. Experimental data demonstrate, that microgels can serve as a selective absorber of the trans isomers. The interaction of the isomers with the gel matrix induces a remotely controllable collapse or swelling on appropriate irradiation wavelengths. Measuring the kinetics of the microgel size response and knowing the exact isomer composition under light exposure, we calculate the adsorption rate of the trans-isomers. 
The second part comprises two publications. The first publication [P4] reports on the phenomenon of light-driven diffusioosmotic (DO) long-range attractive and repulsive interactions between micro-sized objects, whose range extends several times the size of microparticles and can be adjusted to point towards or away from the particle by varying irradiation parameters such as intensity or wavelength of light. The phenomenon is fueled by the aforementioned photosensitive surfactant. The complex interaction of dynamic exchange of isomers and photo-isomerization rate yields to relative concentrations gradients of the isomers in the vicinity of micro-sized object inducing a local diffusioosmotic (DO) flow thereby making a surface act as a micropump.
The second publication [P5] exclusively aims the visualization and investigation of the DO flows generated from microgels by using small tracer particles. Similar to micro sized objects, the flow is able to push adjacent tracers over distances several times larger than microgel size. Here we report that the direction and the strength of the l-LDDO depends on the intensity, irradiation wavelength and the amount of surfactant adsorbed by the microgel. For example, the flow pattern around a microgel is directed radially outward and can be maintained quasi-indefinitely under exposure at 455 nm when the trans:cis ratio is 2:1, whereas irradiation at 365 nm, generates a radially transient flow pattern, which inverts at lower intensities.  
Lastly, the third part consists of one publication [P6] which, unlike the previous works, reports on the study of the kinetics of photo- and thermo-switching of a new surfactant namely, spiropyran, upon exposure with light of different wavelengths and its interaction with p(NIPAM-AA) microgels. The surfactant being an amphiphile, switches between its ring closed spiropyran (SP) form and ring open merocyanine (MC) form which results in a change in the hydrophilic–hydrophobic balance of the surfactant as MC being a zwitterionic form along with the charged head group, generates three charges on the molecule. Therefore, the MC form of the surfactant is more hydrophilic than in the case of the neutral SP state. Here, we investigate the initial shrinkage of the gel particles via charge compensation on first exposure to SP molecules which results from the complex formation of the molecules with the gel matrix, triggering them to become photo responsive. The size and VPTT of the microgels during irradiation is shown to be a combination of heating up of the solution during light absorption by the surfactant (more pronounced in the case of UV irradiation) and the change in the hydrophobicity of the surfactant.
N2  - Diese Dissertation befasst sich mit dem Verständnis der optischen Manipulation von Mikrogelen, die in einer wässrigen Lösung eines azobenzol-haltigen Tensides mit einer kationischen Kopfgruppe, welches licht-sensitiv ist, dispergiert sind. Die Arbeit besteht aus drei Teilen, wobei jeder Teil eine systematische Untersuchung der (1) Photoisomerisierungskinetik des Tensids im Komplex mit der Mikrogel-Polymermatrix, (2) einer daraus induzierten lokalen lichtinduzierten Diffusiosmose (eng. local light driven diffusio osmosis, l-LDDO) in der Nähe von Mikrogelen und (3) der photo-responsivität von Mikrogelen bei Komplexierung mit Spiropyran darstellt.
Der erste Teil umfasst drei Veröffentlichungen, von denen die erste [P1] die Photoisomerisierungskinetik und die entsprechende Isomerenzusammensetzung im photostationären Zustand dieses Tensids in Komplex mit Polyelektrolyten oder mikroskopisch kleinen Polymernetzwerken untersucht. Dabei verläuft die trans-cis-Kinetik in einem Polymerkomplex langsamer als in reinen wässrigen Lösungen, da innerhalb der Polyelektrolytnetzwerken eine erhöhte Mizellisierungstendez des licht-schaltbare Tensides vorliegt. In einer Mizelle ist die geometrische Molekülstrukturänderung vom trans- zum cis-Isomer kinetisch durch sterische Hindernisse von dicht gepackten benachbarten Tensiden gehemmt und führt dazu, dass das Isomerverhältnis bei allen Bestrahlungswellenlängen zu höheren trans-Isomerkonzentration im photostationären Zustand verschoben sind. Diese experimentellen Ergebnisse werden in der zweiten Veröffentlichung [P2] mittels nicht-adiabatische dynamische Simulationen unterstützt, wobei die Ergebnisse zeigen, dass Moleküle, welche einer Mizelle aggregiert sind, eine Abnahme der Isomerisierungsquantenausbeute mit einer gleichzeitigen Verringerung der Extinktionskoeffizienten die Verlangsamung der Kinetik bestätigen.
Die dritte Veröffentlichung [P3] befasst sich mit der Kinetik des dynamischen Austauschverhalten desselben Tensids in anionischen Mikrogelen im Dunkeln aber auch unter kontinuierlicher Beleuchtung. Dabei kann die Größe des Mikrogeles bei geeigneten Beleuchtungswellenlängen zu einem lichtgesteuerten Kollaps oder Schwellen des Mikrogeles vollständig reversible induziert werden. Möglich ist dies, weil die Mikrogele als selektiver Absorber für die trans-Isomere dienen. Durch die Messung der Kinetik der Größenänderung des Mikrogels und die Kenntnis der kinetischen Daten aus den vorigen Publikationen wurde die Adsorptionsrate des trans-Isomere zum Mikrogel berechnet. 
Der zweite Teil umfasst zwei Veröffentlichungen. Der erste [P4] berichtet über das tiefere Verständnis der lokalen lichtinduzierten Diffusioosmose (l-LDDO) an verschiedenen Mikroobjekten, die abstoßende oder anziehende Ströme induzieren. Triebkraft dieses Mechanismus ist eine Verschiebung des cis-Isomerengleichgewichtes bei Beleuchtung und dessen resultierenden Konzentrationsgradienten der Isomere in der Nähe dieser Objekte, welche durch eine komplexe Wechselwirkung zwischen dem dynamischen Austausch von beiden Isomeren und einer unterschiedlichen Photo-Isomerisierungsrate an der Grenzfläche im Vergleich zum Kontinuum vorliegen. Stärke des l-LDDO hängt von typischen Lichtparameter (Intensität und Wellenlänge) und der Größe und Oberfläche der Mikropartikels ab.  Unter geeigneten Bedingungen (hohe Lichtintensität) kann fast jede Oberfläche als Mikropumpe wirken.
Die zweite Publikation [P5] befasst sich mit der Visualisierung und Untersuchung des l-LDDO von Mikrogelen unter Verwendung von kleinen Tracerpartikel. Ähnlich wie bei mikroskopisch kleinen Objekten können auch hier benachbarte Tracer über Entfernungen um ein Vielfaches größer als die Größe des Mikrogels bewegt werden. Die Richtung und die Stärke des l-LDDO hängt von der Intensität, der Wellenlänge der Bestrahlung und der Menge des vom Mikrogel adsorbierten Tensids ab. So ist beispielsweise das Strömungsmuster um ein Mikrogel radial nach außen gerichtet und kann bei einer Bestrahlung mit blauem Licht (455 nm) quasi unbegrenzt aufrechterhalten werden, während eine Bestrahlung mit UV-Licht (365 nm) mit niedrigen Intensitäten ein temporäres radial verlaufendes Strömungsmuster zum Mikrogel erzeugt.  
Schließlich besteht der dritte und letzte Teil dieser Dissertation aus einer Veröffentlichung [P6], die im Gegensatz zu den vorangegangenen Arbeiten über die Untersuchung der Kinetik des Photo- und Thermoschaltens eines Spiropyran basierten Tensides mit einer kationischen Kopfgruppe bei der Bestrahlung mit Licht verschiedener Wellenlängen und seiner Wechselwirkung mit Mikrogelen berichtet. Das Tensid wechselt zwischen seiner ringgeschlossenen Spiropyranform (SP) und seiner ringoffenen Merocyaninform (MC), was zu einer Änderung des hydrophilen/hydrophoben Gleichgewichts des Tensids führt. Die anfängliche Schrumpfung der Mikrogele bei der ersten Exposition gegenüber SP-Molekülen wurde untersucht, die auf einen Ladungsausgleich durch die Komplexierung der Moleküle mit der Gelmatrix zurückzuführen ist, wodurch das Mikrogel lichtempfindlich wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Temperatur des Größen- und Volumenphasenübergangs der Mikrogele unter Beleuchtung eine Kombination aus dem lichtinduzierten Austauschverhalten und der Erwärmung der Lösung durch die Lichtabsorption des Tensids ist, die unter UV-Bestrahlung besonders ausgeprägt ist.
KW  - optical manipulation
KW  - microgel
KW  - kinetics
KW  - surfactant
KW  - photo-isomerization
KW  - polymer
KW  - azobenzene
KW  - spectroscopy
KW  - microscopy
Y1  - 2023
ER  -