TY - THES A1 - Federici, Simone T1 - Gamma-ray studies of the young shell-type SNR RX J1713.7-3946 T1 - Untersuchung im Gamma-Strahlungsbereich des schalenartigen Supernova-Überrests RX J1713.7−3946 N2 - One of the most significant current discussions in Astrophysics relates to the origin of high-energy cosmic rays. According to our current knowledge, the abundance distribution of the elements in cosmic rays at their point of origin indicates, within plausible error limits, that they were initially formed by nuclear processes in the interiors of stars. It is also believed that their energy distribution up to 1018 eV has Galactic origins. But even though the knowledge about potential sources of cosmic rays is quite poor above „ 1015 eV, that is the “knee” of the cosmic-ray spectrum, up to the knee there seems to be a wide consensus that supernova remnants are the most likely candidates. Evidence of this comes from observations of non-thermal X-ray radiation, requiring synchrotron electrons with energies up to 1014 eV, exactly in the remnant of supernovae. To date, however, there is not conclusive evidence that they produce nuclei, the dominant component of cosmic rays, in addition to electrons. In light of this dearth of evidence, γ-ray observations from supernova remnants can offer the most promising direct way to confirm whether or not these astrophysical objects are indeed the main source of cosmic-ray nuclei below the knee. Recent observations with space- and ground-based observatories have established shell-type supernova remnants as GeV-to- TeV γ-ray sources. The interpretation of these observations is however complicated by the different radiation processes, leptonic and hadronic, that can produce similar fluxes in this energy band rendering ambiguous the nature of the emission itself. The aim of this work is to develop a deeper understanding of these radiation processes from a particular shell-type supernova remnant, namely RX J1713.7–3946, using observations of the LAT instrument onboard the Fermi Gamma-Ray Space Telescope. Furthermore, to obtain accurate spectra and morphology maps of the emission associated with this supernova remnant, an improved model of the diffuse Galactic γ-ray emission background is developed. The analyses of RX J1713.7–3946 carried out with this improved background show that the hard Fermi-LAT spectrum cannot be ascribed to the hadronic emission, leading thus to the conclusion that the leptonic scenario is instead the most natural picture for the high-energy γ-ray emission of RX J1713.7–3946. The leptonic scenario however does not rule out the possibility that cosmic-ray nuclei are accelerated in this supernova remnant, but it suggests that the ambient density may not be high enough to produce a significant hadronic γ-ray emission. Further investigations involving other supernova remnants using the improved back- ground developed in this work could allow compelling population studies, and hence prove or disprove the origin of Galactic cosmic-ray nuclei in these astrophysical objects. A break- through regarding the identification of the radiation mechanisms could be lastly achieved with a new generation of instruments such as CTA. N2 - Eine der gegenwärtigen bedeutendsten geführten Diskussionen in der Astrophysik bezieht sich auf den Ursprung der hochenergetischen Kosmischen Strahlung. Nach unserem heutigen Verständnis weist die am Ort des Ursprungs elementare Zusam- mensetzung der Kosmischen Strahlung darauf hin, dass diese zu Beginn mittels nuklearer Prozesse im Inneren von Sternen gebildet wurde. Weiterhin wird ange- nommen, dass die Kosmische Strahlung bis 1018 eV galaktischen Ursprungs ist. Auch wenn das Verständnis über die potentiellen Quellen der Kosmischen Strahlung ober- halb von 1015 eV, dem sogenannten „Knie“ des Spektrums der Kosmischen Strah- lung, lückenhaft ist, so liegt doch der Konsens vor, dass Supernovaüberreste (SNR) die wahrscheinlichsten Quellen für Energien bis 1015 eV sind. Unterstützt wird die- ser Sachverhalt durch Beobachtungen von nichtthermischer Röntgenstrahlung von SNR, deren Emission Elektronen mit Energien bis zu 1014 eV erfordern. Jedoch gibt es bis heute keinen überzeugenden Beweis, dass SNR zusätzlich zu den Elektronen auch Atomkerne, die den dominierenden Anteil in der Kosmischen Strahlung bilden, beschleunigen. Trotz fehlender überzeugender Beweise ermöglichen nun Beobachtungen von SNR im γ-Strahlungsbereich einen vielversprechenden Weg zur Aufklärung der Fra- ge, ob diese astrophysikalischen Objekte in der Tat die Hauptquelle der Kosmischen Strahlung unterhalb des Knies sind. Kürzlich durchgeführte Beobachtungen im Welt- raum und auf der Erdoberfläche haben zu der Erkenntnis geführt, dass schalenartige SNR γ-Strahlung im GeV- und TeV-Bereich emittieren. Die Interpretation dieser Beobachtungen ist jedoch schwierig, da sowohl Atomkerne als auch Elektronen im betrachteten Energiebereich zu ähnlichen γ-Emissionen führen. Dadurch wird die eindeutige Identifizierung der Emission als das Resultat hadronischer oder leptoni- scher Emissionsprozesse erschwert. Das Ziel dieser Arbeit ist es, am Beispiel des schalenartigen SNR RX J1713.7- 3946 ein tieferes Verständnis über die Strahlungsprozesse zu erhalten, indem vom γ-Weltraumteleskop Fermi durchgeführte Beobachtungen analysiert werden. Um ge- naue Spektren und die Ausdehnung der Region der Emission zu erhalten, wird ein verbessertes Modell für die diffuse galaktische γ-Hintergrundstrahlung entwickelt. Die mit diesem verbesserten Hintergrund durchgeführte Analyse von RX J1713.7- 3946 zeigt, dass das vom Fermi-Satelliten beobachtete Spektrum nicht dem hadro- nischen Szenario zugeschrieben werden kann, sodass das leptonische Szenario für die γ-Emissionen von diesem SNR verantwortlich ist. Das leptonische Szenario schließt jedoch nicht die Möglichkeit aus, dass auch Atomkerne in diesem SNR beschleu- nigt werden. Aber es deutet darauf hin, dass die umgebende Teilchendichte nicht ausreichend hoch genug ist, um zu einer signifikanten hadronischen γ-Emission zu führen. Weitere Untersuchungen, die andere SNR in Kombination mit dem hier ent- wickelten verbesserten Modell der Hintergrundstrahlung beinhalten, können Popu- lationsstudien erlauben. Dies könnte klären, ob die SNR tatsächlich die Quellen der galaktischen Kosmischen Strahlung sind. Ein Durchbruch bezüglich der Identi- fikation des Strahlungsmechanismus könnte auch durch eine neue Generation von Beobachtungsinstrumenten, wie das Cherenkov Telescope Array, erreicht werden. KW - Supernovaüberrest KW - gamma-ray KW - cosmic-rays KW - supernova remnants Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71734 ER - TY - THES A1 - Wieland, Volkmar T1 - Particle-in-cell simulations of perpendicular supernova shock fronts T1 - Particle-in-Cell Simulationen von senkrechten Supernova Schock-Fronten N2 - The origin of cosmic rays was the subject of several studies for over a century. The investigations done within this dissertation are one small step to shed some more light on this mystery. Locating the sources of cosmic rays is not trivial due to the interstellar magnetic field. However, the Hillas criterion allows us to arrive at the conclusion that supernova remnants are our main suspect for the origin of galactic cosmic rays. The mechanism by which they are accelerating particles is found within the field of shock physics as diffusive shock acceleration. To allow particles to enter this process also known as Fermi acceleration pre-acceleration processes like shock surfing acceleration and shock drift acceleration are necessary. Investigating the processes happening in the plasma shocks of supernova remnants is possible by utilising a simplified model which can be simulated on a computer using Particle-in-Cell simulations. We developed a new and clean setup to simulate the formation of a double shock, i.e., consisting of a forward and a reverse shock and a contact discontinuity, by the collision of two counter-streaming plasmas, in which a magnetic field can be woven into. In a previous work, we investigated the processes at unmagnetised and at magnetised parallel shocks, whereas in the current work, we move our investigation on to magnetised perpendicular shocks. Due to a much stronger confinement of the particles to the collision region the perpendicular shock develops much faster than the parallel shock. On the other hand, this leads to much weaker turbulence. We are able to find indications for shock surfing acceleration and shock drift acceleration happening at the two shocks leading to populations of pre-accelerated particles that are suitable as a seed population to be injected into further diffusive shock acceleration to be accelerated to even higher energies. We observe the development of filamentary structures in the shock ramp of the forward shock, but not at the reverse shock. This leads to the conclusion that the development of such structures in the shock ramp of quasi-perpendicular collisionless shocks might not necessarily be determined by the existence of a critical sonic Mach number but by a critical shock speed. The results of the investigations done within this dissertation might be useful for further studies of oblique shocks and for studies using hybrid or magnetohydrodynamic simulations. Together with more sophisticated observational methods, these studies will help to bring us closer to an answer as to how particles can be accelerated in supernova remnants and eventually become cosmic rays that can be detected on Earth. N2 - Der Ursprung der kosmischen Strahlung war seit über einem Jahrhundert Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen. Die Untersuchungen, welche innerhalb dieser Dissertation gemacht wurden, sind ein kleiner Schritt dazu etwas mehr Licht auf dieses Geheimnis zu werfen. Die Quellen der kosmischen Strahlung herauszufinden stellt sich aufgrund des interstellaren Magnetfeldes als nicht trivial heraus. Jedoch erlaubt uns das Hillas-Kriterium die Schlussfolgerung, dass Supernovaüberreste unsere Hauptverdächtigen für den Ursprung der galaktischen kosmischen Strahlung sind. Der Mechanismus, durch welchen sie Teilchen beschleunigen, kann im Gebiet der Schock-Physik in Form der diffusen Schockbeschleunigung gefunden werden. Um den Teilchen zu ermöglichen an diesem Prozess, der auch als Fermi-Beschleunigung bekannt ist, teilzunehmen, sind Vorbeschleunigungsprozesse wie die Schock-Surfing-Beschleunigung und die Schock-Drift-Beschleunigung nötig. Die Untersuchung der Prozesse in Plasma-Schocks ist durch die Verwendung eines vereinfachten Modells möglich, welches sich mit Hilfe von Particle-in-Cell Simulationen auf einem Computer simulieren lässt. Wir haben einen neuen und sauberen Setup entwickelt um die Entstehung eines Doppelschocks, bestehend aus einem vorwärts und einem rückwärts gerichtet Schock und einer Kontakt-Diskontinuität, durch die Kollision zweier gegeneinander strömender Plasmen, in welche ein Magnetfeld eingelagert werden kann, zu simulieren. In einer vorhergehenden Arbeit haben wir bereits die Prozesse an unmagnetisierten und an magnetisierten parallelen Schocks untersucht, weshalb wir in der vorliegenden Arbeit zu der Untersuchung magnetisierter senkrechter Schocks weiter gegangen sind. Aufgrund eines sehr viel stärkeren Einfangens der Teilchen in der Kollisionsregion, entwickelt sich der senkrechte Schock sehr viel schneller als der parallele Schock. Andererseits führt dies zu einer viel schwächeren Turbulenz. Wir finden Anzeichen für Schock-Surfing-Beschleunigung und Schock-Drift-Beschleunigung in beiden Schocks, welche Populationen von vorbeschleunigten Teilchen erzeugen, die wiederum als Ausgangspopulation für die Injektion in die diffusive Schock-Beschleunigung geeignet sind um zu noch höheren Energien beschleunigt zu werden. Wir beobachten die Entwicklung von Filamentstrukturen in der Schockrampe des vorwärts gerichteten Schocks, jedoch nicht im rückwärts gerichtet Schock. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass die Entwicklung dieser Strukturen in der Schockrampe von quasi-senkrechten kollisionsfreien Schocks nicht notwendigerweise durch die Existenz einer kritischen sonischen Machzahl bestimmt ist, sondern durch eine kritische Schock-Geschwindigkeit. Die Ergebnisse der Untersuchungen in dieser Dissertation können sich für weiterführende Untersuchungen von schrägen Schocks und für Untersuchungen mit Hilfe von hybriden oder magnetohydrodynamischen Simulationen als nützlich erweisen. Zusammen mit ausgefeilteren Beobachtungsmethoden helfen uns diese Untersuchungen dabei näher an eine Antwort auf die Frage zu kommen, wie Teilchen in Supernovaüberresten beschleunigt werden können um schließlich als kosmische Strahlung auf der Erde detektiert werden zu können. KW - cosmic rays KW - kosmische Strahlung KW - supernova remnants KW - Supernovaüberreste KW - particle-in-cell simulations Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74532 ER - TY - THES A1 - Shaw, Vasundhara T1 - Cosmic-ray transport and signatures in their local environment N2 - The origin and structure of magnetic fields in the Galaxy are largely unknown. What is known is that they are essential for several astrophysical processes, in particular the propagation of cosmic rays. Our ability to describe the propagation of cosmic rays through the Galaxy is severely limited by the lack of observational data needed to probe the structure of the Galactic magnetic field on many different length scales. This is particularly true for modelling the propagation of cosmic rays into the Galactic halo, where our knowledge of the magnetic field is particularly poor. In the last decade, observations of the Galactic halo in different frequency regimes have revealed the existence of out-of-plane bubble emission in the Galactic halo. In gamma rays these bubbles have been termed Fermi bubbles with a radial extent of ≈ 3 kpc and an azimuthal height of ≈ 6 kpc. The radio counterparts of the Fermi bubbles were seen by both the S-PASS telescopes and the Planck satellite, and showed a clear spatial overlap. The X-ray counterparts of the Fermi bubbles were named eROSITA bubbles after the eROSITA satellite, with a radial width of ≈ 7 kpc and an azimuthal height of ≈ 14 kpc. Taken together, these observations suggest the presence of large extended Galactic Halo Bubbles (GHB) and have stimulated interest in exploring the less explored Galactic halo. In this thesis, a new toy model (GHB model) for the magnetic field and non-thermal electron distribution in the Galactic halo has been proposed. The new toy model has been used to produce polarised synchrotron emission sky maps. Chi-square analysis was used to compare the synthetic skymaps with the Planck 30 GHz polarised skymaps. The obtained constraints on the strength and azimuthal height were found to be in agreement with the S-PASS radio observations. The upper, lower and best-fit values obtained from the above chi-squared analysis were used to generate three separate toy models. These three models were used to propagate ultra-high energy cosmic rays. This study was carried out for two potential sources, Centaurus A and NGC 253, to produce magnification maps and arrival direction skymaps. The simulated arrival direction skymaps were found to be consistent with the hotspots of Centaurus A and NGC 253 as seen in the observed arrival direction skymaps provided by the Pierre Auger Observatory (PAO). The turbulent magnetic field component of the GHB model was also used to investigate the extragalactic dipole suppression seen by PAO. UHECRs with an extragalactic dipole were forward-tracked through the turbulent GHB model at different field strengths. The suppression in the dipole due to the varying diffusion coefficient from the simulations was noted. The results could also be compared with an analytical analogy of electrostatics. The simulations of the extragalactic dipole suppression were in agreement with similar studies carried out for galactic cosmic rays. N2 - Unsere Galaxie wird ständig von hochenergetischen geladenen Teilchen unterschiedlicher Energie bombardiert, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden und deren Ursprung nicht bekannt ist. Satelliten- und erdgestützte Messungen haben bisher ergeben, dass es in unserer Galaxie Beschleuniger für kosmische Strahlung gibt, z. B. die Überreste explodierender Sterne (Supernova-Überreste), aber bei den höchsten kosmischen Strahlungsenergien bleiben die Quellen ein Rätsel. Fortschritte zu erzielen ist eine Herausforderung, auch weil die kosmische Strahlung durch Magnetfelder abgelenkt wird, was bedeutet, dass die beobachtete Richtung mit der Richtung der Quelle übereinstimmen kann oder auch nicht. Unsere Galaxie weist starke Magnetfelder auf, deren Beschaffenheit noch nicht gut verstanden ist, insbesondere in der Komponente außerhalb der Scheibe (dem galaktischen Halo). Darüber hinaus haben Beobachtungen in den letzten zehn Jahren blasenartige Strukturen im galaktischen Halo mit enormen Gesamtenergien aufgedeckt, die auch als galaktische Halo-Blasen bezeichnet werden. All dies motiviert uns, den galaktischen Halo zu untersuchen. In meiner Doktorarbeit schlagen wir ein neues, vereinfachtes Magnetfeldmodell für galaktische Halo-Blasen vor. Das Modell umfasst sowohl strukturierte als auch turbulente Komponenten des Magnetfelds. Das vereinfachte Modell wurde mit Beobachtungsdaten verglichen, um den am besten passenden Parametersatz zusammen mit den Unsicherheiten zu erhalten. Ich untersuchte die Propagation der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung durch das vereinfachte Modell und untersuchte dessen Auswirkungen auf die Ankunftsrichtungen der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung für zwei potenzielle Quellen, Centaurus~A und NGC~253. Außerdem habe ich sowohl numerisch als auch analytisch abgeschätzt, wie stark ein Dipol der extragalaktischen kosmischen Strahlung durch verschiedene Konfigurationen der turbulenten Magnetfelder des vereinfachten Modells unterdrückt wird. Die Ergebnisse all dieser Arbeiten werden in dieser Arbeit im Detail vorgestellt. KW - galactic magnetic fields KW - synchrotron radiation KW - non-thermal radiation KW - ultra-high energy cosmic rays KW - cosmic ray propagation KW - Ausbreitung der kosmischen Strahlung KW - galaktische Magnetfelder KW - nicht-thermische Strahlung KW - Synchrotronstrahlung KW - ultrahochenergetische kosmische Strahlung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620198 ER - TY - THES A1 - Steppa, Constantin Beverly T1 - Modelling the galactic population of very-high-energy gamma-ray sources T1 - Modellierung der Population galaktischer Quellen von sehr hochenergetischer Gammastrahlung N2 - The current generation of ground-based instruments has rapidly extended the limits of the range accessible to us with very-high-energy (VHE) gamma-rays, and more than a hundred sources have now been detected in the Milky Way. These sources represent only the tip of the iceberg, but their number has reached a level that allows population studies. In this work, a model of the global population of VHE gamma-ray sources based on the most comprehensive census of Galactic sources in this energy regime, the H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS), will be presented. A population synthesis approach was followed in the construction of the model. Particular attention was paid to correcting for the strong observational bias inherent in the sample of detected sources. The methods developed for estimating the model parameters have been validated with extensive Monte Carlo simulations and will be shown to provide unbiased estimates of the model parameters. With these methods, five models for different spatial distributions of sources have been constructed. To test the validity of these models, their predictions for the composition of sources within the sensitivity range of the HGPS are compared with the observed sample. With one exception, similar results are obtained for all spatial distributions, showing that the observed longitude profile and the source distribution over photon flux are in fair agreement with observation. Regarding the latitude profile and the source distribution over angular extent, it becomes apparent that the model needs to be further adjusted to bring its predictions in agreement with observation. Based on the model, predictions of the global properties of the Galactic population of VHE gamma-ray sources and the prospects of the Cherenkov Telescope Array (CTA) will be presented. CTA will significantly increase our knowledge of VHE gamma-ray sources by lowering the threshold for source detection, primarily through a larger detection area compared to current-generation instruments. In ground-based gamma-ray astronomy, the sensitivity of an instrument depends strongly, in addition to the detection area, on the ability to distinguish images of air showers produced by gamma-rays from those produced by cosmic rays, which are a strong background. This means that the number of detectable sources depends on the background rejection algorithm used and therefore may also be increased by improving the performance of such algorithms. In this context, in addition to the population model, this work presents a study on the application of deep-learning techniques to the task of gamma-hadron separation in the analysis of data from ground-based gamma-ray instruments. Based on a systematic survey of different neural-network architectures, it is shown that robust classifiers can be constructed with competitive performance compared to the best existing algorithms. Despite the broad coverage of neural-network architectures discussed, only part of the potential offered by the application of deep-learning techniques to the analysis of gamma-ray data is exploited in the context of this study. Nevertheless, it provides an important basis for further research on this topic. N2 - Die aktuelle Generation bodengestützter Instrumente hat die Grenzen des uns mit sehr hoch-energetischer (very-high-energy, VHE) Gammastrahlung zugänglichen Bereichs rasch erweitert, so dass inzwischen bereits mehr als hundert Quellen in der Milchstraße entdeckt wurden. Diese Quellen repräsentieren zwar nur die Spitze des Eisbergs, doch ihre Anzahl hat ein Niveau erreicht, das Populationsstudien ermöglicht. In dieser Arbeit wird ein Modell der globalen Population von VHE Gammastrahlungsquellen vorgestellt, das auf den umfassendsten Zensus galaktischer Quellen in diesem Energiebereich, dem H.E.S.S. Galactic plane survey (HGPS), beruht. Bei der Erstellung des Modells wurde ein Populationssynthese-Ansatz verfolgt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Korrektur der starken Beobachtungsverzerrung gelegt, die der Stichprobe detektierter Quellen innewohnt. Die für die Schätzung der Modellparameter entwickelten Methoden wurden mit umfangreichen Monte-Carlo-Simulationen validiert und es wird gezeigt, dass sie akkurate Schätzungen der Modelparameter ermöglichen. Mit diesen Methoden wurden fünf Modelle für verschiedene räumliche Verteilungen von Quellen erstellt. Um die Gültigkeit dieser Modelle zu prüfen, werden ihre Vorhersagen für die Zusammensetzung der Quellen innerhalb des Sensitivitätsbereichs des HGPS mit der beobachteten Stichprobe verglichen. Mit einer Ausnahme werden für alle räumlichen Verteilungen ähnliche Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass das beobachtete Longitudenprofil und die Quellenverteilung über den Photonenfluss gut mit der Beobachtung übereinstimmen. Bezüglich des Latitudenprofils und der Quellenverteilung über die Winkelausdehnung zeigt sich, dass das Modell weiter angepasst werden muss, um dessen Vorhersagen mit den Beobachtungen in Einklang zu bringen. Auf der Grundlage des Modells werden Vorhersagen über die globalen Eigenschaften der galaktischen Population von VHE Gammastrahlungsquellen und die Perspektiven des Cherenkov Telescope Array (CTA) vorgestellt. CTA wird unser Wissen über VHE Gammastrahlungsquellen erheblich erweitern, indem es die Detektionsschwelle für die Quellen senkt, vor allem durch einer im Vergleich zu Instrumenten der aktuellen Generation größeren Detektionsfläche. In der bodengebundenen Gammastrahlenastronomie hängt die Empfindlichkeit eines Instruments neben der Detektionsfläche jedoch auch stark von der Fähigkeit ab, Bilder von Luftschauern, die durch Gammastrahlen erzeugt werden, von denen zu unterscheiden, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden und einen starken Hintergrund darstellen. Dies bedeutet, dass die Anzahl der detektierbaren Quellen von dem verwendeten Algorithmus zur Hintergrundunterdrückung abhängt und daher möglicherweise auch durch eine Verbesserung der Leistung solcher Algorithmen erhöht werden kann. In diesem Zusammenhang wird in dieser Arbeit zusätzlich zum Populationsmodell eine Studie über die Anwendung von Deep-Learning-Techniken für die Aufgabe der Gamma-Hadron-Trennung bei der Analyse von Daten von bodengestützten Gammastrahleninstrumenten vorgestellt. Auf der Grundlage einer systematischen Untersuchung verschiedener neuronaler Netzwerkarchitekturen wird gezeigt, dass robuste Klassifikatoren konstruiert werden können, die im Vergleich zu den besten bestehenden Algorithmen eine konkurrenzfähige Leistung aufweisen. Trotz des Umfangs der diskutierten neuronalen Netzwerkarchitekturen wird im Rahmen dieser Studie nur ein Teil des Potenzials ausgeschöpft, das die Anwendung von Deep-Learning-Techniken für die Analyse von Daten in der Gammaastronomie bietet. Dennoch bietet sie eine wichtige Grundlage für weitere Forschungen zu diesem Thema. KW - gamma astronomy KW - galactic population KW - very-high energy KW - Gammaastronomie KW - galaktische Population KW - sehr hohe Energien Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549478 ER - TY - THES A1 - Kranjc Horvat, Anja T1 - Particle physics in high-school education T1 - Teilchenphysik im Oberstufenunterricht BT - what should students and teachers learn? BT - was sollten Jugendliche und Lehrpersonen lernen? N2 - Elementary particle physics is a contemporary topic in science that is slowly being integrated into high-school education. These new implementations are challenging teachers’ professional knowledge worldwide. Therefore, physics education research is faced with two important questions, namely, how can particle physics be integrated in high-school physics curricula and how best to support teachers in enhancing their professional knowledge on particle physics. This doctoral research project set up to provide better guidelines for answering these two questions by conducting three studies on high-school particle physics education. First, an expert concept mapping study was conducted to elicit experts’ expectations on what high-school students should learn about particle physics. Overall, 13 experts in particle physics, computing, and physics education participated in 9 concept mapping rounds. The broad knowledge base of the experts ensured that the final expert concept map covers all major particle physics aspects. Specifically, the final expert concept map includes 180 concepts and examples, connected with 266 links and crosslinks. Among them are also several links to students’ prior knowledge in topics such as mechanics and thermodynamics. The high interconnectedness of the concepts shows possible opportunities for including particle physics as a context for other curricular topics. As such, the resulting expert concept map is showcased as a well-suited tool for teachers to scaffold their instructional practice. Second, a review of 27 high-school physics curricula was conducted. The review uncovered which concepts related to particle physics can be identified in most curricula. Each curriculum was reviewed by two reviewers that followed a codebook with 60 concepts related to particle physics. The analysis showed that most curricula mention cosmology, elementary particles, and charges, all of which are considered theoretical particle physics concepts. None of the experimental particle physics concepts appeared in more than half of the reviewed curricula. Additional analysis was done on two curricular subsets, namely curricula with and curricula without an explicit particle physics chapter. Curricula with an explicit particle physics chapter mention several additional explicit particle physics concepts, namely the Standard Model of particle physics, fundamental interactions, antimatter research, and particle accelerators. The latter is an example of experimental particle physics concepts. Additionally, the analysis revealed that, overall, most curricula include Nature of Science and history of physics, albeit both are typically used as context or as a tool for teaching, respectively. Third, a Delphi study was conducted to investigate stakeholders’ expectations regarding what teachers should learn in particle physics professional development programmes. Over 100 stakeholders from 41 countries represented four stakeholder groups, namely physics education researchers, research scientists, government representatives, and high-school teachers. The study resulted in a ranked list of the 13 most important topics to be included in particle physics professional development programmes. The highest-ranked topics are cosmology, the Standard Model, and real-life applications of particle physics. All stakeholder groups agreed on the overall ranking of the topics. While the highest-ranked topics are again more theoretical, stakeholders also expect teachers to learn about experimental particle physics topics, which are ranked as medium importance topics. The three studies addressed two research aims of this doctoral project. The first research aim was to explore to what extent particle physics is featured in high-school physics curricula. The comparison of the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that curricula cover significantly less than what experts expect high-school students to learn about particle physics. For example, most curricula do not include concepts that could be classified as experimental particle physics. However, the strong connections between the different concept show that experimental particle physics can be used as context for theoretical particle physics concepts, Nature of Science, and other curricular topics. In doing so, particle physics can be introduced in classrooms even though it is not (yet) explicitly mentioned in the respective curriculum. The second research aim was to identify which aspects of content knowledge teachers are expected to learn about particle physics. The comparison of the Delphi study results to the outcomes of the curricular review and the expert concept map showed that stakeholders generally expect teachers to enhance their school knowledge as defined by the curricula. Furthermore, teachers are also expected to enhance their deeper school knowledge by learning how to connect concepts from their school knowledge to other concepts in particle physics and beyond. As such, professional development programmes that focus on enhancing teachers’ school knowledge and deeper school knowledge best support teachers in building relevant context in their instruction. Overall, this doctoral research project reviewed the current state of high-school particle physics education and provided guidelines for future enhancements of the particle physics content in high-school student and teacher education. The outcomes of the project support further implementations of particle physics in high-school education both as explicit content and as context for other curricular topics. Furthermore, the mixed-methods approach and the outcomes of this research project lead to several implications for professional development programmes and science education research, that are discussed in the final chapters of this dissertation. N2 - Elementarteilchenphysik ist ein aktuelles naturwissenschaftliches Thema, das langsam in den Oberstufenunterricht integriert wird. Diese neuen Umsetzungen stellen das Professionswissen der Lehrpersonen weltweit infrage. Die Fachdidaktik sieht sich daher mit zwei wichtigen Fragen beschäftigt: Wie kann die Teilchenphysik in die Oberstufenlehrpläne integriert werden und wie können Lehrpersonen am besten dabei unterstützt werden, ihr Professionswissen über Teilchenphysik zu erweitern? Im Rahmen dieses Promotionsprojekts wurden drei Studien zum Unterricht von Teilchenphysik in der Oberstufe durchgeführt, um bessere Leitlinien für die Beantwortung dieser beiden Fragen zu erarbeiten. Zunächst wurde eine Concept-Mapping-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von ExpertInnen darüber zu ermitteln, was SchülerInnen der Oberstufe über Teilchenphysik lernen sollten. Insgesamt nahmen 13 ExpertInnen aus den Bereichen Teilchenphysik, Informatik und Physikdidaktik an 9 Concept-Mapping-Runden teil. Die breite Wissensbasis der Experten stellte sicher, dass die endgültige Expert Concept Map alle wichtigen Aspekte der Teilchenphysik umspannt. Die endgültige Expert Concept Map enthält 180 Konzepte und Beispiele, die mit 266 Verbindungen und Querverweisen verknüpft sind. Darunter befinden sich auch mehrere Bezüge zum Vorwissen der SchülerInnen in Themen wie Mechanik und Thermodynamik. Die starke Vernetzung der Konzepte zeigt, dass es möglich ist, die Teilchenphysik als Kontext für andere Lehrplanthemen zu nutzen. Die so entstandene Expert Concept Map wird als geeignetes Instrument für Lehrpersonen zur Unterstützung ihrer Unterrichtspraxis vorgestellt. Zweitens wurde ein Vergleich von 27 Physiklehrplänen für die Oberstufe durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, welche Konzepte mit Bezug zur Teilchenphysik in den meisten Lehrplänen zu finden sind. Jeder Lehrplan wurde von zwei Gutachtern mittels einer Kodieranleitung mit 60 Konzepten zur Teilchenphysik analysiert. Die Lehrplananalyse ergab, dass in den meisten Lehrplänen Kosmologie, Elementarteilchen und Ladungen erwähnt werden, die alle als theoretische Konzepte der Teilchenphysik gelten. Keines der Konzepte der experimentellen Teilchenphysik kam in mehr als der Hälfte der untersuchten Lehrpläne vor. Eine zusätzliche Analyse wurde für zwei Untergruppen von Lehrplänen durchgeführt, nämlich Lehrpläne mit und Lehrpläne ohne ein explizites Teilchenphysik-Kapitel. In Lehrplänen mit einem expliziten Teilchenphysik-Kapitel werden mehrere zusätzliche Teilchenphysik-Konzepte erwähnt, nämlich das Standardmodell der Teilchenphysik, fundamentale Wechselwirkungen, Antimaterieforschung und Teilchenbeschleuniger. Letzteres ist ein Beispiel für Konzepte der experimentellen Teilchenphysik. Darüber hinaus ergab die Analyse, dass die meisten Lehrpläne Aspekte der Nature of Science und der Geschichte der Physik enthalten, obwohl beide typischerweise als Kontext bzw. als Hilfsmittel für den Unterricht verwendet werden. Drittens wurde eine Delphi-Studie durchgeführt, um die Erwartungen von Stakeholder in Bezug darauf zu untersuchen, was Lehrpersonen in Weiterbildungsprogrammen zur Teilchenphysik lernen sollten. Über 100 Stakeholder aus 41 Ländern vertraten vier Stakeholder-Gruppen, nämlich FachdidaktikerInnen, FachwissenschaftlerInnen, RegierungsvertreterInnen und Lehrpersonen. Das Ergebnis der Studie ist eine Rangliste der 13 wichtigsten Themen, die in Fortbildungsprogrammen für Teilchenphysik behandelt werden sollten. Die am höchsten bewerteten Themen waren Kosmologie, das Standardmodell der Teilchenphysik und Anwendungen der Teilchenphysik. Alle Stakeholder-Gruppen waren sich über die Gesamtwertung der Themen einig. Während die am höchsten bewerteten Themen wiederum eher theoretischer Natur waren, erwarten die Stakeholder auch, dass Lehrpersonen etwas über experimentelle Teilchenphysik Themen lernen, die mit mittlerer Bedeutung eingestuft wurden. Mit den drei Studien wurden zwei Forschungsziele dieses Promotionsprojekts verfolgt. Das erste Forschungsziel bestand darin, zu untersuchen, inwiefern die Teilchenphysik in den Physiklehrplänen für die Oberstufe behandelt wird. Der Vergleich der Ergebnisse der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Lehrpläne deutlich weniger abdecken als das, was ExpertInnen von OberstufenschülerInnen über Teilchenphysik erwarten. Beispielsweise enthalten die meisten Lehrpläne keine Konzepte, die der experimentellen Teilchenphysik zugeordnet werden können. Die vielfältigen Verbindungen zwischen den verschiedenen Konzepten zeigen jedoch, dass die experimentelle Teilchenphysik als Kontext für Konzepte der theoretischen Teilchenphysik, Nature of Science und andere Lehrplanthemen verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die Teilchenphysik im Unterricht eingeführt werden, selbst wenn diese (noch) nicht explizit im jeweiligen Lehrplan erwähnt wird. Das zweite Forschungsziel bestand darin, herauszufinden, welche Aspekte des Fachwissens Lehrpersonen über Teilchenphysik vermittelt werden sollen. Der Vergleich der Ergebnisse der Delphi-Studie mit den Resultaten der Lehrplananalyse und der Expert Concept Map zeigte, dass die Stakeholder im Allgemeinen erwarten, dass Lehrpersonen ihr Schulwissen im Sinne der Lehrpläne erweitern. Darüber hinaus wird von den Lehrpersonen erwartet, dass sie ihr Schulwissen vertiefen, indem sie lernen, wie sie Konzepte aus ihrem Schulwissen mit anderen Konzepten der Teilchenphysik verbinden können. Fortbildungsprogramme, die den Schwerpunkt auf die Verbesserung des Schulwissens und des vertieften Schulwissens der Lehrpersonen legen, unterstützen somit bestmöglich die Lehrpersonen beim Aufbau relevanter Zusammenhänge für ihren Unterricht. Insgesamt wurde im Rahmen dieses Promotionsprojekts der aktuelle Stand des Teilchenphysikunterrichts in der Oberstufe untersucht und es wurden Leitlinien für die künftige Aufwertung teilchenphysikalischer Inhalte in der Ausbildung von Jugendlichen und Lehrpersonen erarbeitet. Die Ergebnisse des Projekts unterstützen die aktuelle Einführung der Teilchenphysik im Oberstufenunterricht sowohl als expliziten Inhalt als auch als Kontext für andere Lehrplanthemen. Darüber hinaus ergeben sich aus der Methodik und den Ergebnissen dieses Forschungsprojekts mehrere Implikationen für Weiterbildungsprogramme und für die Physikdidaktik, die in den letzten Kapiteln dieser Dissertation diskutiert werden. KW - physics education KW - particle physics KW - high-school education KW - teacher professional development KW - Physik Lehramt KW - Teilchenphysik KW - Lehrerfortbildung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560260 ER - TY - THES A1 - Das, Samata T1 - Modelling particle acceleration in core-collapse supernova remnants inside circumstellar wind-blown bubbles T1 - Modellierung der Teilchenbeschleunigung in Kernkollaps-Supernova-Überresten innerhalb zirkumstellaren windgeblasenen Blasen N2 - Supernova remnants are considered to be the primary sources of galactic cosmic rays. These cosmic rays are assumed to be accelerated by the diffusive shock acceleration mechanism, specifically at shocks in the remnants. Particularly in the core-collapse scenario, these supernova remnant shocks expand inside the wind-blown bubbles structured by massive progenitors during their lifetime. Therefore, the complex environment of wind bubbles can influence the particle acceleration and radiation from the remnants. Further, the evolution of massive stars depends on their Zero Age Main Sequence mass, rotation, and metallicity. Consequently, the structures of the wind bubbles generated during the lifetime of massive stars should be considerably different. Hence, the particle acceleration in the core-collapse supernova remnants should vary, not only from the remnants evolving in the uniform environment but also from one another, depending on their progenitor stars. A core-collapse supernova remnant with a very massive 60 𝑀 ⊙ progenitor star has been considered to study the particle acceleration at the shock considering Bohm-like diffusion. This dissertation demonstrates the modification in particle acceleration and radiation while the remnant propagates through different regions of the wind bubble by impacts from the profiles of gas density, the temperature of the bubble and the magnetic field structure. Subsequently, in this thesis, I discuss the impacts of the non-identical ambient environment of core-collapse supernova remnants on particle spectra and the non-thermal emissions, considering 20 𝑀 ⊙ and 60 𝑀⊙ massive progenitors having different evolutionary tracks. Additionally, I also analyse the effect of cosmic ray streaming instabilities on particle spectra. To model the particle acceleration in the remnants, I have performed simulations in one-dimensional spherical symmetry using RATPaC code. The transport equation for cosmic rays and magnetic turbulence in test-particle approximation, along with the induction equation for the evolution of the large-scale magnetic field, have been solved simultaneously with the hydrodynamic equations for the expansion of remnants inside the pre-supernova circumstellar medium. The results from simulations describe that the spectra of accelerated particles in supernova remnants are regulated by density fluctuations, temperature variations, the large-scale magnetic field configuration and scattering turbulence. Although the diffusive shock acceleration mechanism at supernova remnant shock predicts the spectral index of 2 for the accelerated non-thermal particles, I have obtained the particle spectra that deviate from this prediction, in the core-collapse scenario. I have found that the particle spectral index reaches 2.5 for the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor when the remnant resides inside the shocked wind region of the wind bubble, and this softness persists at later evolutionary stages even with Bohm-like diffusion for accelerated particles. However, the supernova remnant with 20 𝑀 ⊙ progenitor does not demonstrate persistent softness in particle spectra from the influence of the hydrodynamics of the corresponding wind bubble. At later stages of evolution, the particle spectra illustrate softness at higher energies for both remnants as the consequence of the escape of high-energy particles from the remnants while considering the cosmic ray streaming instabilities. Finally, I have probed the emission morphology of remnants that varies depending on the progenitors, particularly in earlier evolutionary stages. This dissertation provides insight into different core-collapse remnants expanding inside wind bubbles, for instance, the calculated gamma-ray spectral index from the supernova remnant with 60 𝑀 ⊙ progenitor at later evolutionary stages is consistent with that of the observed supernova remnants expanding in dense molecular clouds. N2 - Supernova-Überreste gelten als die Hauptquellen der galaktischen kosmischen Strahlung. Diese kosmische Strahlung wird vermutlich durch den Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung beschleunigt, insbesondere durch Schocks in den Überresten. Insbesondere im Szenario des Kernkollapses werden diese Supernova-Überreste innerhalb der windgeblasenen Blasen aus, die von massiven Progenitoren während ihrer Lebenszeit. Daher kann die komplexe Umgebung der Windblasen die Teilchenbeschleunigung und die Strahlung der Überreste beeinflussen. Außerdem hängt die Entwicklung von massereichen Sternen von ihrer Masse, Rotation und Metallizität in der Nullzeit der Hauptreihe ab. Folglich sollten die Strukturen der Windblasen, die während der Lebensdauer massereicher Sterne erzeugt werden, sehr unterschiedlich sein. Folglich sollte die Teilchenbeschleunigung in den Kernkollaps Supernovaüberresten nicht nur von den Überresten unterscheiden, die sich in einer einheitlichen Umgebung, sondern auch voneinander, je nach ihren Vorgängersternen. Ein Kernkollaps-Supernova-Überrest mit einem sehr massereichen 60 𝑀 ⊙ Vorläuferstern wurde betrachtet, um die Teilchenbeschleunigung am Schock unter Berücksichtigung der Bohm-ähnlichen Diffusion zu untersuchen. Diese Dissertation zeigt die Veränderung der Teilchenbeschleunigung und der Strahlung, während sich der Überrest durch verschiedene Regionen der Windblase ausbreitet, anhand der Profile der Gasdichte, der Temperatur der Blase und der Magnetfeldstruktur. Anschließend diskutiere ich in dieser Arbeit die Auswirkungen der nicht-identischen Umgebung von Supernova-Überresten auf die Teilchenspektren und die nicht-thermischen Emissionen unter Berücksichtigung von 20 𝑀 ⊙ und 60 𝑀 ⊙ massiven Vorläufern mit unterschiedlichen Entwicklungspfaden. Darüber hinaus analysiere ich auch die Auswirkungen von Instabilitäten der kosmischen Strahlung auf die Teilchenspektren. Um die Teilchenbeschleunigung in den Überresten zu modellieren, habe ich Simulationen in eindimensionaler dimensionalen sphärischen Symmetrie mit dem RATPaC-Code durchgeführt. Die Transportgleichung für kosmische Strahlung und die magnetische Turbulenz in der Testteilchen-Näherung, zusammen mit der Induktionsgleichung Induktionsgleichung für die Entwicklung des großräumigen Magnetfeldes, wurden gleichzeitig mit den hydro-dynamischen Gleichungen für die Expansion der Überreste im zirkumstellaren Medium vor der Supernova zirkumstellaren Mediums gelöst. Die Ergebnisse der Simulationen beschreiben, dass die Spektren der beschleunigten Teilchen in Supernovaüberresten durch Dichtefluktuationen, Temperaturschwankungen, die großräumige Magnetfeldkonfiguration und Streuturbulenzen reguliert werden. Obwohl der Mechanismus der diffusiven Schockbeschleunigung im Supernova-Überrest einen Spektralindex von 2 für die beschleunigten nicht-thermischen Teilchen vorhersagt, habe ich im Szenario des Kernkollapses Teilchenspektren erhalten, die von dieser Vorhersage abweichen. Ich habe herausgefunden, dass der Spektralindex der Teilchen für den Supernova-Überrest mit einem 60 𝑀 ⊙ Vorläufer 2,5 erreicht, wenn sich der Überrest in der geschockten Windregion der Windblase befindet, und diese Schwäche bleibt auch in späteren Entwicklungsstadien bestehen, selbst bei einer Bohm-ähnlichen Diffusion für beschleunigte Teilchen. Der Supernova-Überrest mit 20 𝑀 ⊙ Vorläufer zeigt jedoch keine anhaltende Weichheit in Teilchenspektren durch den Einfluss der Hydrodynamik der entsprechenden Windblase. In späteren Entwicklungsstadien zeigen die Teilchenspektren für beide Überreste eine Weichheit bei höheren Energien als Folge des Entweichens hochenergetischer Teilchen aus den Überresten unter Berücksichtigung der Instabilitäten des kosmischen Strahlenstroms. Schließlich habe ich die Emissionsmorphologie der Überreste untersucht, die je nach den Vorläufern variiert, insbesondere in früheren Entwicklungsstadien. Diese Dissertation gibt Aufschluss über verschiedene Kernkollapsüberreste, die sich in Windblasen ausdehnen. So stimmt beispielsweise der berechnete Gammastrahlen-Spektralindex des Supernova-Überrests mit 60 𝑀 ⊙ Vorläufer in späteren Entwicklungsstadien mit dem der beobachteten Supernova-Überreste überein, die sich in dichten Molekülwolken ausdehnen. KW - stellar evolution KW - wind bubble KW - supernova remnant KW - particle acceleration KW - non-thermal emission KW - nicht-thermische Emission KW - Teilchenbeschleunigung KW - Sternentwicklung KW - Supernova-Überrest KW - Windblase Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-614140 ER - TY - THES A1 - Pfrang, Konstantin Johannes T1 - Search for light primordial black holes with VERITAS using gamma γ-ray and optical observations T1 - Suche nach leichten primordialen Schwarzen Löchern mit VERITAS anhand von Gammastrahlen- und optischen Beobachtungen N2 - The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) is an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes (IACTs). VERITAS is sensitive to very-high-energy gamma-rays in the range of 100 GeV to >30 TeV. Hypothesized primordial black holes (PBHs) are attractive targets for IACTs. If they exist, their potential cosmological impact reaches beyond the candidacy for constituents of dark matter. The sublunar mass window is the largest unconstrained range of PBH masses. This thesis aims to develop novel concepts searching for light PBHs with VERITAS. PBHs below the sublunar window lose mass due to Hawking radiation. They would evaporate at the end of their lifetime, leading to a short burst of gamma-rays. If PBHs formed at about 10^15 g, the evaporation would occur nowadays. Detecting these signals might not only confirm the existence of PBHs but also prove the theory of Hawking radiation. This thesis probes archival VERITAS data recorded between 2012 and 2021 for possible PBH signals. This work presents a new automatic approach to assess the quality of the VERITAS data. The array-trigger rate and far infrared temperature are well suited to identify periods with poor data quality. These are masked by time cuts to obtain a consistent and clean dataset which contains about 4222 hours. The PBH evaporations could occur at any location in the field of view or time within this data. Only a blind search can be performed to identify these short signals. This thesis implements a data-driven deep learning based method to search for short transient signals with VERITAS. It does not depend on the modelling of the effective area and radial acceptance. This work presents the first application of this method to actual observational IACT data. This thesis develops new concepts dealing with the specifics of the data and the transient detection method. These are reflected in the developed data preparation pipeline and search strategies. After correction for trial factors, no candidate PBH evaporation is found in the data. Thus, new constraints of the local rate of PBH evaporations are derived. At the 99% confidence limit it is below <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1. This constraint with the new, independent analysis approach is in the range of existing limits for the evaporation rate. This thesis also investigates an alternative novel approach to searching for PBHs with IACTs. Above the sublunar window, the PBH abundance is constrained by optical microlensing studies. The sampling speed, which is of order of minutes to hours for traditional optical telescopes, is a limiting factor in expanding the limits to lower masses. IACTs are also powerful instruments for fast transient optical astronomy with up to O(ns) sampling. This thesis investigates whether IACTs might constrain the sublunar window with optical microlensing observations. This study confirms that, in principle, the fast sampling speed might allow extending microlensing searches into the sublunar mass window. However, the limiting factor for IACTs is the modest sensitivity to detect changes in optical fluxes. This thesis presents the expected rate of detectable events for VERITAS as well as prospects of possible future next-generation IACTs. For VERITAS, the rate of detectable microlensing events in the sublunar range is ~10^-6 per year of observation time. The future prospects for a 100 times more sensitive instrument are at ~0.05 events per year. N2 - Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) ist ein Instrument mit vier atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACTs). VERITAS ist empfindlich für sehr hoch-energetische gamma-Strahlung im Bereich von 100 GeV bis >30 TeV. Hypothetische primordiale Schwarze Löcher (PBHs) sind interessante Ziele für IACTs. Falls sie existieren, könnte ihr potentieller kosmologischer Einfluss über die Möglichkeit, dass sie ein Bestandteil der dunklen Materie sind, hinausgehen. Der größte nicht eingeschränkte Bereich der PBH-Massen ist das sublunare Fenster. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte für die Suche nach leichten PBHs mit VERITAS zu entwickeln. Durch die Hawking-Strahlung verlieren PBHs unterhalb des sublunaren Fensters an Masse. Am Ende ihrer Lebenszeit verdampfen diese, was einen kurzen Ausbruch an gamma-Strahlung verursacht. Falls PBHs mit ~10^15 g entstanden sind, würde sich dieser Ausbruch in der heutigen Zeit ereignen. Der Nachweis dieser Signale könnte nicht nur die Existenz von PBHs bestätigen, sondern auch die Theorie der Hawking-Strahlung beweisen. In dieser Arbeit werden VERITAS-Daten aus den Jahren 2012 bis 2021 auf mögliche PBH-Signale untersucht. Es wird ein neuer automatisierter Ansatz zur Beurteilung der Qualität der VERITAS-Daten vorgestellt. Die Array-Trigger-Rate und die ferne Infrarot-Temperatur sind gut geeignet, um Zeiträume mit schlechter Datenqualität zu identifizieren. Diese werden maskiert, um einen konsistenten Datensatz zu erhalten, der etwa 4222 Stunden umfasst. Die PBH-Verdampfungen könnten an jeder beliebigen Stelle im Sichtfeld oder zu jeder beliebigen Zeit innerhalb dieser Daten auftreten. Zur Identifizierung dieser kurzen Signale kann nur eine Blindsuche durchgeführt werden. In dieser Arbeit wird eine datengestützte, auf Deep Learning basierende Methode zur Suche nach kurzen vorübergehenden Signalen mit VERITAS implementiert. Die Methode ist nicht von der Modellierung der effektiven Fläche und der radialen Akzeptanz abhängig. Diese Arbeit präsentiert die erste Anwendung dieser Methode mit echten IACT-Beobachtungsdaten. In dieser Arbeit werden neue Konzepte entwickelt, die sich mit den Besonderheiten der Daten und der Methode befassen. Sie spiegeln sich in der entwickelten Datenvorbereitung und den Suchstrategien wider. Nach Korrektur der Versuchsfaktoren wird in den Daten kein Kandidat für PBH-Verdampfung gefunden. Daher wird die lokale Rate von PBH-Verdampfungen auf unter <1.07 * 10^5 pc^-3 yr^-1 an der 99%-Konfidenzgrenze beschränkt. Dieses Limit, welches mit dem neuen, unabhängigen Analyseansatz erreicht wurde, liegt im Bereich der bestehenden Grenzwerte für die Verdunstungsrate. In dieser Arbeit wird auch ein alternativer neuer Ansatz für die Suche nach PBHs mit IACTs untersucht. Oberhalb des sublunaren Fensters wird die Existenz von PBHs durch optische Mikrolensing-Studien eingeschränkt. Für niedrige Massen ist die Abtastgeschwindigkeit, die bei herkömmlichen optischen Teleskopen in der Größenordnung von Minuten bis Stunden liegt, ein limitierender Faktor. IACTs sind auch leistungsstarke Instrumente für die schnelle optische Astronomie mit Abtastraten von bis zu O(ns). In dieser Arbeit wird untersucht, ob IACTs das sublunare Fenster mit optischen Mikrolensing-Beobachtungen beschränken könnten. Diese Studie bestätigt, dass die schnelle Abtastgeschwindigkeit eine Ausweitung der Mikrolensing-Suche auf das sublunare Massenfenster ermöglichen könnte. Der begrenzende Faktor für IACTs ist jedoch die eingeschränkte Empfindlichkeit, um Änderungen im optischen Fluss zu detektieren. In dieser Arbeit werden die erwarteten Raten der nachweisbaren Ereignisse für VERITAS sowie für mögliche zukünftige IACTs der nächsten Generation vorgestellt. Für VERITAS beträgt die Rate der nachweisbaren Microlensing-Ereignisse im sublunaren Bereich ~10^-6 pro Jahr. Die Zukunftsaussichten für ein 100-mal empfindlicheres Instrument liegen bei ~0,05 Ereignissen pro Jahr. KW - PBH KW - dark matter KW - primordial black holes KW - microlensing KW - gamma-rays KW - deep learning KW - LSTM KW - LSTM KW - PBH KW - Dunkle Materie KW - Deep Learning KW - Gammastrahlung KW - Microlensing KW - Primordiale Schwarzen Löchern Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587266 ER - TY - THES A1 - Brose, Robert T1 - From dawn till dusk BT - modelling particle acceleration in supernova remnants N2 - Supernova remnants are believed to be the source of cosmic rays with energies up to 10^15 eV that are produced within our Galaxy. The acceleration mechanism associated with the collision-less shocks in supernova remnants - diffusive shock acceleration - predicts a spectral index of the accelerated non-thermal particles of s = 2. However, measurements of non-thermal emission in radio, X-rays and gamma-rays reveal significant deviations of the particles spectral index from the canonical value of s = 2. The youngest Galactic supernova remnant G1.9+0.3 is an interesting target for next-generation gamma-ray observatories. So far, the remnant is only detected in the radio and the X-ray bands, but its young age of ≈100 yrs and inferred shock speed of ≈ 14, 000 km/s could make it an efficient particle accelerator. I performed spherical symmetric 1D simulations with the RATPaC code, in which I simultaneously solved the transport equation for cosmic rays, the transport equation for magnetic turbulence, and the hydro-dynamical equations for the gas flow. Separately computed distributions of the particles accelerated at the forward and the reverse shock were then used to calculate the spectra of synchrotron, inverse Compton, and Pion-decay radiation from the source. The emission from G1.9+0.3 can be self-consistently explained within the test-particle limit. I find that the X-ray flux is dominated by emission from the forward shock while most of the radio emission originates near the reverse shock, which makes G1.9+0.3 the first remnant with non-thermal radiation detected from the reverse shock. The flux of very-high-energy gamma-ray emission from G1.9+0.3 is expected to be close to the sensitivity threshold of the Cherenkov Telescope Array. The limited time available to grow large-scale turbulence limits the maximum energy of particles to values below 100 TeV, hence G1.9+0.3 is not a PeVatron. Although there are many models for the acceleration of cosmic rays in Supernova remnants, the escape of cosmic rays from these sources is yet understudied. I use our time-dependent acceleration code RATPaC to study the acceleration of cosmic rays and their escape in post-adiabatic Supernova remnants and calculate the subsequent gamma-ray emission from inverse-Compton scattering and Pion decay. My simulations span 100,000 years, thus covering the free-expansion, the Sedov-Taylor, and the beginning of the post-adiabatic phase of the remnant’s evolution. At later stages of the evolution cosmic rays over a wide range of energy can reside outside of the remnant, creating spectra that are softer than predicted by standard diffusive shock acceleration and feature breaks in the 10 - 100 GeV-range. The total spectrum of cosmic rays released into the interstellar medium has a spectral index of s ≈ 2.4 above roughly 10 GeV which is close to that required by Galactic propagation models. I further find the gamma-ray luminosity to peak around an age of 4,000 years for inverse-Compton-dominated high-energy emission. Remnants expanding in low-density media emit generally more inverse-Compton radiation matching the fact that the brightest known supernova remnants - RCW86, Vela Jr, HESSJ1721-347 and RXJ1713.7-3946 - are all expanding in low density environments. The importance of feedback from the cosmic-rays on the hydrodynamical evolution of the remnants is debated as a possibility to obtain soft cosmic-ray spectra at low energies. I performed spherically symmetric 1-D simulations with a modified version of the RATPaC code, in which I simultaneously solve the transport equation for cosmic rays and the hydrodynamical equations, including the back-reaction of the cosmic-ray pressure on the flow profiles. Besides the known modification of the flow profiles and the consequently curved cosmic-ray spectra, steady-state models for non-linear diffusive shock acceleration overpredict the total compression ratio that can be reached with cosmic-ray feedback, as there is limited time for building these modifications. Further, I find modifications to the downstream flow structure that change the evolutionary behavior of the remnant and trigger a cosmic-ray-induced instability close to the contact discontinuity, if and when the cosmic-ray pressure becomes dominant there. N2 - Es wird vermutet das Supernovaüberreste die Quelle der galaktischen kosmischen Strahlung mit Energien bis zu 10^15eV sein können. Der Beschleunigungsprozess der mit den kollisionsfreien Schocks in Supernovaüberresten in Verbindung gebracht wird - diffuse Schockwellenbeschleunigung - sagt nicht-thermische Teilchenspektren mit einem Spektralindex von s=2 voraus. Messungen nicht-thermischer Strahlung im Radio-, Röntgen- und Gammastrahlenbereich zeigen teils deutliche Abweichungen von dieser Vorhersage. Der jüngste galaktische Supernovaüberrest G1.9+0.3 ist ein interessantes Ziel für zukünftige Gammastrahlenteleskope. Bis jetzt wurde der Überrest nur im Radio- und Röntgenband entdeckt aber sein geringes Alter von ~100 Jahren und die gemessenen hohen Schockgeschwindigkeiten von ~14,000km/s sollten Teilchenbeschleunigung auch bis zu sehr hohen Energien ermöglichen. In dieser Arbeit wurden 1D-Simulationen der Teilchenbeschleunigung in G1.9+0.3 mit Hilfe der RATPaC-Programmbibliothek durchgeführt, wobei das System der gekoppelten Differentialgleichungen für den Teilchentransport, den Transport der magnetischen Turbulenz und der Standardgasgleichungen gelöst wurde. Die separat berechneten Verteilungen der Teilchen an Vorwärts- und Rückwärtsschock wurden benutzt um die Emission des Überrests im Radio-, Röntgen und Gammastrahlungsbereich zu bestimmen. Die Emissionen von G1.9+0.3 können selbst konsistent in der Testteilchennäherung bestimmt werden. Die Röntgenemission wird vom Vorwärtsschock dominiert, während die Radioemissionen hauptsächlich vom Rückwätsschock stammen. Dies macht G1.9+0.3 zum ersten Überrest mit detektierter nich-thermischer Strahlung aus dem Bereich des Rückwärtsschocks. Die erwartet Gammastrahlungsemission ist nahe dem Detektionslimit des zukünftigen Cherenkov Telescope Arrays. Die geringe Alter von G1.9+0.3 begrenzt die Maximalenergie, die im Beschleunigungsprozess erreicht werden kann auf Werte unterhalb von 100TeV. Demnach ist G1.9+0.3 kein PeVatron. Auch wenn es zahlreiche Modelle zur Teilchenbeschleunigung in Supernovaüberresten gibt, ist das Entkommen der Teilchen aus den Überresten zur Zeit wenig erforscht. Mit Hilfe von RATPaC haben wir die Evolution und Teilchenbeschleunigung in Supernovaüberresten über 100,000 Jahre simuliert. Dieser Zeitraum deckt einen Großteil der Lebensspanne eines Supernovaüberrests ab und endet mit der letzten Teil der postadiabatischen Phase der Entwicklung des Überrests. In den späten Phasen der Entwicklung des Überrests können Teilchen in einem großen Energiebereich aus dem Überrest entweichen. Dies erzeugt Emissionspektren, die weicher sind als durch Fermibeschleunigung vorhergesagt, und die spektrale Brüche im Bereich von 10-100GeV aufweisen. Das Produktionsspektren der Überreste hat einen spektralen Index von s~2.4 oberhalb von 10GeV, was ungefähr mit den Spektren übereinstimmt, die Quellen in galaktischen Propagationsmodellen aufweisen müssen. Weiterhin erreichen die Überreste ihre größte Helligkeit im Gammabereich nach etwa 4000 Jahren wenn diese durch inverse Comptonstreuung erzeugt werden. Dabei erreichen Überreste in Medien mit geringer Umgebungsdichte größere Helligkeiten, was sich mit den Beobachtungen der hellsten Supernovaüberreste - RCW86, Vela Jr., HESSJ1721-347 und RXJ1713.7-3946 - deckt, die alle in Bereichen sehr geringer Umgebungsdichte expandieren. In der Literatur wird die Möglichkeit diskutiert, dass die Rückkopplung der Beschleunigten Teilchen auf die Struktur der Überreste für die beobachteten weichen Strahlungsspektren verantwortlich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modifizierte Version von RATPaC entwickelt, die diesen Prozess abbilden kann. Neben den bekannten Rückkopplungen zeigt sich, dass bisherige Modelle unter der Annahme eines Gleichgewichtszustandes für die beschleunigten Teilchen die erreicht maximal Kompression des Plasmas durch den Schock und damit die Härte der Teilchenspektren überschätzen. In unseren zeit aufgelösten Berechnungen ist die maximale Kompression durch die limitierte verfügbare Zeit begrenzt. Zusätzlich zeigt sich das Auftreten einer Instabilität die durch die Rückkopplung der kosmischen Strahlung nahe der Kontaktdiskontinuität hervorgerufen wird. KW - supernova remnant KW - particle acceleration KW - gamma rays KW - Supernovaüberrest KW - Teilchenbeschleunigung KW - Gammastrahlung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470865 ER - TY - THES A1 - Håkansson, Nils T1 - A Dark Matter line search using 3D-modeling of Cherenkov showers below 10 TeV with VERITAS T1 - Die Suche nach Dunkler Materie mit VERITAS durch Liniensuche und 3D Modellierung von Cherenkov-Schauern unter 10 TeV N2 - Dark matter, DM, has not yet been directly observed, but it has a very solid theoretical basis. There are observations that provide indirect evidence, like galactic rotation curves that show that the galaxies are rotating too fast to keep their constituent parts, and galaxy clusters that bends the light coming from behind-lying galaxies more than expected with respect to the mass that can be calculated from what can be visibly seen. These observations, among many others, can be explained with theories that include DM. The missing piece is to detect something that can exclusively be explained by DM. Direct observation in a particle accelerator is one way and indirect detection using telescopes is another. This thesis is focused on the latter method. The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, V ERITAS, is a telescope array that detects Cherenkov radiation. Theory predicts that DM particles annihilate into, e.g., a γγ pair and create a distinctive energy spectrum when detected by such telescopes, e.i., a monoenergetic line at the same energy as the particle mass. This so called ”smoking-gun” signature is sought with a sliding window line search within the sub-range ∼ 0.3 − 10 TeV of the VERITAS energy range, ∼ 0.01 − 30 TeV. Standard analysis within the VERITAS collaboration uses Hillas analysis and look-up tables, acquired by analysing particle simulations, to calculate the energy of the particle causing the Cherenkov shower. In this thesis, an improved analysis method has been used. Modelling each shower as a 3Dgaussian should increase the energy recreation quality. Five dwarf spheroidal galaxies were chosen as targets with a total of ∼ 224 hours of data. The targets were analysed individually and stacked. Particle simulations were based on two simulation packages, CARE and GrISU. Improvements have been made to the energy resolution and bias correction, up to a few percent each, in comparison to standard analysis. Nevertheless, no line with a relevant significance has been detected. The most promising line is at an energy of ∼ 422 GeV with an upper limit cross section of 8.10 · 10^−24 cm^3 s^−1 and a significance of ∼ 2.73 σ, before trials correction and ∼ 1.56 σ after. Upper limit cross sections have also been calculated for the γγ annihilation process and four other outcomes. The limits are in line with current limits using other methods, from ∼ 8.56 · 10^−26 − 6.61 · 10^−23 cm^3s^−1. Future larger telescope arrays, like the upcoming Cherenkov Telescope Array, CTA, will provide better results with the help of this analysis method. N2 - Dunkle Materie, DM, wurde noch nicht direkt beobachtet, aber die Theorie ist sehr solide. Es gibt Beobachtungen, die als indirekte Beweise gelten, z.B. galaktische Rotationskurven, die besagen, dass Galaxien zu schnell rotieren um ohne eine zusätzliche Massenkomponente zusammenhalten zu können, oder elliptische Zwerggalaxien, die massereicher sind als die sichtbare Materie vermuten lässt. Diese Beobachtungen könnten z.B. mit dem Vorhandensein von DM erkärt werden, aber bis jetzt fehlt die Beobachtung eines Phänomens, das ausschließlich durch DM erklärt werden kann. Eine Möglichkeit wäre die Beobachtung einer speziellen Energiesignatur durch Teleskope, welche das Thema der vorliegenden Arbeit ist. Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, VERITAS, ist ein Teleskoparray für Cherenkov-Strahlung. Entsprechend der Theorie sollten Teilchen dunkler Materie annihilieren und z.B. ein γγ Paar bilden. Dieses sollte im Teleskop eine spezielle Energiesignatur hinterlassen, nämlich eine monoenergetische Linie bei einer Energie, die der Teilchenmasse entspricht. Diese ”smoking-gun” Signatur wird mit einer sliding window Liniensuche bei Energien < 10TeV gesucht. In der VERITAS Kollaboration werden standardm¨aßig eine Hillas-Analyse und Nachschlagetabellen aus Teilchensimulationen verwendet, um die Energie des Teilchens zu berechnen, das den Cherenkov-Schauer verursacht hat. Hier wird eine verbesserte Analysemethode verwendet. Dabei wird jeder Schauer als 3D-Gaußkurve modelliert, was die Qualität der Energierekonstruktion erheblich verbessern sollte. Dafur wurden funf elliptische Zwerggalaxien beobachtet und einzeln sowie insgesamt analysiert, insgesamt ~ 224 h Beobachtungszeit. Dabei werden zwei verschiedene Teilchensimulationsprogramme verwendet, CARE und GrISU. In dieser Arbeit wurde die Energieauflösung und die Bias-Korrektur um einige Prozent gegen¨uber der Standardanalyse verbessert. Es wurde jedoch keine signifikante Linie detektiert. Die vielversprechendste Linie befindet sich bei einer Energie von ~ 422GeV und hat einen Querschnitt von 8.10·10^−24 cm^3 s^−1 und ein Signifikanzlevel von ~ 2.73 σ bzw. 1.56σ vor bzw. nach statistischer Korrektur. Außerdem wurden obere Grenzwerte fur verschiedene Annihilierungsprozesse berechnet. Sie stimmen mit anderen aktuellen Grenzwerten überein (~ 8.56 · 10^−26 − 6.61 · 10^−23 cm^3s^−1). Zukünftig werden mehr Beobachtungsdaten und neue Teleskoparrays, wie das Cherenkov Telescope Array, CTA, mit Hilfe dieser Analysemethode bessere Ergebnisse ermöglichen. KW - Dark Matter KW - line search KW - VERITAS KW - 3D-modeling KW - Cherenkov showers KW - Dunkler Materie KW - Line Suche KW - VERITAS KW - 3D Modellierung KW - Cherenkov-Schauern Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397670 ER - TY - THES A1 - Imperia, Paolo T1 - Localised states in organic semiconductors and their detection N2 - In den letzten Jahren ist eine Vielzahl neuer organischer Polymere und niedermolekularer Verbindungen synthetisiert worden, die sich als aktive Komponente für Elektrolumineszenz-Bauelemente und andere elektronische Anwendungen eignen. Trotz der großen technologischen Bedeutung und des erheblichen Fortschrittes, der bei der Herstellung solcher Materialien erzielt worden ist, sind grundlegende physikalische Eigenschaften dieser Materialklassen noch nicht ausreichend erforscht. Insbesondere das Auftreten lokalisierter Zustände innerhalb der Bandlücke hat besondere Bedeutung für ihre elektronischen Eigenschaften. Sowohl die Präsenz dieser flachen traps (Fallen, Löcher) als auch der Einfluß der Herstellungsbedingungen auf die tiefen und flachen lokalisierten Zustände wurden bisher nicht systematisch untersucht. Thermische Techniken sind wichtige Methoden, um lokalisierte Niveaus in organischen und anorganischen Materialien zu erforschen. Themisch-Stimulierte Lumineszenz (TSL), Thermisch-Stimulierte Ströme (TSC) und Thermisch-Stimulierte Depolarisierte Ströme (TSDC) ermöglichen die Untersuchung flacher und tiefer traps; in Verbindung mit DiElektrischer Spektroskopie (DES) können außerdem Polarisations- und Depolarisationseffekte studiert werden. Mit Hilfe numerischer Simulationen haben wir die kinetischen Gleichungen erster und zweiter Ordnung untersucht, die sich durch schwaches bzw. starkes Wieder-Fangen beschreiben lassen. In diesen Gleichungen haben wir Gaussian-, exponentielle und quasi-kontinuierliche Verteilungen von lokalisierten Zustände berücksichtigt. Durch Veränderung der beiden wichtigsten Parameter (Tiefe der traps E und Häufigkeit) konnte die Form der thermischen Maxima untersucht werden. Auch die die Gaussian-Verteilung bestimmenden Faktoren wurden verändert. Diese theoretischen Ergebnisse wurden auf die experimentellen Glow-Kurven angewandt. Dünne Filme aus polymeren und niedermolekularen Verbindungen (Polyphenylquinoxaline, Trisphenylquinoxaline und Oxadiazole), die wegen ihrer technologischen Bedeutung ausgewählt wurden, zeigen komplexes thermisches Verhalten. Insbesondere hoch geordnete Filme eines amphiphil substituierten 2-(p-nitrophenyl)-5-(p-undecylamidophenyl)-1,3,4-oxadiazols (NADPO) zeichnen sich durch komplexe TSL-Diagramme aus. Im Bereich von Em = 4 meV wurde eine Region flacher traps gefunden. Zwei weitere TSL-Maxima treten bei Tm = 221.5 K bzw. Tm = 254.2 K auf. Sie besitzen Aktivierungsenergien von Em= 0.63 eV bzw. Em = 0.66 eV, ihre Frequenzfaktoren betragen s = 2.4x1012 s-1 bzw. s = 1.85x1011 s-1, sie zeigen Breiten der Verteilung von s = 0.045 eV bzw. s = 0.088 eV. Des weiteren zeigt diese Arbeit, daß die Form der Glow-Kurven stark von der Anregungstemperatur und vom thermischen Kreislauf beeinflußt wird. N2 - New polymers and low molecular compounds, suitable for organic light emitting devices and organic electronic applications, have been synthesised in this years in order to obtain electron transport characteristics compatible with requirements for applications in real plastic devices. However, despite of the technological importance and of the relevant progress in devices manufacture, fundamental physical properties of such class of materials are still not enough studied. In particular extensive presence of distributions of localised states inside the band gap has a deep impact on their electronic properties. Such presence of shallow traps as well as the influence of the sample preparation conditions on deep and shallow localised states have not been, until now, systematically explored. The thermal techniques are powerful tools in order to study localised levels in inorganic and organic materials. Thermally stimulated luminescence (TSL), thermally stimulated currents (TSC) and thermally stimulated depolarisation currents (TSDC) allow to deeply look to shallow and deep trap levels as well as they permit to study, in synergy with dielectric spectroscopy (DES), polarisation and depolarisation effects. We studied, by means of numerical simulations, the first and the second order kinetic equations characterised by negligible and strong re-trapping respectively. We included in the equations Gaussian, exponential and quasi-continuous distributions of localised states. The shapes of the theoretical peaks have been investigated by means of systematic variation of the two main parameters of the equations, i. e. the energy trap depth E and the frequency factor a and of the parameters regulating the distributions, in particular for a Gaussian distribution the distribution width s and the integration limits. The theoretical findings have been applied to experimental glow curves. Thin films of polymers and low molecular compounds. Polyphenylquinoxalines, trisphenylquinoxalines and oxadiazoles, studied because of their technological relevance, show complex thermograms, having several levels of localised states and depolarisation peaks. In particular well ordered films of an amphiphilic substituted 2-(p-nitrophenyl)-5-(p-undecylamidophenyl)-1,3,4-oxadiazole (NADPO) are characterised by rich TSL thermograms. A wide region of shallow traps, localised at Em = 4 meV, has been successfully fit by means of a first order kinetic equation having a Gaussian distribution of localised states. Two further peaks, having a different origin, have been characterised. The peaks at Tm = 221.5 K and Tm = 254.2 have activation energy of Em= 0.63 eV and Em = 0.66 eV, frequency factor s = 2.4x1012 s-1 and s = 1.85x1011 s-1, distribution width s = 0.045 eV and s = 0.088 eV respectively. Increasing the number of thermal cycle, a peak, probably connected with structural defects, appears at Tm = 197.7 K. The numerical analysis of this peak was performed by means of a first order equation containing a Gaussian distribution of traps. The activation energy of the trap level is centred at Em = 0.55 eV. The distribution is perfectly symmetric with a quite small width s = 0.028 eV. The frequency factor is s = 1.15 x 1012 s-1, resulting of the same order of magnitude of its neighbour peak at Tm = 221.5 K, having both, probably, the same origin. Furthermore the work demonstrates that the shape of the glow curves is strongly influenced by the excitation temperature and by the thermal cycles. For that reason Gaussian distributions of localised states can be confused with exponential distributions if the previous thermal history of the samples is not adequately considered. KW - Themisch-Stimulierte Lumineszenz KW - TSL KW - Verteilungen von lokalisierten Zustände KW - Thermally stimulated luminescence KW - TSL KW - distributions of localised states Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000477 ER - TY - THES A1 - Schubert, Marcel T1 - Elementary processes in layers of electron transporting Donor-acceptor copolymers : investigation of charge transport and application to organic solar cells T1 - Elementare Prozesse in Schichten elektronen-transportierender Donator-Akzeptor-Copolymere : Untersuchung des Ladungstransports und Anwendung in Organischen Solarzellen N2 - Donor-acceptor (D-A) copolymers have revolutionized the field of organic electronics over the last decade. Comprised of a electron rich and an electron deficient molecular unit, these copolymers facilitate the systematic modification of the material's optoelectronic properties. The ability to tune the optical band gap and to optimize the molecular frontier orbitals as well as the manifold of structural sites that enable chemical modifications has created a tremendous variety of copolymer structures. Today, these materials reach or even exceed the performance of amorphous inorganic semiconductors. Most impressively, the charge carrier mobility of D-A copolymers has been pushed to the technologically important value of 10 cm^{2}V^{-1}s^{-1}. Furthermore, owed to their enormous variability they are the material of choice for the donor component in organic solar cells, which have recently surpassed the efficiency threshold of 10%. Because of the great number of available D-A copolymers and due to their fast chemical evolution, there is a significant lack of understanding of the fundamental physical properties of these materials. Furthermore, the complex chemical and electronic structure of D-A copolymers in combination with their semi-crystalline morphology impede a straightforward identification of the microscopic origin of their superior performance. In this thesis, two aspects of prototype D-A copolymers were analysed. These are the investigation of electron transport in several copolymers and the application of low band gap copolymers as acceptor component in organic solar cells. In the first part, the investigation of a series of chemically modified fluorene-based copolymers is presented. The charge carrier mobility varies strongly between the different derivatives, although only moderate structural changes on the copolymers structure were made. Furthermore, rather unusual photocurrent transients were observed for one of the copolymers. Numerical simulations of the experimental results reveal that this behavior arises from a severe trapping of electrons in an exponential distribution of trap states. Based on the comparison of simulation and experiment, the general impact of charge carrier trapping on the shape of photo-CELIV and time-of-flight transients is discussed. In addition, the high performance naphthalenediimide (NDI)-based copolymer P(NDI2OD-T2) was characterized. It is shown that the copolymer posses one of the highest electron mobilities reported so far, which makes it attractive to be used as the electron accepting component in organic photovoltaic cells.\par Solar cells were prepared from two NDI-containing copolymers, blended with the hole transporting polymer P3HT. I demonstrate that the use of appropriate, high boiling point solvents can significantly increase the power conversion efficiency of these devices. Spectroscopic studies reveal that the pre-aggregation of the copolymers is suppressed in these solvents, which has a strong impact on the blend morphology. Finally, a systematic study of P3HT:P(NDI2OD-T2) blends is presented, which quantifies the processes that limit the efficiency of devices. The major loss channel for excited states was determined by transient and steady state spectroscopic investigations: the majority of initially generated electron-hole pairs is annihilated by an ultrafast geminate recombination process. Furthermore, exciton self-trapping in P(NDI2OD-T2) domains account for an additional reduction of the efficiency. The correlation of the photocurrent to microscopic morphology parameters was used to disclose the factors that limit the charge generation efficiency. Our results suggest that the orientation of the donor and acceptor crystallites relative to each other represents the main factor that determines the free charge carrier yield in this material system. This provides an explanation for the overall low efficiencies that are generally observed in all-polymer solar cells. N2 - Donator-Akzeptor (D-A) Copolymere haben das Feld der organischen Elektronik revolutioniert. Bestehend aus einer elektronen-reichen und einer elektronen-armen molekularen Einheit,ermöglichen diese Polymere die systematische Anpassung ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften. Zu diesen zählen insbesondere die optische Bandlücke und die Lage der Energiezustände. Dabei lassen sie sich sehr vielseitig chemisch modifizieren, was zu einer imensen Anzahl an unterschiedlichen Polymerstrukturen geführt hat. Dies hat entscheidend dazu beigetragen, dass D-A-Copolymere heute in Bezug auf ihren Ladungstransport die Effizienz von anorganischen Halbleitern erreichen oder bereits übetreffen. Des Weiteren lassen sich diese Materialien auch hervorragend in Organischen Solarzellen verwenden, welche jüngst eine Effizienz von über 10% überschritten haben. Als Folge der beträchtlichen Anzahl an unterschiedlichen D-A-Copolymeren konnte das physikalische Verständnis ihrer Eigenschaften bisher nicht mit dieser rasanten Entwicklung Schritt halten. Dies liegt nicht zuletzt an der komplexen chemischen und mikroskopischen Struktur im Film, in welchem die Polymere in einem teil-kristallinen Zustand vorliegen. Um ein besseres Verständnis der grundlegenden Funktionsweise zu erlangen, habe ich in meiner Arbeit sowohl den Ladungstransport als auch die photovoltaischen Eigenschaften einer Reihe von prototypischen, elektronen-transportierenden D-A Copolymeren beleuchtet. Im ersten Teil wurden Copolymere mit geringfügigen chemischen Variationen untersucht. Diese Variationen führen zu einer starken Änderung des Ladungstransportverhaltens. Besonders auffällig waren hier die Ergebnisse eines Polymers, welches sehr ungewöhnliche transiente Strom-Charakteristiken zeigte. Die nähere Untersuchung ergab, dass in diesem Material elektrisch aktive Fallenzustände existieren. Dieser Effekt wurde dann benutzt um den Einfluss solcher Fallen auf transiente Messung im Allgemeinen zu beschreiben. Zusätzlich wurde der Elektronentransport in einem neuartigen Copolymer untersucht, welche die bis dato größte gemesse Elektronenmobilität für konjugierte Polymere zeigte. Darauf basierend wurde versucht, die neuartigen Copolymere als Akzeptoren in Organischen Solarzellen zu implementieren. Die Optimierung dieser Zellen erwies sich jedoch als schwierig, konnte aber erreicht werden, indem die Lösungseigenschaften der Copolymere untersucht und systematisch gesteuert wurden. Im Weiteren werden umfangreiche Untersuchungen zu den relevanten Verlustprozessen gezeigt. Besonders hervorzuheben ist hier die Beobachtung, dass hohe Effizienzen nur bei einer coplanaren Packung der Donator/Akzeptor-Kristalle erreicht werden können. Diese Struktureigenschaft wird hier zum ersten Mal beschrieben und stellt einen wichtigen Erkenntnisgewinn zum Verständnis von Polymersolarzellen dar. KW - Organische Solarzellen KW - Ladungstransport KW - Donator-Akzeptor-Copolymere KW - Alternative Akzeptorpolymere KW - Polymer-Kristalle KW - organic solar cells KW - charge transport KW - Donor-acceptor copolymers KW - alternative electron acceptors KW - polymer crystal orientation Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70791 ER - TY - THES A1 - Pingel, Patrick T1 - Morphology, charge transport properties, and molecular doping of thiophene-based organic semiconducting thin films T1 - Morphologie, Ladungstransporteigenschaften und molekulares Dotieren thiophenbasierter organischer Halbleiterschichten N2 - Organic semiconductors combine the benefits of organic materials, i.e., low-cost production, mechanical flexibility, lightweight, and robustness, with the fundamental semiconductor properties light absorption, emission, and electrical conductivity. This class of material has several advantages over conventional inorganic semiconductors that have led, for instance, to the commercialization of organic light-emitting diodes which can nowadays be found in the displays of TVs and smartphones. Moreover, organic semiconductors will possibly lead to new electronic applications which rely on the unique mechanical and electrical properties of these materials. In order to push the development and the success of organic semiconductors forward, it is essential to understand the fundamental processes in these materials. This thesis concentrates on understanding how the charge transport in thiophene-based semiconductor layers depends on the layer morphology and how the charge transport properties can be intentionally modified by doping these layers with a strong electron acceptor. By means of optical spectroscopy, the layer morphologies of poly(3-hexylthiophene), P3HT, P3HT-fullerene bulk heterojunction blends, and oligomeric polyquaterthiophene, oligo-PQT-12, are studied as a function of temperature, molecular weight, and processing conditions. The analyses rely on the decomposition of the absorption contributions from the ordered and the disordered parts of the layers. The ordered-phase spectra are analyzed using Spano’s model. It is figured out that the fraction of aggregated chains and the interconnectivity of these domains is fundamental to a high charge carrier mobility. In P3HT layers, such structures can be grown with high-molecular weight, long P3HT chains. Low and medium molecular weight P3HT layers do also contain a significant amount of chain aggregates with high intragrain mobility; however, intergranular connectivity and, therefore, efficient macroscopic charge transport are absent. In P3HT-fullerene blend layers, a highly crystalline morphology that favors the hole transport and the solar cell efficiency can be induced by annealing procedures and the choice of a high-boiling point processing solvent. Based on scanning near-field and polarization optical microscopy, the morphology of oligo-PQT-12 layers is found to be highly crystalline which explains the rather high field-effect mobility in this material as compared to low molecular weight polythiophene fractions. On the other hand, crystalline dislocations and grain boundaries are identified which clearly limit the charge carrier mobility in oligo-PQT-12 layers. The charge transport properties of organic semiconductors can be widely tuned by molecular doping. Indeed, molecular doping is a key to highly efficient organic light-emitting diodes and solar cells. Despite this vital role, it is still not understood how mobile charge carriers are induced into the bulk semiconductor upon the doping process. This thesis contains a detailed study of the doping mechanism and the electrical properties of P3HT layers which have been p-doped by the strong molecular acceptor tetrafluorotetracyanoquinodimethane, F4TCNQ. The density of doping-induced mobile holes, their mobility, and the electrical conductivity are characterized in a broad range of acceptor concentrations. A long-standing debate on the nature of the charge transfer between P3HT and F4TCNQ is resolved by showing that almost every F4TCNQ acceptor undergoes a full-electron charge transfer with a P3HT site. However, only 5% of these charge transfer pairs can dissociate and induce a mobile hole into P3HT which contributes electrical conduction. Moreover, it is shown that the left-behind F4TCNQ ions broaden the density-of-states distribution for the doping-induced mobile holes, which is due to the longrange Coulomb attraction in the low-permittivity organic semiconductors. N2 - Organische Halbleiter kombinieren die molekulare Vielfalt und Anpassbarkeit, die mechanische Flexibilität und die preisgünstige Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen mit fundamentalen Halbleitereigenschaften wie Lichtabsorption und -emission und elektrischer Leitfähigkeit. Unlängst finden organische Leuchtdioden Anwendung in den Displays von TV-Geräten und Smartphones. Für die weitere Entwicklung und den Erfolg organischer Halbleiter ist das Verständnis derer physikalischer Grundlagen unabdingbar. Ein für viele Bauteile fundamentaler Prozess ist der Transport von Ladungsträgern in der organischen Schicht. Die Ladungstransporteigenschaften werden maßgeblich durch die Struktur dieser Schicht bestimmt, z.B. durch den Grad der molekularen Ordnung, die molekulare Verbindung von kristallinen Domänen und durch Defekte der molekularen Packung. Mittels optischer Spektroskopie werden in dieser Arbeit die temperatur-, molekulargewichts- und lösemittelabhängigen Struktureigenschaften poly- und oligothiophenbasierter Schichten untersucht. Dabei basiert die Analyse der Absorptionsspektren auf der Zerlegung in die spezifischen Anteile geordneten und ungeordneten Materials. Es wird gezeigt, dass sich hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten dann erreichen lassen, wenn der Anteil der geordneten Bereiche und deren molekulare Verbindung in den Schichten möglichst hoch und die energetische Unordnung in diesen Bereichen möglichst klein ist. Der Ladungstransport in organischen Halbleitern kann außerdem gezielt beeinflusst werden, indem die Ladungsträgerdichte und die elektrische Leitfähigkeit durch molekulares Dotieren, d.h. durch das Einbringen von Elektronenakzeptoren oder -donatoren, eingestellt werden. Obwohl der Einsatz dotierter Schichten essentiell für effiziente Leuchtdioden und Solarzellen ist, ist der Mechanismus, der zur Erzeugung freier Ladungsträger im organischen Halbleiter führt, derzeit unverstanden. In dieser Arbeit wird der Ladungstransfer zwischen dem prototypischen Elektronendonator P3HT und dem Akzeptor F4TCNQ untersucht. Es wird gezeigt, dass, entgegen verbreiteter Vorstellungen, fast alle F4TCNQ-Akzeptoren einen ganzzahligen Ladungstransfer mit P3HT eingehen, aber nur 5% dieser Paare dissoziieren und einen beweglichen Ladungsträger erzeugen, der zur elektrischen Leitfähigkeit beiträgt. Weiterhin wird gezeigt, dass die zurückgelassenen F4TCNQ-Akzeptorionen Fallenzustände für die beweglichen Ladungsträger darstellen und so die Ladungsträgerbeweglichkeit in P3HT bei schwacher Dotierung absinkt. Die elektrischen Kenngrößen Ladungsträgerkonzentration, Beweglichkeit und Leitfähigkeit von F4TCNQ-dotierten P3HT-Schichten werden in dieser Arbeit erstmals in weiten Bereichen verschiedener Akzeptorkonzentrationen untersucht. KW - Polythiophen KW - organische Elektronik KW - molekulares Dotieren KW - organischer Halbleiter KW - Morphologie KW - polythiohene KW - organic electronics KW - molecular doping KW - organic semiconductor KW - morphology Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69805 ER - TY - THES A1 - Bange, Sebastian T1 - Transient optical and electrical effects in polymeric semiconductors T1 - Transiente optische und elektrische Effekte in polymeren Halbeitern N2 - Classical semiconductor physics has been continuously improving electronic components such as diodes, light-emitting diodes, solar cells and transistors based on highly purified inorganic crystals over the past decades. Organic semiconductors, notably polymeric, are a comparatively young field of research, the first light-emitting diode based on conjugated polymers having been demonstrated in 1990. Polymeric semiconductors are of tremendous interest for high-volume, low-cost manufacturing ("printed electronics"). Due to their rather simple device structure mostly comprising only one or two functional layers, polymeric diodes are much more difficult to optimize compared to small-molecular organic devices. Usually, functions such as charge injection and transport are handled by the same material which thus needs to be highly optimized. The present work contributes to expanding the knowledge on the physical mechanisms determining device performance by analyzing the role of charge injection and transport on device efficiency for blue and white-emitting devices, based on commercially relevant spiro-linked polyfluorene derivatives. It is shown that such polymers can act as very efficient electron conductors and that interface effects such as charge trapping play the key role in determining the overall device efficiency. This work contributes to the knowledge of how charges drift through the polymer layer to finally find neutral emissive trap states and thus allows a quantitative prediction of the emission color of multichromophoric systems, compatible with the observed color shifts upon driving voltage and temperature variation as well as with electrical conditioning effects. In a more methodically oriented part, it is demonstrated that the transient device emission observed upon terminating the driving voltage can be used to monitor the decay of geminately-bound species as well as to determine trapped charge densities. This enables direct comparisons with numerical simulations based on the known properties of charge injection, transport and recombination. The method of charge extraction under linear increasing voltages (CELIV) is investigated in some detail, correcting for errors in the published approach and highlighting the role of non-idealized conditions typically present in experiments. An improved method is suggested to determine the field dependence of charge mobility in a more accurate way. Finally, it is shown that the neglect of charge recombination has led to a misunderstanding of experimental results in terms of a time-dependent mobility relaxation. N2 - Klassische Halbleiterphysik beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich mit der Weiterentwicklung elektronischer Bauteile wie Dioden, Leuchtdioden, Solarzellen und Transistoren auf der Basis von hochreinen anorganischen Kristallstrukturen. Im Gegensatz hierzu ist das Forschungsgebiet der organischen, insbesondere der polymeren Halbleiter noch recht jung: Die erste Leuchtdiode auf der Basis von "leitfähigem Plastik" wurde erst 1990 demonstriert. Polymere Halbleiter sind hierbei von besonderem Interesse für hochvolumige Anwendungen im Beleuchtungsbereich, da sie sich kostengünstig herstellen und verarbeiten lassen ("gedruckte Elektronik"). Die vereinfachte Herstellung bedingt dabei eine vergleichsweise geringe Komplexität der Bauteilstruktur und verringert die Optimierungsmöglichkeiten. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis der Vorgänge an Grenzflächen und im Volumen von polymeren Leuchtdioden und ermöglicht damit ein besseres Verständnis der Bauteilfunktion. Im Fokus steht hierbei mit einem spiro-verknüpften Polyfluorenderivat ein kommerziell relevanter Polymertyp, der amorphe und hochgradig temperaturstabile Halbleiterschichten bildet. Ausgehend von einer Charakterisierung der Ladungstransporteigenschaften wird im Zusammenspiel mit numerischen Simulationen der Bauteilemission gezeigt, welche Rolle die polymeren und metallenen Kontaktelektroden für die Bauteilfunktion und -effizienz spielen. Des Weiteren wird ein weiß-emittierendes Polymer untersucht, bei dem die Mischung von blauen, grünen und roten Farbstoffen die Emissionsfarbe bestimmt. Hierbei wird das komplexe Wechselspiel aus Energieübertrag zwischen den Farbstoffen und direktem Ladungseinfang aufgeklärt. Es wird ein quantitatives Modell entwickelt, das die beobachtete Verschiebung der Emissionsfarbe unter wechselnden elektrischen Betriebsparametern erklärt und zusätzlich die Vorhersage von Temperatur- und elektrischen Konditionierungseffekten ermöglicht. Ausgehend von leicht messbaren Parametern wie Stromstärken und Emissionsspektren ermöglicht es Rückschlüsse auf mikroskopische Vorgänge wie die Diffusion von Ladungen hin zu Farbstoffen. Es wird gezeigt, dass im Gegensatz zu bisherigen Erkenntnissen der Ladungseinfang durch Drift im elektrischen Feld gegenüber der Diffusion überwiegt. In einem eher methodisch orientierten Teil zeigt die Arbeit, wie die beim Abschalten von Leuchtdioden beobachtbare Emission dazu verwendet werden kann, Erkenntnisse zu Ladungsdichten während der Betriebsphase zu gewinnen. Es wird abschließend nachgewiesen, dass eine gängige Methode zur Bestimmung von Ladungsbeweglichkeiten unter typischen Messbedingungen fehlerbehaftet ist. Ergebnisse, die bisher als eine zeitliche Relaxation der Beweglichkeit in ungeordneten Halbleitern interpretiert wurden, können damit auf die Rekombination von Ladungen während der Messung zurückgeführt werden. Es wird außerdem gezeigt, dass eine Modifikation der bei der Auswertung verwendeten Analytik die genauere Vermessung der Feldstärkeabhängigkeit der Beweglichkeit ermöglicht. KW - Organische Halbleiter KW - Ladungstransport KW - OLED KW - Polymer Electronics KW - Organic Semiconductors KW - Charge Transport KW - OLED KW - Polymerelektronik Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-36314 ER - TY - THES A1 - Inal, Sahika T1 - Responsive polymers for optical sensing applications T1 - Responsive Polymere für optische Sensoren N2 - LCST-type synthetic thermoresponsive polymers can reversibly respond to certain stimuli in aqueous media with a massive change of their physical state. When fluorophores, that are sensitive to such changes, are incorporated into the polymeric structure, the response can be translated into a fluorescence signal. Based on this idea, this thesis presents sensing schemes which transduce the stimuli-induced variations in the solubility of polymer chains with covalently-bound fluorophores into a well-detectable fluorescence output. Benefiting from the principles of different photophysical phenomena, i.e. of fluorescence resonance energy transfer and solvatochromism, such fluorescent copolymers enabled monitoring of stimuli such as the solution temperature and ionic strength, but also of association/disassociation mechanisms with other macromolecules or of biochemical binding events through remarkable changes in their fluorescence properties. For instance, an aqueous ratiometric dual sensor for temperature and salts was developed, relying on the delicate supramolecular assembly of a thermoresponsive copolymer with a thiophene-based conjugated polyelectrolyte. Alternatively, by taking advantage of the sensitivity of solvatochromic fluorophores, an increase in solution temperature or the presence of analytes was signaled as an enhancement of the fluorescence intensity. A simultaneous use of the sensitivity of chains towards the temperature and a specific antibody allowed monitoring of more complex phenomena such as competitive binding of analytes. The use of different thermoresponsive polymers, namely poly(N-isopropylacrylamide) and poly(meth)acrylates bearing oligo(ethylene glycol) side chains, revealed that the responsive polymers differed widely in their ability to perform a particular sensing function. In order to address questions regarding the impact of the chemical structure of the host polymer on the sensing performance, the macromolecular assembly behavior below and above the phase transition temperature was evaluated by a combination of fluorescence and light scattering methods. It was found that although the temperature-triggered changes in the macroscopic absorption characteristics were similar for these polymers, properties such as the degree of hydration or the extent of interchain aggregations differed substantially. Therefore, in addition to the demonstration of strategies for fluorescence-based sensing with thermoresponsive polymers, this work highlights the role of the chemical structure of the two popular thermoresponsive polymers on the fluorescence response. The results are fundamentally important for the rational choice of polymeric materials for a specific sensing strategy. N2 - Als Reaktion auf bestimmte äußere Stimuli ändern bestimmte wasserlösliche Polymere reversibel ihren physikalischen Zustand. Dieser Vorgang kann mithilfe von Fluorophoren, die in die Polymerstrukturen eingebaut werden und deren Fluoreszenzeigenschaften vom Polymer¬zustand abhängen, detektiert werden. Diese Idee ist der Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit, die sich damit beschäftigt, wie äußerlich induzierte Änderungen der Löslichkeit solcher Polymere mit kovalent gebundenen Fluorophoren in Wasser in ein deutlich messbares Fluoreszenzsignal übersetzt werden können. Dazu werden photophysikalische Phänomene wie Fluoreszenz-Resonanz¬energie¬transfer und Solvatochromie ausgenutzt. In Kombination mit einem responsiven Polymergerüst wird es möglich, verschiedene Stimuli wie Lösungs¬temperatur oder Ionenstärke, oder auch Assoziation-Dissoziation Reaktionen mit anderen Makromolekülen oder biochemische Bindungs¬reaktionen über die Änderung von Fluorezenz¬farbe bzw. –Intensität autonom mit bloßem Auge zu detektieren. Unter anderem wurde ein wässriger ratiometrischer Temperatur- und Salzsensor entwickelt, der auf der komplexen supramolekularen Struktur eines thermoresponsiven Copolymers und eines thiophenbasierten konjugierten Polyelektrolyts beruht. Die Anbindung solvato¬chromer Fluorophore erlaubte den empfindlichen Nachweis einer Temperatur¬änderung oder des Vorhandenseins von Analyten. Komplexere Phänomene wie das kompetitive Anbinden von Analyten ließen sich hochempfindlich steuern und auslesen, indem gleichzeitig die Sensitivität dieser Polymeren gegenüber der Temperatur und spezifischen Antikörpern ausgenutzt wurde. Überraschenderweise wiesen die hier untersuchten thermoresponsiven Polymere wie poly-N-isopropylacrylamid (pNIPAm) oder poly-Oligoethylenglykolmethacrylate (pOEGMA) große Unterschiede bzgl. ihrer responsiven optischen Eigenschaften auf. Dies erforderte eine ausführliche Charakterisierung des Fluoreszenz- und Aggregationsverhaltens, unter- und oberhalb des Phasenübergangs, im Bezug auf die chemische Struktur. Ein Ergebnis war, dass alle drei Polymertypen sehr ähnliche temperaturabhängige makroskopische Absorptionseigenschaften aufweisen, während sich die Eigenschaften auf molekularer Ebene, wie der Hydratisierungsgrad oder die intermolekulare Polymerkettenaggregation, bei diesen Polymeren sehr unterschiedlich. Diese Arbeit zeigt damit anhand zweier sehr etablierter thermoresponsiver Polymere, nämlich pNIPAm und pOEGMA, das die chemische Struktur entscheidend für den Einsatz dieser Polymere in fluoreszenzbasierten Sensoren ist. Diese Ergebnisse haben große Bedeutung für die gezielte Entwicklung von Polymermaterialien für fluoreszenzbasierte Assays. KW - Responsive Polymere KW - Fluoreszenz KW - Sensor KW - Konjugierten polyelektrolyt KW - responsive polymer KW - fluorescence KW - sensor KW - conjugated polyelectrolyte Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70806 ER - TY - THES A1 - Ksianzou, Viachaslau T1 - Second-order nonlinear optical interactions and cascading effects in thinorganic films T1 - Nichtlineare optische Wechselwirkung zweiter Ordnung und Cascading in dünnen organischen Schichten N2 - The presented work describes new concepts of fast switching elements based on principles of photonics. The waveguides working in visible and infra-red ranges are put in a basis of these elements. And as materials for manufacturing of waveguides the transparent polymers, dopped by molecules of the dyes possessing second order nonlinear-optical properties are proposed. The work shows how nonlinear-optical processes in such structures can be implemented by electro-optical and opto-optical control circuit signals. In this paper we consider the complete cycle of fabrication of several types of integral photonic elements. The theoretical analysis of high-intensity beam propagation in media with second-order optical nonlinearity is performed. Quantitative estimations of necessary conditions of occurrence of the nonlinear-optical phenomena of the second order taking into account properties of used materials are made. The paper describes the various stages of manufacture of the basic structure of the integrated photonics: a planar waveguide. Using the finite element method the structure of the electromagnetic field inside the waveguide in different modes was analysed. A separate part of the work deals with the creation of composite organic materials with high optical nonlinearity. Using the methods of quantum chemistry, the dependence of nonlinear properties of dye molecules from its structure were investigated in details. In addition, the paper discusses various methods of inducing of an optical nonlinearity in dye-doping of polymer films. In the work, for the first time is proposed the use of spatial modulation of nonlinear properties of waveguide according Fibonacci law. This allows involving several different nonlinear optical processes simultaneously. The final part of the work describes various designs of integrated optical modulators and switches constructed of organic nonlinear optical waveguides. A practical design of the optical modulator based on Mach-Zehnder interferometer made by a photolithography on polymer film is presented. N2 - Die vorliegende Arbeit beschreibt neue Konzepte für schnelle photonische Schaltelemente. Diese Elemente basieren auf optischer Wellenleitung im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Die Arbeit ist auf organische Wellenleiter aus transparenten, farbstoffdotierten Polymeren fokussiert, welche Chromophore mit besonders großen optischen Nichtlinearitäten zweiter Ordnung enthalten. Insbesondere wird dargestellt, wie nichtlineare optische Prozesse in derartigen Bauelementen genutzt werden können, wenn man elektrische oder optische Steuersignale einsetzt. Es wird der gesamte Her-stellungszyklus verschiedener integrierter photonischer Bauelemente betrachtet. Die Arbeit umfasst weiterhin eine detaillierte theoretische Analyse der Wellenausbreitung in Medien mit großer nichtlinearer optischer Suszeptibilität zweiter Ordnung bei hoher Lichtintensität. Unter Annahme optischer Materialkonstanten, welche den experimentell ermittelten Werten entsprechen, erfolgte eine quantitative Abschätzung für das Auftreten von Szenarien, bei denen messbare Abwei-chungen der Strahlausbreitung vom linearen Regime auftreten, z:B. das Auftreten von zeitlichen, räumlichen und spektralen Satteliten zu den im Material propagierenden Laserpulsen. Es gelang, we-sentliche Aspekte der Strahlpropagationsprozesse durch Anwendung von Jacobi-Integralfunktionen in geschlossener mathematischer Form darzustellen. Darüber hinausgehende theoretische Untersuchungen nutzten die Finite-Elemente-Methode, um die Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Inneren optischer Wellenleiter für verschiedene Pro-pagationsmoden zu analysieren. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit organischen Kompositmaterialen, welche große opti-sche Nichtlinearitäten aufweisen. Mittels quantenchemischer Verfahren erfolgte eine detaillierte Un-tersuchung der Zusammenhänge zwischen der molekularen Struktur und den linearen sowie den nichtlinearen optischen Eigenschaften der untersuchten Farbstoffmoleküle und Polymere. In Bezug auf die Probenpräparation sind unterschiedliche Verfahren zur Schichtbildung und zur molekularen Orientierung miteinander verglichen und bewertet worden, da letztere eine Voraussetzung für das Auftreten nichtlinearer optischer Prozesse zweiter Ordnung bildet. Die Untersuchungen erstreckten sich auf Vakuumaufdampfschichten aus niedermolekularen Chromophoren und auf Polymerschich-ten, welche durch Vakuumabscheidung sowie durch Spincoating oder andere Flüssigphasenabschei-dungsverfahren hergestellt worden sind. Auf orientierenden Substraten (z.B. geriebene Schichten aus Polytetrafluoräthylen) konnte eine spontane Orientierung der deponierten Chromophore nachgewie-sen werden. Die Chromophore in Polymerschichten wurden durch Coronapolung orientiert. In der Arbeit ist zum ersten Mal vorgeschlagen worden, eine räumliche Modulation der nichtlinearen optischen Eigenschaften durch gezielte lokale Coronapolung oder andere Orientierungstechniken derart zu generieren, dass die Abfolge gepolter Domänen dem Bildungsgesetz einer modifizierten Fibonacci-Reihe mit gebrochen rationalen Zahlen gehorcht. Der Vorteil von optischen Wellenleitern mit dieser Struktur darin, dass diese mehrere unterschiedli-che nichtlineare optische Prozesse gleichzeitig unterstützen und somit eine Vielzahl neuartiger Phä-nomene auftreten kann, welche man in neuartigen photonischen Bauelementen, z.B. für die optische Informations- und Kommunikationstechnik nutzen kann. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt den Aufbau verschiedener integrierter optischer Modulatoren und Schalter, die sich mit Hilfe das neu entwickelten Verfahrens herstellen lassen. Zukünftige Entwicklungen in der Photonik, insbesondere der optischen Informations- und Kommuni-kationstechnik werden im abschließenden Teil der Arbeit diskutiert. KW - NLO KW - SHG KW - QPM KW - Cascading KW - NLO KW - SHG KW - QPM KW - Cascading Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49186 ER - TY - THES A1 - Yin, Chunhong T1 - The interplay of nanostructure and efficiency of polymer solar cells T1 - Einfluss der Nanostruktur auf die Effizienz von Polymer-Solarzellen N2 - The aim of this thesis is to achieve a deep understanding of the working mechanism of polymer based solar cells and to improve the device performance. Two types of the polymer based solar cells are studied here: all-polymer solar cells comprising macromolecular donors and acceptors based on poly(p-phenylene vinylene) and hybrid cells comprising a PPV copolymer in combination with a novel small molecule electron acceptor. To understand the interplay between morphology and photovoltaic properties in all-polymer devices, I compared the photocurrent characteristics and excited state properties of bilayer and blend devices with different nano-morphology, which was fine tuned by using solvents with different boiling points. The main conclusion from these complementary measurements was that the performance-limiting step is the field-dependent generation of free charge carriers, while bimolecular recombination and charge extraction do not compromise device performance. These findings imply that the proper design of the donor-acceptor heterojunction is of major importance towards the goal of high photovoltaic efficiencies. Regarding polymer-small molecular hybrid solar cells I combined the hole-transporting polymer M3EH-PPV with a novel Vinazene-based electron acceptor. This molecule can be either deposited from solution or by thermal evaporation, allowing for a large variety of layer architectures to be realized. I then demonstrated that the layer architecture has a large influence on the photovoltaic properties. Solar cells with very high fill factors of up to 57 % and an open circuit voltage of 1V could be achieved by realizing a sharp and well-defined donor-acceptor heterojunction. In the past, fill factors exceeding 50 % have only been observed for polymers in combination with soluble fullerene-derivatives or nanocrystalline inorganic semiconductors as the electron-accepting component. The finding that proper processing of polymer-vinazene devices leads to similar high values is a major step towards the design of efficient polymer-based solar cells. N2 - Ziel dieser Dissertation ist es, die grundlegende Arbeitsweise von polymerbasierten Solarzellen zu verstehen und ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Zwei Arten von organischen Solarzellen werden untersucht: Solarzellen, bei denen sowohl Elektronendonator und akzeptor auf Poly(p-phenylen-vinylen) basieren sowie Zellen, bei denen ein PPV-Copolymer als Elektronendonator und organische kleine Moleküle als Elektronenakzeptor fungierten. Um die Zusammenhänge zwischen Morphologie und photovoltaischen Eigenschaften zu verstehen, untersuchte ich Photoströme sowie die Eigenschaften angeregter Zustände in Zweischicht- und Mischsolarzellen mit unterschiedlicher Nano-Morphologie, welche durch die Verwendung von Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen modifiziert wurde. Die Hauptschlussfolgerung aus diesen Messungen ist, dass der effizienzlimitierende Faktor die feldabhängige Generation freier Ladungsträger ist, wohingegen bimolekulare Rekombination oder die Extraktion der Ladungsträger die Leistungsfähigkeit von Polymer-Polymer- Solarzellen nicht beeinträchtigen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die gezielte Einstellung der Donator-Akzeptor-Grenzfläche von besonderer Bedeutung zum Erreichen hoher Effizienzen ist. In Hybridsolarzellen aus Polymeren und kleinen Molekülen kombinierte ich das lochleitende konjugierte Polymer M3EH-PPV mit einem neuartigen Vinazen-Molekül als Elektronen-akzeptor. Dieses Molekül bietet die Möglichkeit, entweder aus einer Lösung heraus verarbeitet oder im Hochvakuum verdampft zu werden, wodurch eine Vielzahl an unterschiedlichen Probenstrukturen realisiert werden kann. Dadurch konnte ich zeigen, dass die Struktur der aktiven Schicht einen großen Einfluss auf die photovoltaischen Eigenschaften hat. Die Solarzellen erreichten einen Füllfaktor von bis zu 57% und eine Kurzschluss¬spannung von 1 V. In der Vergangenheit konnten bei polymerbasierten Solarzellen Füllfaktoren über 50% nur in Verbindung mit Fullerenen oder nanokristallinen anorganischen Halbleitern als Akzeptoren erreicht werden. Das Resultat, dass bei geeigneter Präparation der Polymer-Vinazen-Schicht vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können, ist ein bedeutender Schritt hin zu effizienteren Polymersolarzellen. KW - Nanostruktur KW - Polymer-Solarzelle KW - Effizienz KW - Morphologie KW - Polymer solar cells KW - nanostructure KW - efficiency KW - morphology Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29054 ER - TY - THES A1 - Xü, Chenggang T1 - Preparation and characterization of vapour deposited films based on substituted 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole derivatives N2 - Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der molekularen Struktur von 2,5-Diphenyl-1,3,4-Oxadiazol-Derivaten auf die Präparierung dünner Schichten mittels Vakuumdeposition. Dünne Schichten von diesen Substanzen wurden auf Si/SiO2 aufgedampft und ihre Struktur systematisch mittels XSR, AFM und IR untersucht. Das Ergebnis zeigt, dass die Schichtstrukturen offenbar von Substratetemperatur (Ts) abhängig sind. Im untersuchten Ts-Bereich bilden etherverbrückte Oxadiazole immer geordnete Schichten und die Schichtperiodicität hängt linear von der Längen der aliphatischen Ketten, während sich bei den amidverbrückten Oxadiazolen nur bei hohen Ts geordnete Schichten bilden können. Diese Unterschiede sind auf die intermolekularen Wasserstoffbrücken zurückzuführen. Der Tilt-Winkel der Moleküle ist durch die Wechselwirkung zwischen dem aromatischen Teil bestimmt. Die Wechselwirkungen zwischen den Kopfgruppen können durch Tempern abgeschwächt werden und führen zur Strukturumwandlung von Schichten, die auf etherverbrückten Oxadiazolen basieren. Alle Schichten von etherverbrückten Oxadiazolen haben Doppelschicht-Struktur, aber amidverbrückte Oxadiazole bilden nur Doppelschicht-Strukturen, wenn die Moleküle eine Kopfgruppe besitzen. N2 - The correlations between the chemical structures of the 2,5-diphenyl-1,3,4-oxadiazole compounds and their corresponding vapour deposited film structures on Si/SiO2 were systematically investigated with AFM, XSR and IR for the first time. The result shows that the film structure depends strongly on the substrate temperature (Ts). For the compounds with ether bridge group, the film periodicity depends linearly on the length of the aliphatic chain. The films based on those oxadiazols have ordered structure in the investigated substrate temperature region, while die amide bridged compounds form ordered film only at high Ts due to the formation of intermolecular H-bond. The tilt angle of most molecules is determined by the pi-pi complexes between the molecules. The intermolecular interaction between head groups leads to the structural transformation during the thermal treatment after deposition. All the ether bridged oxadiazoles form films with bilayer structure, while amide bridged oxadiazole form film bilayer structure only when the molecule has a head group. KW - 1 KW - 3 KW - 4-oxadiazol KW - Vapour Deposition KW - Dünnschichten KW - AFM KW - X-ray KW - Infrarot Spektroskopie KW - intermolekülare Wechselwirkung KW - Hochvakuum KW - 1 KW - 3 KW - 4-oxadiazole KW - vapour deposition KW - Thin film KW - AFM KW - X-ray KW - Infrared spectroscopy KW - intermolecular interaction KW - high vacuum Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001358 ER - TY - THES A1 - Wang, Jingwen T1 - Electret properties of polypropylene with surface chemical modification and crystalline reconstruction N2 - As one of the most-produced commodity polymers, polypropylene draws considerable scientific and commercial interest as an electret material. In the present thesis, the influence of the surface chemical modification and crystalline reconstruction on the electret properties of the polypropylene thin films will be discussed. The chemical treatment with orthophosphoric acid can significantly improve the surface charge stability of the polypropylene electrets by introducing phosphorus- and oxygen-containing structures onto the modified surface. The thermally stimulated discharge measurement and charge profiling by means of piezoelectrically generated pressure steps are used to investigate the electret behaviour. It is concluded that deep traps of limited number density are created during the treatment with inorganic chemicals. Hence, the improvement dramatically decreases when the surface-charge density is substantially higher than ±1.2×10^(-3) C·m^(-2). The newly formed traps also show a higher trapping energy for negative charges. The energetic distributions of the traps in the non-treated and chemically treated samples offer an insight regarding the surface and foreign-chemical dominance on the charge storage and transport in the polypropylene electrets. Additionally, different electret properties are observed on the polypropylene films with the spherulitic and transcrystalline structures. It indicates the dependence of the charge storage and transport on the crystallite and molecular orientations in the crystalline phase. In general, a more diverse crystalline growth in the spherulitic samples can result in a more complex energetic trap distribution, in comparison to that in a transcrystalline polypropylene. The double-layer transcrystalline polypropylene film with a crystalline interface in the middle can be obtained by crystallising the film in contact with rough moulding surfaces on both sides. A layer of heterocharges appears on each side of the interface in the double-layer transcrystalline polypropylene electrets after the thermal poling. However, there is no charge captured within the transcrystalline layers. The phenomenon reveals the importance of the crystalline interface in terms of creating traps with the higher activation energy in polypropylene. The present studies highlight the fact that even slight variations in the polypropylene film may lead to dramatic differences in its electret properties. N2 - Als eines der meistproduzierten Polymere stößt Polypropylen (PP) auch als Elektretmaterial auf großes wissenschaftliches und kommerzielles Interesse. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss chemischer Oberflächen-Modifikationen und kristalliner Rekonstruktionen auf die Elektreteigenschaften von dünnen Polypropylen-Schichten untersucht und diskutiert. Die nasschemische Behandlung mit Orthophosphorsäure kann die Oberflächenladungsstabilität der PP-Elektrete deutlich verbessern, indem phosphor- und sauerstoffhaltige Strukturen auf der modifizierten Oberfläche erzeugt und verankert werden. Aus thermisch stimulierten Entladungsexperimenten und Ladungsmessungen mit piezoelektrisch erzeugten Druckstufen ergibt sich, dass die Oberflächenbehandlung eine begrenzte Anzahl tiefer Haftstellen vor allem für negative Ladungen erzeugt. Daher nimmt die Verbesserung drastisch ab, wenn die Oberflächenladungsdichte einen wesentlich höheren Wert als ±1.2×10-3 C·m-2 hat. Die energetischen Verteilungen der Ladungsfallen in unbehandelten und in chemisch behandelten Proben ermöglichen Rückschlüsse auf die Oberfläche und auf die wesentliche Rolle der aufgebrachten chemischen Spezies für Ladungsspeicherung und -transport in PP-Elektreten. Darüber hinaus werden an dünnen Polypropylenfolien mit entweder sphärolithischen oder transkristallinen Strukturen deutlich unterschiedliche Elektreteigenschaften beobachtet, was den starken Einfluss von Kristallstruktur und Molekülorientierung auf Ladungsspeicherung und -transport in der kristallinen Phase anzeigt. Generell führt das vielfältigere kristalline Wachstum in sphärolithischen Proben oft zu komplexeren energetischen Verteilungen der Ladungsfallen als in transkristallinen PP-Schichten. Zweischichtige transkristalline PP-Folien mit einer kristallinen Grenzfläche in der Mitte können durch beidseitige Kristallisation auf rauen Formgussoberflächen erzeugt werden. Auf jeder Seite der Grenzfläche in der Mitte der zweischichtigen transkristallinen PP-Elektrete findet sich nach thermischer Polung eine Schicht von Heteroladungen, während innerhalb der transkristallinen Schichten keine Ladungen beobachtet werden. Daraus wird die Bedeutung der kristallinen Grenzfläche für das Auftreten von Ladungsfallen mit hohen Aktivierungsenergien in Polypropylen deutlich. Die vorliegenden Studien zeigen, dass bereits geringe Variationen in der Nanostruktur der Polypropylenfolien zu dramatisch unterschiedlichen Elektreteigenschaften führen können. KW - electret KW - polypropylene KW - charge storage and transport KW - surface chemical treatment KW - transcrystalline polypropylene KW - Elektret KW - Polypropylen KW - Ladungsspeicherung und -transport KW - chemische Oberflächen-Modifikationen KW - transkristallines Polypropylen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470271 ER - TY - THES A1 - Canil, Laura T1 - Tuning Interfacial Properties in Perovskite Solar Cells through Defined Molecular Assemblies T1 - Anpassung von Grenzflächeneigenschaften von Perowskit-Solarzellen durch den Einsatz von molekularen Schichten N2 - In the frame of a world fighting a dramatic global warming caused by human-related activities, research towards the development of renewable energies plays a crucial role. Solar energy is one of the most important clean energy sources and its role in the satisfaction of the global energy demand is set to increase. In this context, a particular class of materials captured the attention of the scientific community for its attractive properties: halide perovskites. Devices with perovskite as light-absorber saw an impressive development within the last decade, reaching nowadays efficiencies comparable to mature photovoltaic technologies like silicon solar cells. Yet, there are still several roadblocks to overcome before a wide-spread commercialization of this kind of devices is enabled. One of the critical points lies at the interfaces: perovskite solar cells (PSCs) are made of several layers with different chemical and physical features. In order for the device to function properly, these properties have to be well-matched. This dissertation deals with some of the challenges related to interfaces in PSCs, with a focus on the interface between the perovskite material itself and the subsequent charge transport layer. In particular, molecular assemblies with specific properties are deposited on the perovskite surface to functionalize it. The functionalization results in energy level alignment adjustment, interfacial losses reduction, and stability improvement. First, a strategy to tune the perovskite’s energy levels is introduced: self-assembled monolayers of dipolar molecules are used to functionalize the surface, obtaining simultaneously a shift in the vacuum level position and a saturation of the dangling bonds at the surface. A shift in the vacuum level corresponds to an equal change in work function, ionization energy, and electron affinity. The direction of the shift depends on the direction of the collective interfacial dipole. The magnitude of the shift can be tailored by controlling the deposition parameters, such as the concentration of the solution used for the deposition. The shift for different molecules is characterized by several non-invasive techniques, including in particular Kelvin probe. Overall, it is shown that it is possible to shift the perovskite energy levels in both directions by several hundreds of meV. Moreover, interesting insights on the molecules deposition dynamics are revealed. Secondly, the application of this strategy in perovskite solar cells is explored. Devices with different perovskite compositions (“triple cation perovskite” and MAPbBr3) are prepared. The two resulting model systems present different energetic offsets at the perovskite/hole-transport layer interface. Upon tailored perovskite surface functionalization, the devices show a stabilized open circuit voltage (Voc) enhancement of approximately 60 meV on average for devices with MAPbBr3, while the impact is limited on triple-cation solar cells. This suggests that the proposed energy level tuning method is valid, but its effectiveness depends on factors such as the significance of the energetic offset compared to the other losses in the devices. Finally, the above presented method is further developed by incorporating the ability to interact with the perovskite surface directly into a novel hole-transport material (HTM), named PFI. The HTM can anchor to the perovskite halide ions via halogen bonding (XB). Its behaviour is compared to that of another HTM (PF) with same chemical structure and properties, except for the ability of forming XB. The interaction of perovskite with PFI and PF is characterized through UV-Vis, atomic force microscopy and Kelvin probe measurements combined with simulations. Compared to PF, PFI exhibits enhanced resilience against solvent exposure and improved energy level alignment with the perovskite layer. As a consequence, devices comprising PFI show enhanced Voc and operational stability during maximum-power-point tracking, in addition to hysteresis reduction. XB promotes the formation of a high-quality interface by anchoring to the halide ions and forming a stable and ordered interfacial layer, showing to be a particularly interesting candidate for the development of tailored charge transport materials in PSCs. Overall, the results exposed in this dissertation introduce and discuss a versatile tool to functionalize the perovskite surface and tune its energy levels. The application of this method in devices is explored and insights on its challenges and advantages are given. Within this frame, the results shed light on XB as ideal interaction for enhancing stability and efficiency in perovskite-based devices. N2 - Im Kampf gegen den menschengemachten Klimawandel spielt die Forschung und Entwicklung von erneuerbaren Energien eine tragende Rolle. Solarenergie ist eine der wichtigsten grünen Energiequellen und von steigender Bedeutung für die Deckung des globalen Energiebedarfs. In diesem Kontext hat eine bestimme Materialklasse aufgrund ihrer attraktiven Eigenschaften die Aufmerksamkeit der Wissenschaft erregt: Halogenid-Perowskit. Perowskit-Solarzellen haben im letzten Jahrzehnt eine beeindruckende Entwicklung durchgemacht und erreichen heutzutage Effizienzen, die mit weit entwickelten Photovoltaik-Technologien wie Silizium-Solarzellen vergleichbar sind. Jedoch existieren immer noch mehrere Hürden, die einer marktweiten Kommerzialisierung dieser jungen Technologie im Wege stehen. Eines der kritischen Probleme befindet sich an den Grenzflächen. Perowskit-Solarzellen bestehen aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften. Damit die Solarzelle bestmöglich funktioniert, müssen diese Eigenschaften aufeinander abgestimmt sein. Diese Dissertation beschäftigt sich mit einigen Herausforderungen im Zusammenhang mit Grenzflächen in Perowskit-Solarzellen, dabei liegt der Fokus auf der Grenzfläche zwischen Perowskit-Absorber und der angrenzenden Ladungstransportschicht. Insbesondere werden organische Moleküle mit spezifischen Eigenschaften verwendet um die Oberfläche des Perowskiten zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Bandanpassung erreicht, Grenzflächenverluste reduziert und die Stabilität der Solarzellen erhöht. Zunächst wird eine Strategie zum Anpassen der Bandenergien vorgestellt: Selbst-organisierende Monoschichten dipolarer Moleküle werden auf die Perowskit-Oberfläche abgeschieden, um diese zu funktionalisieren. Dadurch wird eine Anpassung des Energie-Levels im Perowskiten und die Sättigung von ungebundenen Elektronenbindungen (engl. dangling bonds) an der Oberfläche erreicht. Die Richtung der Energielevel-Verschiebung hängt von der Richtung des kollektiven Grenzflächen-Dipols ab. Der Betrag der Energielevel-Verschiebung kann über die Depositionsparameter während der Schichtherstellung eingestellt werden. Die Energielevel-Verschiebung bei der Verwendung verschiedener Moleküle wird mit Hilfe verschiedener non-invasiver Charakterisierungsmethoden untersucht, insbesondere mit der Hilfe von Kelvin-Sonde Messungen. Diese Messungen ermöglichen interessante Erkenntnisse über die Dynamik der Deposition der Moleküle. Es ist möglich die Energielevel in beide Richtungen um mehrere hundert meV zu verschieben. Als Zweites wird die Anwendung dieser Stategie in Perowskit-Solarzellen erforscht. Solarzellen mit Perowskit-Absorbern unterschiedlicher Zusammensetzung (“Dreifach-Kationen-Perowskit” und MAPbBr3) werden präpariert; die beiden Modellsysteme besitzen dann unterschiedliche energetische Offsets an der Perowskit-Lochleiter Grenzfläche. Mit einer maßgeschneiderter Funktionalisierung der Perowskit-Oberfläche zeigen die MAPbBr3 Solarzellen eine permanente Verbesserung der offene-Klemmen-Spannung (engl. open circuit voltage, Voc) um durchschnittlich 60 meV, während der Einfluss auf die Solarzellen mit Dreifach-Kationen-Perowskit gering ist. Dies zeigt, dass die vorgestellte Methode zur Bandanpassung funktioniert, aber ihre Effektivität zudem von weiteren Faktoren abhängt: Die Relevanz des energetischen Offsets im Vergleich zu anderen Verlustmechanismen beeinflusst unter anderem die Effektivität der Funktionalisierung. Abschließend wird beschrieben, wie die präsentierte Methode zur Bandanpassung weiterentwickelt wird, indem das Vermögen, mit der Perowskit-Oberfläche zu interagieren, direkt in einen neuartigen Lochleiter („PFI“) integriert wird. Der Lochleiter kann sich über Halogenbindungen an den Perowskiten anlagern. Das Verhalten von PFI wird verglichen mit dem eines anderen Lochleiters („PF“), welcher die fast gleiche chemische Struktur und sehr ähnliche Eigenschaften aufweist, ausgenommen der Fähigkeit eine Halogenbindung zu formen. Die PFI-Perowskit und PF-Perowskit Interaktion wird durch UV-Vis Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kelvin-Sonde Messungen, kombiniert mit Simulationen, charakterisiert. Beim direkten Vergleich von PFI und PF zeigt sich die Bildung der Halogenbindung in einer bei PFI verbesserten Widerstandskraft gegen Lösungsmittel und Bandanpassung zum Perowskiten. Beim Folgerichtig zeigen Solarzellen mit PFI zusätzlich zu einer verringerten Hysterese einen höheren Voc und eine erhöhte Stabilität während des Betriebs unter Maximum-Power-Point Tracking Zusammenfassend stellt diese Dissertation somit ein vielseitiges Werkzeug zur Funktionalisierung von Perowskit-Oberflächen und der dadurch erreichten Bandanpassung vor. Die Anwendung dieses Werkzeugs an Solarzellen wird erprobt und Einsichten in seine Vorteile und Nachteile erlangt. Die Halogenbindung wird als spezifische Interaktion identifiziert, die sich ideal zur Steigerung von Effizienz und Stabilität von Perowskit-basierten optoelektronischen Bauteilen erweisen könnte. KW - photovoltaic KW - perovskite solar cells KW - interfaces KW - energy levels KW - halogen bonding KW - Grenzflächen KW - Perowskit Solarzellen KW - Photovoltaik KW - Bandenenergien KW - Halogenbindung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-546333 ER - TY - THES A1 - Kegelmann, Lukas T1 - Advancing charge selective contacts for efficient monolithic perovskite-silicon tandem solar cells T1 - Entwicklung Ladungsselektiver Kontakte für Effiziente Monolithische Perowskit-Silizium Tandem-Solarzellen N2 - Hybrid organic-inorganic perovskites are one of the most promising material classes for photovoltaic energy conversion. In solar cells, the perovskite absorber is sandwiched between n- and p-type contact layers which selectively transport electrons and holes to the cell’s cathode and anode, respectively. This thesis aims to advance contact layers in perovskite solar cells and unravel the impact of interface and contact properties on the device performance. Further, the contact materials are applied in monolithic perovskite-silicon heterojunction (SHJ) tandem solar cells, which can overcome the single junction efficiency limits and attract increasing attention. Therefore, all contact layers must be highly transparent to foster light harvesting in the tandem solar cell design. Besides, the SHJ device restricts processing temperatures for the selective contacts to below 200°C. A comparative study of various electron selective contact materials, all processed below 180°C, in n-i-p type perovskite solar cells highlights that selective contacts and their interfaces to the absorber govern the overall device performance. Combining fullerenes and metal-oxides in a TiO2/PC60BM (phenyl-C60-butyric acid methyl ester) double-layer contact allows to merge good charge extraction with minimized interface recombination. The layer sequence thereby achieved high stabilized solar cell performances up to 18.0% and negligible current-voltage hysteresis, an otherwise pronounced phenomenon in this device design. Double-layer structures are therefore emphasized as a general concept to establish efficient and highly selective contacts. Based on this success, the concept to combine desired properties of different materials is transferred to the p-type contact. Here, a mixture of the small molecule Spiro-OMeTAD [2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9’-spirobifluoren] and the doped polymer PEDOT [poly(3,4-ethylenedioxythiophene)] is presented as a novel hole selective contact. PEDOT thereby remarkably suppresses charge recombination at the perovskite surface, allowing an increase of quasi-Fermi level splitting in the absorber. Further, the addition of Spiro-OMeTAD into the PEDOT layer is shown to enhance charge extraction at the interface and allow high efficiencies up to 16.8%. Finally, the knowledge on contact properties is applied to monolithic perovskite-SHJ tandem solar cells. The main goal is to optimize the top contact stack of doped Spiro-OMeTAD/molybdenum oxide(MoOx)/ITO towards higher transparency by two different routes. First, fine-tuning of the ITO deposition to mitigate chemical reduction of MoOx and increase the transmittance of MoOx/ITO stacks by 25%. Second, replacing Spiro-OMeTAD with the alternative hole transport materials PEDOT/Spiro-OMeTAD mixtures, CuSCN or PTAA [poly(triaryl amine)]. Experimental results determine layer thickness constrains and validate optical simulations, which subsequently allow to realistically estimate the respective tandem device performances. As a result, PTAA represents the most promising replacement for Spiro-OMeTAD, with a projected increase of the optimum tandem device efficiency for the herein used architecture by 2.9% relative to 26.5% absolute. The results also reveal general guidelines for further performance gains of the technology. N2 - Hybride, organisch-anorganische Perowskite gelten als eine der vielversprechendsten Materialklassen für die photovoltaische Energieumwandlung. Dazu werden Perowskit-Absorber in Solarzellen zwischen n- und p-Typ Kontaktschichten angeordnet, die Elektronen oder Löcher selektiv zur Kathode bzw. Anode der Zelle transportieren. Ziel dieser Arbeit ist es, die ladungsselektiven Transportschichten in Perowskit-Solarzellen zu verbessern und Einflüsse der Grenzflächen- und Kontakteigenschaften auf die Zelleffizienz herauszustellen. Darüber hinaus werden die selektiven Schichten in monolithischen Perowskit-Silizium-Heterokontakt (SHK) Tandem-Solarzellen eingesetzt. Diese können höhere Wirkungsgrade als Einfachsolarzellen erzielen und erfahren zunehmende Aufmerksamkeit aus der Forschung. Hierfür müssen alle Kontaktschichten hochtransparent sein, um eine möglichst effiziente Lichtausnutzung im Tandem-Solarzellen-Design zu erzielen. Des Weiteren limitiert die SHK-Solarzelle die höchst mögliche Temperatur zur Abscheidung der selektiven Kontakte auf 200°C. In einer Vergleichsstudie werden deshalb zunächst verschiedene elektronenselektive Kontaktmaterialien, die alle unter 180°C prozessiert werden, in n-i-p-Typ Perowskit-Solarzellen eingesetzt. Es zeigt sich hierbei, wie wesentlich die selektiven Kontakte und ihre Grenzflächen zum Absorber die Effizienz der Solarzellen bestimmen. Eine Kombination aus Fulleren und Metalloxid in einem TiO2/PC60BM (Phenyl-C60-Buttersäuremethylester) Doppelschichtkontakt ermöglicht dabei eine besonders gute Ladungsextraktion und stark reduzierte Grenzflächenrekombination. Die Materialzusammenstellung erreicht in der Studie hohe stabilisierte Solarzellenwirkungsgrade bis zu 18,0% und eine vernachlässigbare Strom-Spannungs-Hysterese, ein üblicherweise ausgeprägtes Phänomen in diesem Zellaufbau. Das Ergebnis stellt Doppelschicht-Strukturen als generelles Konzept zur Herstellung effizienter und hochselektiver Kontakte heraus. Basierend auf diesem Erfolg wird das Konzept, Eigenschaften verschiedener Materialien miteinander zu kombinieren, anschließend auf den p-Typ Kontakt übertragen. Dazu wird ein neuartiger lochselektiver Kontakt vorgestellt, bestehend aus einer Mischung des kleinen Moleküls Spiro-OMeTAD [2,2‘7,7‘-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamin)-9,9‘-spirobifluoren] und dem dotierten Polymer PEDOT [poly(3,4-ethylendioxythiophen)]. PEDOT unterdrückt dabei bemerkenswerter Weiße die Ladungsträgerrekombination an der Perowskit-Grenzfläche, wodurch eine Erhöhung der Quasi-Fermi-Niveau-Aufspaltung im Absorber erzielt wird. Weiterhin wird gezeigt, dass die Zugabe von Spiro-OMeTAD in die PEDOT-Schicht die Lochextraktion an der Grenzfläche verbessert und folglich hohe Solarzellenwirkungsgrade von bis zu 16,8% ermöglicht. Schließlich wird das gewonnene Wissen über die Bedeutung der Kontakt- und Grenzflächeneigenschaften auf monolithische Perowskit-SHK-Tandemsolarzellen angewandt. Das Hauptziel dabei ist die Optimierung des oberen Kontaktstapels, bestehend aus dotiertem Spiro-OMeTAD/Molybdän Oxid (MoOx)/ITO, hin zu verbesserter Transparenz. Zwei verschiedene Ansätze werden hierzu verfolgt. Erstens, durch Feinanpassung der ITO-Abscheidung kann eine chemische Reduktion von MoOx verringert und die Transmission von MoOx/ITO-Schichtstapeln um 25% erhöht werden. Zweitens: Durch Ersetzen des Spiro-OMeTAD mit alternativen, transparenteren Lochtransportmaterialien sollen parasitäre Absorptionsverluste vermieden werden. Als potentielle Lochkontakte werden dabei PEDOT/Spiro-OMeTAD-Mischungen, CuSCN und PTAA [Poly(triarylamin)] analysiert. Experimentelle Untersuchungen liefern optimierte Dicken der Lochkontakt und MoOx Schichten und dienen der Validierung optischer Simulationen der Schichtstapel. Dies erlaubt im Folgenden eine realistische Abschätzung der maximal erreichbaren Tandemsolarzelleneffizienzen. Dabei stellt PTAA den vielversprechendsten Ersatz für Spiro-OMeTAD dar, mit einer prognostizierten Erhöhung des erreichbaren Tandem-Solarzellenwirkungsgrad um 2,9% relativ auf 26,5% absolut. Die Ergebnisse stellen zudem einen Leitfaden zur weiteren Effizienzsteigerung der Tandemsolarzellen-Technologie dar. KW - perovskite KW - silicon KW - tandem solar cell KW - interface engineering KW - contact layers KW - Perowskit KW - Silizium KW - Tandem-Solarzelle KW - Interface-Engineering KW - Kontaktschichten Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426428 ER - TY - THES A1 - Dörries, Timo Julian T1 - Anomalous transport and non-Gaussian dynamics in mobile-immobile models N2 - The mobile-immobile model (MIM) has been established in geoscience in the context of contaminant transport in groundwater. Here the tracer particles effectively immobilise, e.g., due to diffusion into dead-end pores or sorption. The main idea of the MIM is to split the total particle density into a mobile and an immobile density. Individual tracers switch between the mobile and immobile state following a two-state telegraph process, i.e., the residence times in each state are distributed exponentially. In geoscience the focus lies on the breakthrough curve (BTC), which is the concentration at a fixed location over time. We apply the MIM to biological experiments with a special focus on anomalous scaling regimes of the mean squared displacement (MSD) and non-Gaussian displacement distributions. As an exemplary system, we have analysed the motion of tau proteins, that diffuse freely inside axons of neurons. Their free diffusion thereby corresponds to the mobile state of the MIM. Tau proteins stochastically bind to microtubules, which effectively immobilises the tau proteins until they unbind and continue diffusing. Long immobilisation durations compared to the mobile durations give rise to distinct non-Gaussian Laplace shaped distributions. It is accompanied by a plateau in the MSD for initially mobile tracer particles at relevant intermediate timescales. An equilibrium fraction of initially mobile tracers gives rise to non-Gaussian displacements at intermediate timescales, while the MSD remains linear at all times. In another setting bio molecules diffuse in a biosensor and transiently bind to specific receptors, where advection becomes relevant in the mobile state. The plateau in the MSD observed for the advection-free setting and long immobilisation durations persists also for the case with advection. We find a new clear regime of anomalous diffusion with non-Gaussian distributions and a cubic scaling of the MSD. This regime emerges for initially mobile and for initially immobile tracers. For an equilibrium fraction of initially mobile tracers we observe an intermittent ballistic scaling of the MSD. The long-time effective diffusion coefficient is enhanced by advection, which we physically explain with the variance of mobile durations. Finally, we generalize the MIM to incorporate arbitrary immobilisation time distributions and focus on a Mittag-Leffler immobilisation time distribution with power-law tail ~ t^(-1-mu) with 025% in single-junction and >29% in tandem devices on top of silicon. This rapid improvement was in many ways fortunate, as e. g. the energy levels of commonly used halide perovskites are compatible with already existing materials from other photovoltaic technologies such as dye-sensitized or organic solar cells. Despite this rapid success, fundamental working principles must be understood to allow concerted further improvements. This thesis focuses on a comprehensive understanding of recombination processes in functioning devices. First the impact the energy level alignment between the perovskite and the electron transport layer based on fullerenes is investigated. This controversial topic is comprehensively addressed and recombination is mitigated through reducing the energy difference between the perovskite conduction band minimum and the LUMO of the fullerene. Additionally, an insulating blocking layer is introduced, which is even more effective in reducing this recombination, without compromising carrier collection and thus efficiency. With the rapid efficiency development (certified efficiencies have broken through the 20% ceiling) and thousands of researchers working on perovskite-based optoelectronic devices, reliable protocols on how to reach these efficiencies are lacking. Having established robust methods for >20% devices, while keeping track of possible pitfalls, a detailed description of the fabrication of perovskite solar cells at the highest efficiency level (>20%) is provided. The fabrication of low-temperature p-i-n structured devices is described, commenting on important factors such as practical experience, processing atmosphere & temperature, material purity and solution age. Analogous to reliable fabrication methods, a method to identify recombination losses is needed to further improve efficiencies. Thus, absolute photoluminescence is identified as a direct way to quantify the Quasi-Fermi level splitting of the perovskite absorber (1.21eV) and interfacial recombination losses the transport layers impose, reducing the latter to ~1.1eV. Implementing very thin interlayers at both the p- and n-interface (PFN-P2 and LiF, respectively), these losses are suppressed, enabling a VOC of up to 1.17eV. Optimizing the device dimensions and the bandgap, 20% devices with 1cm2 active area are demonstrated. Another important consideration is the solar cells’ stability if subjected to field-relevant stressors during operation. In particular these are heat, light, bias or a combination thereof. Perovskite layers – especially those incorporating organic cations – have been shown to degrade if subjected to these stressors. Keeping in mind that several interlayers have been successfully used to mitigate recombination losses, a family of perfluorinated self-assembled monolayers (X-PFCn, where X denotes I/Br and n = 7-12) are introduced as interlayers at the n-interface. Indeed, they reduce interfacial recombination losses enabling device efficiencies up to 21.3%. Even more importantly they improve the stability of the devices. The solar cells with IPFC10 are stable over 3000h stored in the ambient and withstand a harsh 250h of MPP at 85◦C without appreciable efficiency losses. To advance further and improve device efficiencies, a sound understanding of the photophysics of a device is imperative. Many experimental observations in recent years have however drawn an inconclusive picture, often suffering from technical of physical impediments, disguising e. g. capacitive discharge as recombination dynamics. To circumvent these obstacles, fully operational, highly efficient perovskites solar cells are investigated by a combination of multiple optical and optoelectronic probes, allowing to draw a conclusive picture of the recombination dynamics in operation. Supported by drift-diffusion simulations, the device recombination dynamics can be fully described by a combination of first-, second- and third-order recombination and JV curves as well as luminescence efficiencies over multiple illumination intensities are well described within the model. On this basis steady state carrier densities, effective recombination constants, densities-of-states and effective masses are calculated, putting the devices at the brink of the radiative regime. Moreover, a comprehensive review of recombination in state-of-the-art devices is given, highlighting the importance of interfaces in nonradiative recombination. Different strategies to assess these are discussed, before emphasizing successful strategies to reduce interfacial recombination and pointing towards the necessary steps to further improve device efficiency and stability. Overall, the main findings represent an advancement in understanding loss mechanisms in highly efficient solar cells. Different reliable optoelectronic techniques are used and interfacial losses are found to be of grave importance for both efficiency and stability. Addressing the interfaces, several interlayers are introduced, which mitigate recombination losses and degradation. N2 - Auf der Suche nach neuen, kostengünstigen und effizienten Systemen zur photovoltaischen Energiegewinnung, sind Perowskit Solarzellen zu einem der am meistuntersuchtesten Systeme avanciert. Innerhalb einer Dekade konnten unabhängig zertifizierte Umwandlungseffizienzen von >25% in Einzelschicht- und >29% in Mehrschichtzellen basierend auf Siliziumzellen realisiert werden. Die schnelle Entwicklung war in vielerlei Hinsicht glücklich, da beispielsweise die Energielevel typischer Perowskitschichten mit bereits existierenden Kontaktschichtsystemen anderer Photovoltaiksysteme, wie etwa Farbstoffsolarzellen oder Organische Solarzellen, kompatibel sind. Trotz dieses schnellen Erfolges, müssen zur weiteren Effizienzsteigerung grundlegende Wirkprinzipien der Solarzellen verstanden werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem umfassenden Verständnis von Rekombinationsprozessen in voll funktionstüchtigen Bauteilen. Zunächst wird der Einfluss unterschiedlicher Energielevel einer Transportschicht, basierend auf Fullerenen untersucht. Dieses kontrovers diskutierte Thema wurde umfassend untersucht und Rekombinationsverluste aufgrund ungünstiger Energielevel reduziert indem - durch die Wahl unterschiedlicher Fulleren-Derivate - der energetische Abstand zwischen Leitungsband des Perowskit und dem niedrigsten unbesetzten Zustand des Fullerenes reduziert wird. Zusätzlich wurde eine ultradünne elektrisch isolierende Zwischenschicht eingebracht, die noch effektiver Rekombinationsverluste unterdrückt, ohne die Fähigkeit zur Ladungsextraktion - und damit Effizienz einzuschränken. Das breite Interesse tausender Forschenden weltweit hat zur schnellen Entwicklung besagter hoher Effizienzen geführt, obgleich verlässliche, leicht nachzuvollziehende Herstellungsprotokolle nicht existierten. Auf Basis der hier entwickelten Protokolle, werden Methoden dargestellt, mit denen verlässlich >20% effiziente Solarzellen produziert werden können. Hierbei wird insbesondere auf sogenannte invertierte (p-i-n) Zellen eingegangen, wobei ein Fokus auf der Beschreibung essentieller Faktoren wie Atmosphärenkontrolle, Temperaturkontrolle, Materialreinheit oder praktischer Erfahrung liegt. Analog zu verlässlichen Herstellungsmethoden bedarf es robuster Techniken um Rekombinationsverluste zu identifizieren und zu lokalisieren. Zu diesem Zweck wird die Messung der absoluten Photolumineszenzeffizienz eingeführt, die erlaubt die Aufspaltung der Quasi-Fermi Level des Perowskiten zu quantifizieren (1.22eV). Ebenso ist es mit dieser Methode möglich Rekombinationsverluste an Grenzflächen zu lokalisieren, die die Leerlaufspannung auf 1.1V limitieren. Zur Vermeidung dieser Verluste werden erneut ultradünne Zwischenschichten an sowohl der p- als auch n- Grenzschicht eingebracht (PFN-P2 und LiF), die Leerlaufspannungen von bis zu 1.17V ermöglichen. Mithilfe eines optimierten Designs und einer Reduzierung der Bandlücke können Bauteile mit 20% Effizienz bei einer Größe von 1cm2 realisiert werden. Nebst hoher Effizienz ist die Stabilität der Bauteile unter einsatzrelevanten Umweltbedingungen ein wichtiger Faktor auf dem Weg zu einer Kommerzialisierung. Dies gilt insbesondere für Hitze, Beleuchtung, elektrische Ladung oder eine Kombination letzterer. Perowskitschichten -- insbesondere diejenigen, die organische Kationen beinhalten -- sind wohlbekannt dafür unter genannten Bedingungen zu degradieren. Das Konzept der ultradünnen Zwischenschichten wird daher um eine Familie fluornierter selbstorganisierender molekularer Monoschichten erweitert X-PFC_n, wobei X ein Halogen I/Br darstellt und n = 7-12 die Länge der fluorinerten Alkylkette angibt), die an der n-Grenzfläche zum Einsatz kommen. Diese Zwischenschicht reduziert Rekombinationsverluste resultierend in 21.3% effizienten Bauteilen und ermöglicht zusätzlich eine drastische erhöhte Stabilität. Bauteile mit dem Molekül IPFC10 sind über 3000h stabil unter Lagerungsbedingungen im Dunkeln und überstehen 250h unter voller Last bei 85°C ohne nennenswerte Verluste. Weitere Fortschritte in der Steigerung der Effizienz sind nur zu erwarten, wenn eine vollständige Beschreibung der Wirkprinzipien und Schwachstellen vorliegt. Eine Vielzahl experimenteller Studien haben bisher jedoch ein lückenhaftes Bild gemalt. Häufig sind physikalische Beschränkungen, etwa die hohe Kapazität aufgrund der sehr dünnen Schichten dafür verantwortlich, dass Rekombinationsdynamiken durch kapazitive Entladungsprozesse verdeckt werden. Um diese Probleme zu umgehen, werden hocheffiziente Solarzellen mit einer Kombination mehrerer optischer und optoelektronischer Messmethoden untersucht. Dies ermöglicht die Rekombinationsdynamik mit einer Superposition aus Rekombination erster, zweiter und dritter Ordnung der Ladungsträgerdichte vollumfänglich zu beschreiben. Drift-Diffusions Simulationen unterstützen die experimentellen Ergebnisse, selbst unter Einbeziehung mobiler Ionen. Weiterhin wird in einem Übersichtsartikel ein Ausblick auf den gegenwärtigen Stand des Wissens im Bezug auf Rekombinationsverluste in besagten Solarzellen gegeben. Unterschiedliche Messmethoden werden vorgestellt und erfolgreiche Methoden zur Minderung genannter Verluste diskutiert. Insgesamt stellt diese Arbeit einen Fortschritt im Verständnis und der Verminderung unterschiedlicher Verlustprozesse dar. Mithilfe unterschiedlicher verlässlicher optoelektronischer Messmethoden, wird gezeigt, dass der Ursprung von Rekombinations- und Stabilitätsverlusten häufig an den Grenzflächen liegt. Mithilfe gezielt eingesetzter ultradünner Zwischenschichten werden diese Verluste reduziert und die Stabilität erhöht. T2 - Identifizierung und Reduzierung von Verlusten in Perowskit Solarzellen KW - perovskite solar cells KW - interfacial recombination KW - nonradiative losses KW - Perowskit Solarzellen KW - Grenzflächenrekombination KW - nichtstrahlende Verluste Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479301 ER - TY - THES A1 - Petsiuk, Andrei T1 - Investigation of charge carrier transport in metal halide perovskites by THz Spectroscopy T1 - Untersuchung des Ladungstransportes in den Metal Halogenid Perowskiten durch THz Spektroskopie N2 - Halide perovskites are a class of novel photovoltaic materials that have recently attracted much attention in the photovoltaics research community due to their highly promising optoelectronic properties, including large absorption coefficients and long carrier lifetimes. The charge carrier mobility of halide perovskites is investigated in this thesis by THz spectroscopy, which is a contact-free technique that yields the intra-grain sum mobility of electrons and holes in a thin film. The polycrystalline halide perovskite thin films, provided from Potsdam University, show moderate mobilities in the range from 21.5 to 33.5 cm2V-1s-1. It is shown in this work that the room temperature mobility is limited by charge carrier scattering at polar optical phonons. The mobility at low temperature is likely to be limited by scattering at charged and neutral impurities at impurity concentration N=1017-1018 cm-3. Furthermore, it is shown that exciton formation may decrease the mobility at low temperatures. Scattering at acoustic phonons can be neglected at both low and room temperatures. The analysis of mobility spectra over a broad range of temperatures for perovskites with various cation compounds shows that cations have a minor impact on charge carrier mobility. The low-dimensional thin films of quasi-2D perovskite with different numbers of [PbI6]4−sheets (n=2-4) alternating with long organic spacer molecules were provided by S. Zhang from Potsdam University. They exhibit mobilities in the range from 3.7 to 8 cm2V-1s-1. A clear decrease of mobility is observed with decrease in number of metal-halide sheets n, which likely arises from charge carrier confinement within metal-halide layers. Modelling the measured THz mobility with the modified Drude-Smith model yields localization length from 0.9 to 3.7 nm, which agrees well on the thicknesses of the metal-halide layers. Additionally, the mobilities are found to be dependent on the orientation of the layers. The charge carrier dynamics is also dependent on the number of metal-halide sheets n. For the thin films with n =3-4 the dynamics is similar to the 3D MHPs. However, the thin film with n = 2 shows clearly different dynamics, where the signs of exciton formation are observed within 390 fs timeframe after photoexcitation. Also, the charge carrier dynamics of CsPbI3 perovskite nanocrystals was investigated, in particular the effect of post treatments on the charge carrier transport. N2 - Metall-Halogenid Perowskite sind eine Klasse von photovoltaischen Materialien, welche in letzter Zeit sehr viel Aufmerksamkeit von Forschern bekommen haben. Der Grund dafür liegt in ihren vielversprechenden optoelektronischen Eigenschaften, wie beispielsweise hohe Absorptionskoeffizienten, lange Lebenszeiten der Ladungsträger und moderate Beweglichkeiten. Die Beweglichkeit der Ladungsträger und deren Kinetik wurde in dieser Dissertation mit Hilfe von Teraherzspektroskopie in verschiedenen Metall-Halogenide Perowskiten untersucht. Die polykristallinen Halogenide Perowskit-Dünnschichten, bereitgestellt von Dr. M. Stolterfoht von der Universität Potsdam, haben bei Raumtemperatur moderate Ladungsträgerbeweglichkeiten in einem Bereich von 21.5 bis 33.5 cm²V-1s-1. Die Analyse dieser Beweglichkeiten in Abhängigkeit der Temperatur zeigt, dass die Beweglichkeit bei Raumtemperatur durch die Interaktion mit polaren optischen Phononen limitiert wird. Bei niedrigeren Temperaturen sind die Beweglichkeiten durch Streuung an geladenen und neutralen Störstellen limitiert, wobei die Störstellenkonzentration bei ca. N =1017-1018 cm-3 liegt. Weiterhin wird es gezeigt, dass die Reduktion der Anzahl beweglicher Ladungsträger durch Exzitonenbildung ebenfalls bei niedrigen Temperaturen berücksichtigt werden muss. Streuung an akustischen Phononen kann sowohl bei Raum- als auch bei niedrigen Temperaturen vernachlässigt werden. Die Analyse der Beweglichkeitsspektren von Perowskiten mit unterschiedlichen Kationen und bei verschiedenen Temperaturspannen zeigt, dass diese Kationen einen sehr geringen Einfluss auf die Ladungsträgerbeweglichkeit haben. Niederdimensionale Perowskit-Dünnschichten aus alternierenden quasi-2D [PbI6]4− Schichten n (n=3-4) und organischen Trennschichten wurde von S. Zhang von der Universität Potsdam bereitgestellt. Diese zeigen Beweglichkeiten zwischen 3.7 und 8 cm²V-1s-1. Der signifikante Rückgang der beobachteten Beweglichkeit lässt sich auf die Anzahl der Metall-Halogeniden Schichten n zurückführen, in welcher die Ladungsträger räumlich eingeschränkt sind. Die Lokalisationslänge reicht von 0.9 bis 3.7 nm und ist vergleichbar mit der Dicke der einzelnen quasi-2D-Schichten. Ebenfalls ist die Beweglichkeit abhängig von der Schichtenorientierung. Zusätzlich ist die Ladungsträgerdynamik abhängig von der Anzahl der Metall-Halogeniden [PbI6]4−Schichten n. Dicke quasi-2D-Schichten (n = 3-4) zeigen ähnliche Dynamik wie drei dimensionale Perowskite, wogegen die dünnen quasi-2D-Schichten (n = 2) schnelle Exzitonbildung innerhalb 390 fs nach der Ladungsträgeranregung zeigen. Des weiteren wurde die Ladungsträgerdynamik von CsPbI3 Perovskite-Nanokristallen untersucht, insbesondere die Auswirkung von Ligandenaustausch und Temperierung auf die Ladungsträgerbeweglichkeit. KW - Photovoltaics KW - THz Spectroscopy KW - Metal Halide Perovskites KW - Metal Halogenid Perowskiten KW - Photovoltaik KW - THz Spektroskopie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515441 ER - TY - THES A1 - Herrero Alonso, Yohana T1 - Properties of high-redshift galaxies in different environments T1 - Eigenschaften von Galaxien mit hoher Rotverschiebung in verschiedenen Umgebungen N2 - The Lyman-𝛼 (Ly𝛼) line commonly assists in the detection of high-redshift galaxies, the so-called Lyman-alpha emitters (LAEs). LAEs are useful tools to study the baryonic matter distribution of the high-redshift universe. Exploring their spatial distribution not only reveals the large-scale structure of the universe at early epochs, but it also provides an insight into the early formation and evolution of the galaxies we observe today. Because dark matter halos (DMHs) serve as sites of galaxy formation, the LAE distribution also traces that of the underlying dark matter. However, the details of this relation and their co-evolution over time remain unclear. Moreover, theoretical studies predict that the spatial distribution of LAEs also impacts their own circumgalactic medium (CGM) by influencing their extended Ly𝛼 gaseous halos (LAHs), whose origin is still under investigation. In this thesis, I make several contributions to improve the knowledge on these fields using samples of LAEs observed with the Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) at redshifts of 3 < 𝑧 < 6. N2 - Die Lyman-𝛼 (Ly𝛼)-Linie erleichtert die Detektion von Galaxien bei hoher Rotverschiebung, sogenannten den Lyman-Alpha-Emittern (LAEs). Die Erforschung ihrer Verteilung enthüllt nicht nur die großräumige Struktur des Universums in frühen Epochen, sondern bietet auch einen Einblick in die Entstehung und Entwicklung der Galaxien, die wir heute beobachten. Da Halos aus Dunkler Materie (DMHs) als Orte der Galaxienentstehung dienen, spiegelt die LAE-Verteilung auch die der zugrunde liegenden Dunklen Materie wider. Darüber hinaus sagen theoretische Studien voraus, dass die Verteilung von LAEs auch Auswirkungen auf ihr eigenes zirkumgalaktisches Medium (CGM) hat, indem sie ihre ausgedehnten gasförmigen Ly𝛼-Halos (LAHs) beeinflusst. In dieser Dissertation leiste ich mehrere Beiträge zur Verbesserung des Wissens über diese Felder anhand von Stichproben von LAEs, die mit dem Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) bei Rotverschiebungen von 3 < 𝑧 < 6 beobachtet wurden. KW - high-redshift KW - Lyman-alpha emitters KW - clustering KW - large-scale structure KW - Lyman-Alpha-Emitter KW - Clustering KW - hoher Rotverschiebung KW - großräumige Struktur des Universums Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613288 ER - TY - THES A1 - Ronneberger, Sebastian T1 - Nanolayer Fused Deposition Modeling (NanoFDM) BT - from 2D information labels to 4D printing Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Smirnov, Artem T1 - Understanding the dynamics of the near-earth space environment utilizing long-term satellite observations T1 - Verständnis der Dynamik der erdnahen Weltraumumgebung mit Hilfe von Langzeit-Satellitenbeobachtungen N2 - The near-Earth space environment is a highly complex system comprised of several regions and particle populations hazardous to satellite operations. The trapped particles in the radiation belts and ring current can cause significant damage to satellites during space weather events, due to deep dielectric and surface charging. Closer to Earth is another important region, the ionosphere, which delays the propagation of radio signals and can adversely affect navigation and positioning. In response to fluctuations in solar and geomagnetic activity, both the inner-magnetospheric and ionospheric populations can undergo drastic and sudden changes within minutes to hours, which creates a challenge for predicting their behavior. Given the increasing reliance of our society on satellite technology, improving our understanding and modeling of these populations is a matter of paramount importance. In recent years, numerous spacecraft have been launched to study the dynamics of particle populations in the near-Earth space, transforming it into a data-rich environment. To extract valuable insights from the abundance of available observations, it is crucial to employ advanced modeling techniques, and machine learning methods are among the most powerful approaches available. This dissertation employs long-term satellite observations to analyze the processes that drive particle dynamics, and builds interdisciplinary links between space physics and machine learning by developing new state-of-the-art models of the inner-magnetospheric and ionospheric particle dynamics. The first aim of this thesis is to investigate the behavior of electrons in Earth's radiation belts and ring current. Using ~18 years of electron flux observations from the Global Positioning System (GPS), we developed the first machine learning model of hundreds-of-keV electron flux at Medium Earth Orbit (MEO) that is driven solely by solar wind and geomagnetic indices and does not require auxiliary flux measurements as inputs. We then proceeded to analyze the directional distributions of electrons, and for the first time, used Fourier sine series to fit electron pitch angle distributions (PADs) in Earth's inner magnetosphere. We performed a superposed epoch analysis of 129 geomagnetic storms during the Van Allen Probes era and demonstrated that electron PADs have a strong energy-dependent response to geomagnetic activity. Additionally, we showed that the solar wind dynamic pressure could be used as a good predictor of the PAD dynamics. Using the observed dependencies, we created the first PAD model with a continuous dependence on L, magnetic local time (MLT) and activity, and developed two techniques to reconstruct near-equatorial electron flux observations from low-PA data using this model. The second objective of this thesis is to develop a novel model of the topside ionosphere. To achieve this goal, we collected observations from five of the most widely used ionospheric missions and intercalibrated these data sets. This allowed us to use these data jointly for model development, validation, and comparison with other existing empirical models. We demonstrated, for the first time, that ion density observations by Swarm Langmuir Probes exhibit overestimation (up to ~40-50%) at low and mid-latitudes on the night side, and suggested that the influence of light ions could be a potential cause of this overestimation. To develop the topside model, we used 19 years of radio occultation (RO) electron density profiles, which were fitted with a Chapman function with a linear dependence of scale height on altitude. This approximation yields 4 parameters, namely the peak density and height of the F2-layer and the slope and intercept of the linear scale height trend, which were modeled using feedforward neural networks (NNs). The model was extensively validated against both RO and in-situ observations and was found to outperform the International Reference Ionosphere (IRI) model by up to an order of magnitude. Our analysis showed that the most substantial deviations of the IRI model from the data occur at altitudes of 100-200 km above the F2-layer peak. The developed NN-based ionospheric model reproduces the effects of various physical mechanisms observed in the topside ionosphere and provides highly accurate electron density predictions. This dissertation provides an extensive study of geospace dynamics, and the main results of this work contribute to the improvement of models of plasma populations in the near-Earth space environment. N2 - Die erdnahe Weltraumumgebung ist ein hochkomplexes System, das aus mehreren Regionen und Partikelpopulationen besteht, die für den Satellitenbetrieb gefährlich sind. Die in den Strahlungsgürteln und dem Ringstrom gefangenen Teilchen können bei Weltraumwetterereignissen aufgrund der tiefen dielektrischen und oberflächlichen Aufladung erhebliche Schäden an Satelliten verursachen. Näher an der Erde liegt eine weitere wichtige Region, die Ionosphäre, die die Ausbreitung von Funksignalen verzögert und die Navigation und Positionsbestimmung beeinträchtigen kann. Als Reaktion auf Fluktuationen der solaren und geomagnetischen Aktivität können sowohl die Populationen der inneren Magnetosphäre als auch der Ionosphäre innerhalb von Minuten bis Stunden drastische und plötzliche Veränderungen erfahren, was eine Herausforderung für die Vorhersage ihres Verhaltens darstellt. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit unserer Gesellschaft von der Satellitentechnologie ist ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung dieser Populationen von größter Bedeutung. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Raumsonden gestartet, um die Dynamik von Partikelpopulationen im erdnahen Weltraum zu untersuchen, was diesen in eine datenreiche Umgebung verwandelt hat. Um aus der Fülle der verfügbaren Beobachtungen wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, ist der Einsatz fortschrittlicher Modellierungstechniken unabdingbar, und Methoden des maschinellen Lernens gehören zu den leistungsfähigsten verfügbaren Ansätzen. Diese Dissertation nutzt langfristige Satellitenbeobachtungen, um die Prozesse zu analysieren, die die Teilchendynamik antreiben, und schafft interdisziplinäre Verbindungen zwischen Weltraumphysik und maschinellem Lernen, indem sie neue hochmoderne Modelle der innermagnetosphärischen und ionosphärischen Teilchendynamik entwickelt. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, das Verhalten von Elektronen im Strahlungsgürtel und Ringstrom der Erde zu untersuchen. Unter Verwendung von ~18 Jahren Elektronenflussbeobachtungen des Global Positioning System (GPS) haben wir das erste maschinelle Lernmodell des Elektronenflusses im mittleren Erdorbit (MEO) entwickelt, das ausschließlich durch Sonnenwind und geomagnetische Indizes gesteuert wird und keine zusätzlichen Flussmessungen als Eingaben benötigt. Anschließend analysierten wir die Richtungsverteilungen der Elektronen und verwendeten zum ersten Mal Fourier-Sinus-Reihen, um die Elektronen-Stellwinkelverteilungen (PADs) in der inneren Magnetosphäre der Erde zu bestimmen. Wir führten eine epochenübergreifende Analyse von 129 geomagnetischen Stürmen während der Van-Allen-Sonden-Ära durch und zeigten, dass die Elektronen-PADs eine starke energieabhängige Reaktion auf die geomagnetische Aktivität haben. Außerdem konnten wir zeigen, dass der dynamische Druck des Sonnenwindes als guter Prädiktor für die PAD-Dynamik verwendet werden kann. Anhand der beobachteten Abhängigkeiten haben wir das erste PAD-Modell mit einer kontinuierlichen Abhängigkeit von L, der magnetischen Ortszeit (MLT) und der Aktivität erstellt und zwei Techniken entwickelt, um die Beobachtungen des äquatornahen Elektronenflusses aus Daten mit niedrigem Luftdruck mit Hilfe dieses Modells zu rekonstruieren. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells der Topside-Ionosphäre. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir Beobachtungen von fünf der meistgenutzten Ionosphärenmissionen gesammelt und diese Datensätze interkalibriert. So konnten wir diese Daten gemeinsam für die Modellentwicklung, die Validierung und den Vergleich mit anderen bestehenden empirischen Modellen nutzen. Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass die Ionendichtebeobachtungen von Swarm-Langmuir-Sonden in niedrigen und mittleren Breiten auf der Nachtseite eine Überschätzung (bis zu ~40-50%) aufweisen, und haben vorgeschlagen, dass der Einfluss leichter Ionen eine mögliche Ursache für diese Überschätzung sein könnte. Zur Entwicklung des Oberseitenmodells wurden 19 Jahre lang Elektronendichteprofile aus der Radio-Okkultation (RO) verwendet, die mit einer Chapman-Funktion mit einer linearen Abhängigkeit der Skalenhöhe von der Höhe angepasst wurden. Aus dieser Näherung ergeben sich 4 Parameter, nämlich die Spitzendichte und die Höhe der F2-Schicht sowie die Steigung und der Achsenabschnitt des linearen Trends der Skalenhöhe, die mit Hilfe von neuronalen Feedforward-Netzwerken (NN) modelliert wurden. Das Modell wurde sowohl anhand von RO- als auch von In-situ-Beobachtungen umfassend validiert und übertrifft das Modell der Internationalen Referenz-Ionosphäre (IRI). Unsere Analyse zeigte, dass die größten Abweichungen des IRI-Modells von den Daten in Höhen von 100-200 km über der F2-Schichtspitze auftreten. Das entwickelte NN-basierte Ionosphärenmodell reproduziert die Auswirkungen verschiedener physikalischer Mechanismen, die in der Topside-Ionosphäre beobachtet werden, und liefert sehr genaue Vorhersagen der Elektronendichte. Diese Dissertation bietet eine umfassende Untersuchung der Dynamik in der Geosphäre, und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit tragen zur Verbesserung der Modelle von Plasmapopulationen in der erdnahen Weltraumumgebung bei. KW - Ionosphere KW - radiation belts KW - ring current KW - space physics KW - empirical modeling KW - machine learning KW - gradient boosting KW - neural networks KW - Ionosphäre KW - empirische Modellierung KW - Gradient Boosting KW - maschinelles Lernen KW - neuronale Netze KW - Strahlungsgürtel KW - Ringstrom KW - Weltraumphysik Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613711 ER - TY - THES A1 - Maiti, Snehanshu T1 - Magnetohydrodynamic turbulence and cosmic ray transport T1 - Magnetohydrodynamische Turbulenz und Transport kosmischer Strahlung N2 - The first part of the thesis studies the properties of fast mode in magneto hydro-dynamic (MHD) turbulence. 1D and 3D numerical simulations are carried out to generate decaying fast mode MHD turbulence. The injection of waves are carried out in a collinear and isotropic fashion to generate fast mode turbulence. The properties of fast mode turbulence are analyzed by studying their energy spectral density, 2D structure functions and energy decay/cascade time. The injection wave vector is varied to study the dependence of the above properties on the injection wave vectors. The 1D energy spectrum obtained for the velocity and magnetic fields has 𝐸 (𝑘) ∝ 𝑘−2. The 2D energy spectrum and 2D structure functions in parallel and perpendicular directions shows that fast mode turbulence generated is isotropic in nature. The cascade/decay rate of fast mode MHD turbulence is proportional to 𝑘−0.5 for different kinds of wave vector injection. Simulations are also carried out in 1D and 3D to compare balanced and imbalanced turbulence. The results obtained shows that while 1D imbalanced turbulence decays faster than 1D balanced turbulence, there is no difference in the decay of 3D balanced and imbalanced turbulence for the current resolution of 512 grid points. "The second part of the thesis studies cosmic ray (CR) transport in driven MHD turbulence and is strongly dependent on it’s properties. Test particle simulations are carried out to study CR interaction with both total MHD turbulence and decomposed MHD modes. The spatial diffusion coefficients and the pitch angle scattering diffusion coefficients are calculated from the test particle trajectories in turbulence. The results confirms that the fast modes dominate the CR propagation, whereas Alfvén, slow modes are much less efficient with similar pitch angle scattering rates. The cross field transport on large and small scales are investigated next. On large/global scales, normal diffusion is observed and the diffusion coefficient is suppressed by 𝑀𝜁𝐴 compared to the parallel diffusion coefficients, with 𝜁 closer to 4 in Alfvén modes than that in total turbulence as theoretically expected. For the CR transport on scales smaller than the turbulence injection scale 𝐿, both the local and global magnetic reference frames are adopted. Super diffusion is observed on such small scales in all the cases. Particularly, CR transport in Alfvén modes show clear Richardson diffusion in the local reference frame. The diffusion transition smoothly from the Richardson’s one with index 1.5 to normal diffusion as particle’s mean free path decreases from 𝜆∥ ≫ 𝐿 to 𝜆∥ ≪ 𝐿. These results have broad applications to CRs in various astrophysical environments". N2 - Der erste Teil der Arbeit untersucht die Eigenschaften des schnellen Modus in magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenzen. Es werden numerische 1D- und 3D-Simulationen durchgeführt, um eine abklingende Fast-Mode-MHD-Turbulenz zu erzeugen. Die Injektion von Wellenvektoren wird kollinear und isotrop durchgeführt, um Fast-Mode-Turbulenzen zu erzeugen. Die Eigenschaften der Fast-Mode-Turbulenz werden durch die Untersuchung ihrer Energie-Spektraldichte, 2D-Strukturfunktionen und Energieabfall-/Kaskadenzeit analysiert. Die Injektionswellenvektoren werden in verschiedenen Simulationen für unterschiedliche Arten der Injektion variiert, um die Abhängigkeit der oben genannten Eigenschaften von den Injektionswellenvektoren zu untersuchen. Das für die Geschwindigkeits- und Magnetfelder erhaltene 1D-Energiespektrum hat E(k) ∝ k−2. Das 2D-Energiespektrum und die 2D-Strukturfunktionen in parallelen und senkrechten Richtungen zeigen, dass die erzeugte Fast-Mode-Turbulenz von Natur aus isotrop ist. Die Kaskaden-/Zerfallsrate der Fast-Mode-MHD-Turbulenz ist proportional zu k−0.5 für verschiedene Arten der Wellenvektorinjektion. Es werden auch Simulationen in 1D und 3D durchgeführt, um ausgeglichene und unausgeglichene Turbulenzen zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine unausgewogene 1D-Turbulenz schneller abklingt als eine ausgeglichene 1D-Turbulenz, während es bei der derzeitigen Auflösung von 512 Gitterpunkten keinen Unterschied im Abklingen von ausgeglichener und unausgewogener 3D-Turbulenz gibt. Der zweite Teil der Arbeit untersucht den Transport kosmischer Strahlung (CR) in angetriebenen MHD-Turbulenzen und ist stark von deren Eigenschaften abhängig. Es werden Testpartikelsimulationen durchgeführt, um die Wechselwirkung von kosmischer Strahlung sowohl mit der gesamten MHD-Turbulenz als auch mit zerlegten MHD-Moden zu untersuchen. Aus den Flugbahnen der Testteilchen in der Turbulenz werden die räumlichen Diffusionskoeffizienten und die Diffusionskoeffizienten für die Streuung im Neigungswinkel berechnet. Die Ergebnisse bestätigen, dass die schnellen Moden die CR-Ausbreitung dominieren, während Alfv´en langsame Moden bei ähnlichen Neigungswinkelstreuungsraten viel weniger effizient sind. Der Querfeldtransport auf großen und kleinen Skalen wird als nächstes untersucht. Auf großen/globalen Skalen wird normale Diffusion beobachtet und der Diffusionskoeffizient wird durch MζA im Vergleich zu den parallelen Diffusionskoeffizienten unterdrückt, wobei ζin Alfv´en-Moden näher bei 4 liegt als in der Gesamtturbulenz, wie theoretisch erwartet. Für den CR-Transport auf Skalen, die kleiner sind als die Turbulenzinjektionsskala L, werden sowohl der lokale als auch der globale magnetische Bezugsrahmen verwendet. Auf solch kleinen Skalen wird in allen Fällen Superdiffusion beobachtet. Insbesondere der CRTransport in Alfv’en-Moden zeigt eine deutliche Richardson-Diffusion im lokalen Bezugssystem. Die Diffusion geht fließend von der Richardson-Diffusion mit dem Index 1,5 zur normalen Diffusion über, wenn die mittlere freie Weglänge der Teilchen, λ∥, von λ∥ ≫ L auf λ∥ ≪ L abnimmt. Diese Ergebnisse haben eine breite Anwendung auf CRs in verschiedenen astrophysikalischen Umgebungen. KW - isotropic fast mode turbulence KW - cascade rate KW - Alfv´en mode MHD turbulence KW - cosmic ray diffusion KW - efficient scattering KW - mean free path KW - Richardson Superdiffusion KW - Alfv´en-Modus MHD-Turbulenz KW - Richardson-Superdiffusion KW - Kaskadenrate KW - Diffusion kosmischer Strahlung KW - effiziente Streuung KW - Isotroper schneller Modus Turbulenzen KW - bedeuten freie Bahn Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-589030 ER - TY - THES A1 - Aseev, Nikita T1 - Modeling and understanding dynamics of charged particles in the Earth's inner magnetosphere T1 - Modellierung und Untersuchung der Dynamik geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre der Erde N2 - The Earth's inner magnetosphere is a very dynamic system, mostly driven by the external solar wind forcing exerted upon the magnetic field of our planet. Disturbances in the solar wind, such as coronal mass ejections and co-rotating interaction regions, cause geomagnetic storms, which lead to prominent changes in charged particle populations of the inner magnetosphere - the plasmasphere, ring current, and radiation belts. Satellites operating in the regions of elevated energetic and relativistic electron fluxes can be damaged by deep dielectric or surface charging during severe space weather events. Predicting the dynamics of the charged particles and mitigating their effects on the infrastructure is of particular importance, due to our increasing reliance on space technologies. The dynamics of particles in the plasmasphere, ring current, and radiation belts are strongly coupled by means of collisions and collisionless interactions with electromagnetic fields induced by the motion of charged particles. Multidimensional numerical models simplify the treatment of transport, acceleration, and loss processes of these particles, and allow us to predict how the near-Earth space environment responds to solar storms. The models inevitably rely on a number of simplifications and assumptions that affect model accuracy and complicate the interpretation of the results. In this dissertation, we quantify the processes that control electron dynamics in the inner magnetosphere, paying particular attention to the uncertainties of the employed numerical codes and tools. We use a set of convenient analytical solutions for advection and diffusion equations to test the accuracy and stability of the four-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) code. We show that numerical schemes implemented in the code converge to the analytical solutions and that the VERB-4D code demonstrates stable behavior independent of the assumed time step. The order of the numerical scheme for the convection equation is demonstrated to affect results of ring current and radiation belt simulations, and it is crucially important to use high-order numerical schemes to decrease numerical errors in the model. Using the thoroughly tested VERB-4D code, we model the dynamics of the ring current electrons during the 17 March 2013 storm. The discrepancies between the model and observations above 4.5 Earth's radii can be explained by uncertainties in the outer boundary conditions. Simulation results indicate that the electrons were transported from the geostationary orbit towards the Earth by the global-scale electric and magnetic fields. We investigate how simulation results depend on the input models and parameters. The model is shown to be particularly sensitive to the global electric field and electron lifetimes below 4.5 Earth's radii. The effects of radial diffusion and subauroral polarization streams are also quantified. We developed a data-assimilative code that blends together a convection model of energetic electron transport and loss and Van Allen Probes satellite data by means of the Kalman filter. We show that the Kalman filter can correct model uncertainties in the convection electric field, electron lifetimes, and boundary conditions. It is also demonstrated how the innovation vector - the difference between observations and model prediction - can be used to identify physical processes missing in the model of energetic electron dynamics. We computed radial profiles of phase space density of ultrarelativistic electrons, using Van Allen Probes measurements. We analyze the shape of the profiles during geomagnetically quiet and disturbed times and show that the formation of new local minimums in the radial profiles coincides with the ground observations of electromagnetic ion-cyclotron (EMIC) waves. This correlation indicates that EMIC waves are responsible for the loss of ultrarelativistic electrons from the heart of the outer radiation belt into the Earth's atmosphere. N2 - Die innere Magnetosphäre der Erde ist ein sehr dynamisches System, das hauptsächlich vom äußeren Sonnenwind beeinflusst wird, der auf das Magnetfeld unseres Planeten einwirkt. Störungen im Sonnenwind, wie z.B. koronale Massenauswürfe und sogenannte Korotierende Wechselwirkungsbereiche, verursachen geomagnetische Stürme, die zu deutlichen Veränderungen der Populationen geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre führen - Plasmasphäre, Ringstrom und Strahlungsgürtel. Satelliten, die in Regionen mit erhöhten energetischen und relativistischen Elektronenflüssen betrieben werden, können durch tiefe dielektrische Ladung oder Oberflächenladungen bei schweren Weltraumwetterereignissen beschädigt werden. Die Vorhersage der Dynamik der geladenen Teilchen und die Abschwächung ihrer Auswirkungen auf die Infrastruktur sind heutzutage von besonderer Bedeutung, insbesondere aufgrund unserer zunehmenden Abhängigkeit von Weltraumtechnologien. Die Dynamik von Teilchen in der Plasmasphäre, des Ringstrom und in den Strahlungsgürteln sind durch Kollisionen und kollisionsfreie Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern, die durch die Bewegung geladener Teilchen induziert werden, stark gekoppelt. Mehrdimensionale numerische Modelle vereinfachen die Betrachtung von Transport-, Beschleunigungs- und Verlustprozessen dieser Partikel und ermöglichen es uns, vorherzusagen, wie die erdnahe Weltraumumgebung auf Sonnenstürme reagiert. Die Modelle beruhen zwangsläufig auf einer Reihe von Vereinfachungen und Voraussetzungen, die sich auf die Modellgenauigkeit auswirken und die Interpretation der Ergebnisse erschweren. In dieser Dissertation quantifizieren wir die Prozesse, die die Dynamik der Elektronen in der inneren Magnetosphäre steuern. Dabei richten wir den Fokus insbesondere auch auf die Unsicherheiten der verwendeten numerischen Codes. Wir verwenden eine Reihe praktischer analytischer Lösungen für Advektions- und Diffusionsgleichungen, um die Genauigkeit und Stabilität des 4-dimensionalen ''Versatile Electron Radiation Belt'' Codes (VERB-4D Code) zu testen. Wir zeigen, dass die im Code implementierten numerischen Schemata zu den analytischen Lösungen konvergieren und der Code sich unabhängig vom angenommenen Zeitschritt stabil verhält. Wir demonstrieren, wie die Genauigkeit des numerischen Schemas für die Konvektionsgleichung die Ergebnisse von Ringstrom- und Strahlungsgürtelsimulationen beeinflussen kann, und dass es von entscheidender Beteutung ist, numerische Schemata höherer Ordnung zu verwenden, um numerische Fehler im Modell zu reduzieren. Mit dem ausführlich getesteten VERB-4D Code modellieren wir die Dynamik der Ringstromelektronen während des Sturms vom 17. März 2013. Wir zeigen, dass die Diskrepanzen zwischen dem Modell und Beobachtungen oberhalb von 4.5 Erdradien durch Unsicherheiten in den äußeren Randbedingungen erklärt werden können und dass die Elektronen durch die globalen elektrischen und magnetischen Felder von der geostationäre Umlaufbahn zur Erde transportiert wurden. Wir untersuchen weiterhin, wie die Simulationsergebnisse von den Eingabemodellen und Parametern abhängen. Wir zeigen, dass das Modell besonders empfindlich für das globale elektrische Feld und die Lebensdauer der Elektronen unterhalb von 4.5 Erdradien ist. Außerdem quantifizieren wir auch die Auswirkungen von radialer Diffusion und subauroralen Polarisationsströmen. Wir haben einen datenassimilativen Code entwickelt, der mithilfe des Kalman-Filters ein Konvektionsmodell für den Transport und den Verlust energetischer Elektronen mit den Satellitendaten der Van Allen Probes kombiniert. Wir zeigen, dass die Verwendung eines Kalman-Filters Modellunsicherheiten im elektrischen Konvektionsfeld, in der Lebensdauer der Elektronen und in den Randbedingungen korrigieren kann. Weiterhin zeigen wir, wie der Innovationsvektor - die Differenz zwischen Beobachtungen und Modellvorhersagen - verwendet werden kann, um physikalische Prozesse zu identifizieren, die im Modell der Dynamik der energetischen Elektronen fehlen. Außerdem berechnen wir radiale Profile der Phasenraumdichte ultrarelativistischer Elektronen mithilfe von Van Allen Probes-Messungen. Wir analysieren die Form der Profile und zeigen, dass die Entstehung neuer lokaler Minima in den radialen Profilen mit den Bodenbeobachtungen von EMIC-Wellen übereinstimmt. Diese Korrelation legt nahe, dass EMIC-Wellen für den Verlust ultrarelativistischer Elektronen vom Herzen des äußeren Strahlungsgürtels in die Erdatmosphäre verantwortlich sind. KW - ring current electrons KW - radiation belts KW - mathematical modeling KW - wave-particle interactions KW - data assimilation KW - Ringstromelektronen KW - Strahlungsgürtel KW - mathematische Modellierung KW - Wellen-Teilchen Wechselwirkungen KW - Datenassimilation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479211 ER - TY - THES A1 - Matuschek, Hannes T1 - Applications of reproducing Kernel Hilbert spaces and their approximations Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Rodriguez Zuluaga, Juan T1 - Electric and magnetic characteristics of equatorial plasma depletions T1 - Elektrische und magnetische Beschreibung von äquatorialen Plasma-Verarmungen BT - an observational assessment using the Swarm mission BT - eine empirische Beurteilung mit der Satellitenmission Swarm N2 - Near-Earth space represents a significant scientific and technological challenge. Particularly at magnetic low-latitudes, the horizontal magnetic field geometry at the dip equator and its closed field-lines support the existence of a distinct electric current system, abrupt electric field variations and the development of plasma irregularities. Of particular interest are small-scale irregularities associated with equatorial plasma depletions (EPDs). They are responsible for the disruption of trans-ionospheric radio waves used for navigation, communication, and Earth observation. The fast increase of satellite missions makes it imperative to study the near-Earth space, especially the phenomena known to harm space technology or disrupt their signals. EPDs correspond to the large-scale structure (i.e., tens to hundreds of kilometers) of topside F region irregularities commonly known as Spread F. They are observed as depleted-plasma density channels aligned with the ambient magnetic field in the post-sunset low-latitude ionosphere. Although the climatological variability of their occurrence in terms of season, longitude, local time and solar flux is well-known, their day to day variability is not. The sparse observations from ground-based instruments like radars and the few simultaneous measurements of ionospheric parameters by space-based instruments have left gaps in the knowledge of EPDs essential to comprehend their variability. In this dissertation, I profited from the unique observations of the ESA’s Swarm constellation mission launched in November 2013 to tackle three issues that revealed novel and significant results on the current knowledge of EPDs. I used Swarm’s measurements of the electron density, magnetic, and electric fields to answer, (1.) what is the direction of propagation of the electromagnetic energy associated with EPDs?, (2.) what are the spatial and temporal characteristics of the electric currents (field-aligned and diamagnetic currents) related to EPDs, i.e., seasonal/geographical, and local time dependencies?, and (3.) under what conditions does the balance between magnetic and plasma pressure across EPDs occur? The results indicate that: (1.) The electromagnetic energy associated with EPDs presents a preference for interhemispheric flows; that is, the related Poynting flux directs from one magnetic hemisphere to the other and varies with longitude and season. (2.) The field-aligned currents at the edges of EPDs are interhemispheric. They generally close in the hemisphere with the highest Pedersen conductance. Such hemispherical preference presents a seasonal/longitudinal dependence. The diamagnetic currents increase or decrease the magnetic pressure inside EPDs. These two effects rely on variations of the plasma temperature inside the EPDs that depend on longitude and local time. (3.) EPDs present lower or higher plasma pressure than the ambient. For low-pressure EPDs the plasma pressure gradients are mostly dominated by variations of the plasma density so that variations of the temperature are negligible. High-pressure EPDs suggest significant temperature variations with magnitudes of approximately twice the ambient. Since their occurrence is more frequent in the vicinity of the South Atlantic magnetic anomaly, such high temperatures are suggested to be due to particle precipitation. In a broader context, this dissertation shows how dedicated satellite missions with high-resolution capabilities improve the specification of the low-latitude ionospheric electrodynamics and expand knowledge on EPDs which is valuable for current and future communication, navigation, and Earth-observing missions. The contributions of this investigation represent several ’firsts’ in the study of EPDs: (1.) The first observational evidence of interhemispheric electromagnetic energy flux and field-aligned currents. (2.) The first spatial and temporal characterization of EPDs based on their associated field-aligned and diamagnetic currents. (3.) The first evidence of high plasma pressure in regions of depleted plasma density in the ionosphere. These findings provide new insights that promise to advance our current knowledge of not only EPDs but the low-latitude post-sunset ionosphere environment. N2 - Der erdnahe Weltraum stellt eine bedeutende wissenschaftliche und technologische Herausforderung dar. Insbesondere in niedrigeren magnetischen Breitengraden unterstützen die horizontale Geometrie des Magnetfelds und seine geschlossenen Feldlinien das Vorhandensein eines speziellen elektrischen Stromsystems, abrupte Änderungen der elektrischen Felder und das Auftreten von Plasmairregularitäten. Von besonderem Interesse sind regionale Unregelmäßigkeiten im Zusammenhang mit äquatorialen Plasma-Verarmungen (EPDs, Abkürzung aus dem Englischen für „equatorial plasma depletions”). Sie stören trans-ionosphärischer Funkwellen, welche zur Positionierung, Kommunikation und Erd-beobachtung eingesetzt werden. Die schnelle Entwicklung von Satellitenmissionen macht das Verständnis der erdnahen Weltraumphänomene zu einer Priorität, insbesondere derjenigen, welche die Weltraumtechnologie schädigen oder ihre Signale stören können. Die EPDs und die damit verbundenen Plasmairregularitäten sind seit Beginn des Weltraumzeitalters eines der am häufigsten untersuchten Phänomene. EPDs sind großflächigen Strukturen (d. h. zehn bis hundert Kilometer), die auf Spread F Ereignisse zurückgeführt werden können. Sie äußern sich als mit dem Hintergrund-Magnetfeld ausgerichtete Kanäle verarmter Plasmadichte, welche in niedrigen Breiten in der Ionophäre nach Sonnenuntergang auftreten. Obwohl die klimatologische Variabilität des Auftretens von EPDs bezüglich der Jahreszeit, geografischen Länge, Ortszeit und des Sonnenzyklus wohl bekannt sind, trifft dies nicht für ihre Tag-zu-Tag-Variabilität zu. Die spärlichen Beobachtungen von bodengestützten Instrumenten, wie Radargeräten, und die wenigen gleichzeitigen Messungen ionosphärischer Parameter von weltraumgestützten Instrumenten auf erdnahen Umlaufbahnen haben Wissenslücken hinterlassen, die für das Verständnis der Variabilität von EPDs essentiell sind. In dieser Dissertation habe ich von einzigartigen Beobachtungen der im November 2013 gestarteten ESA Satellitenkonstellationsmission „Swarm“ profitiert, um drei Probleme zu bearbeiten, die neue und signifikante Ergebnisse zum aktuellen Wissen über EPDs enthüllten. Ich habe Swarms Messungen der Elektronendichte, des magnetischen und des elektrischen Feldes verwendet, um Folgendes zu beantworten: (1.) In welche Richtung breitet sich die mit den EPDs verbundene elektromagnetische Energie aus? (2.) Was sind die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der elektrischen Ströme (feldgerichtete und diamagnetische Ströme) in Bezug auf EPDs, d. h. wie hängen sie von der geografischen Länge, Jahreszeit und Lokalzeit ab? (3.) Unter welchen Bedingungen findet der mit EPDs verbundene Ausgleich zwischen magnetischem Druck und Plasmadruck statt? Die Ergebnisse zeigen, dass: (1.) Die mit EPDs verbundene elektromagnetische Energie bevorzugt interhemisphärische Strömungen, das heißt, der zugehörige Poynting-Fluss strömt von einer magnetischen Hemisphäre zur anderen und die Strömungsrichtung variiert mit geografischer Länge und Jahreszeit. (2.) Die feldgerichteten Ströme an den Rändern von EPDs sind interhemisphärisch. Im Allgemeinen schließen sie sich in der Hemisphäre mit der höchsten Pedersen-Leitfähigkeit. Die derartige hemisphärische Präferenz zeigt eine Abhängigkeit bezüglich der Jahreszeit/geografischen Länge. Die diamagnetischen Ströme erhöhen oder verringern den magnetischen Druck innerhalb der EPDs. Diese beiden Effekte beruhen auf Variationen der Plasmatemperatur innerhalb der EPDs, die von der geografischen Länge und der Lokalzeit abhängt. (3.) EPDs weisen einen höheren oder niedrigeren Plasmadruck als ihre Umgebung auf. In Niederdruck-EPDs werden die Plasmadruckgradienten meist durch Variationen der Plasmadichte hervorgerufen, sodass Temperaturschwankungen vernachlässigbar sind. Hochdruck-EPDs deuten auf hohe innere Temperaturen hin, etwa das Zweifache der Umgebungstemperatur. Aufgrund ihres häufigeren Auftretens in der Nähe der Südatlantischen Magnetfeldanomalie wird vermutet, dass solche hohen Temperaturen auf den Einfall hochenergetischer Teilchen zurückzuführen sind. In einem breiteren Kontext zeigt diese Dissertation auf, wie spezielle Satellitenmissionen mit hohem Auflösungsvermögen die Spezifikation der ionoshärischen Elektrodynamik in niedrigen Breiten und das Verständnis von EPDs verbessern, was wertvoll für aktuelle und zukünfte Kommunikatoins-, Positionierungs- sowie Erdbeobachtungsmissionen ist. Die Beiträge dieser Arbeit stellen gleich mehrere "Premieren" in der EPD-Forschung dar: (1.) Der erste empirische Nachweis interhemisphärischer elektromagnetischer Energieflüsse und feldgerichteter Ströme. (2.) Die erste raum-zeitliche Beschreibung von EPDs auf der Grundlage ihrer assoziierten feldgerichteten und diamagnetischen Ströme. (3.) Der erste Nachweis hohen Plasmadrucks in Regionen verminderter Plasmadichte in der Ionosphäre. Diese Forschungsergebnisse liefern neue Erkenntnisse, die nicht nur unser derzeitiges Wissen über EPDs, sondern auch jenes über die ionosphärische Domaine in niedrigen Breiten nach Sonnenuntergang fördert. KW - equatorial plasma depletions KW - electric and magnetic fields KW - spread F KW - ionosphere KW - swarm mission KW - äquatorialen Plasma-Verarmungen KW - elektrische und magnetische Felder KW - Spread F KW - Ionosphäre KW - Satellitenmission Swarm Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-445873 ER - TY - THES A1 - Schlemm, Tanja T1 - The marine ice cliff instability of the Antarctic ice sheet T1 - Die marine Eisklippeninstabilität des antarktischen Eisschildes BT - a theory of mélange-buttressed cliff calving and its application in the Parallel Ice Sheet Model BT - eine Theorie des Mélange-gebremsten Klippenkalbens und ihre Anwendung im Parallel Ice Sheet Model N2 - The Antarctic ice sheet is the largest freshwater reservoir worldwide. If it were to melt completely, global sea levels would rise by about 58 m. Calculation of projections of the Antarctic contribution to sea level rise under global warming conditions is an ongoing effort which yields large ranges in predictions. Among the reasons for this are uncertainties related to the physics of ice sheet modeling. These uncertainties include two processes that could lead to runaway ice retreat: the Marine Ice Sheet Instability (MISI), which causes rapid grounding line retreat on retrograde bedrock, and the Marine Ice Cliff Instability (MICI), in which tall ice cliffs become unstable and calve off, exposing even taller ice cliffs. In my thesis, I investigated both marine instabilities (MISI and MICI) using the Parallel Ice Sheet Model (PISM), with a focus on MICI. N2 - Der antarktische Eisschild ist das größte Süßwasserreservoir der Welt. Würde er vollständig schmelzen, würde der globale Meeresspiegel um etwa 58 m ansteigen. Die Ermittlung von Prognosen über den Beitrag der Antarktis zum Anstieg des Meeresspiegels infolge der globalen Erwärmung ist ein fortlaufender Prozess, der große Unterschiede in den Vorhersagen zur Folge hat. Einer der Gründe dafür sind Ungewissheiten im Zusammenhang mit der Physik der Eisschildmodellierung. Zu diesen Unsicherheiten gehören zwei Prozesse, die zu einem unkontrollierten Eisrückzug führen könnten: die Marine Ice Sheet Instability (MISI), die zu einem schnellen Rückzug der Grundlinie auf rückläufigem Grundgestein führt, und die Marine Ice Cliff Instability (MICI), bei der hohe Eisklippen instabil werden und abkalben, wodurch noch höhere Eisklippen freigelegt werden. In meiner Dissertation untersuchte ich beide marinen Instabilitäten (MISI und MICI) mit Hilfe des Parallel Ice Sheet Model (PISM), wobei der Schwerpunkt auf MICI lag. KW - Antarctica KW - ice sheet modelling KW - iceberg calving KW - Antarktis KW - Eisschildmodellierung KW - Eisbergkalbung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586333 ER - TY - THES A1 - Kuhla, Kilian T1 - Impact, distribution, and adaptation T1 - Auswirkung, Verteilung und Anpassung BT - how weather extremes threaten the economic network BT - wie Wetterextreme das ökonomische Netzwerk bedrohen N2 - Weather extremes pose a persistent threat to society on multiple layers. Besides an average of ~37,000 deaths per year, climate-related disasters cause destroyed properties and impaired economic activities, eroding people's livelihoods and prosperity. While global temperature rises – caused by anthropogenic greenhouse gas emissions – the direct impacts of climatic extreme events increase and will further intensify without proper adaptation measures. Additionally, weather extremes do not only have local direct effects. Resulting economic repercussions can propagate either upstream or downstream along trade chains causing indirect effects. One approach to analyze these indirect effects within the complex global supply network is the agent-based model Acclimate. Using and extending this loss-propagation model, I focus in this thesis on three aspects of the relation between weather extremes and economic repercussions. First, extreme weather events cause direct impacts on local economic performance. I compute daily local direct output loss time series of heat stress, river floods, tropical cyclones, and their consecutive occurrence using (near-future) climate projection ensembles. These regional impacts are estimated based on physical drivers and local productivity distribution. Direct effects of the aforementioned disaster categories are widely heterogeneous concerning regional and temporal distribution. As well, their intensity changes differently under future warming. Focusing on the hurricane-impacted capital, I find that long-term growth losses increase with higher heterogeneity of a shock ensemble. Second, repercussions are sectorally and regionally distributed via economic ripples within the trading network, causing higher-order effects. I use Acclimate to identify three phases of those economic ripples. Furthermore, I compute indirect impacts and analyze overall regional and global production and consumption changes. Regarding heat stress, global consumer losses double while direct output losses increase by a factor 1.5 between 2000 – 2039. In my research I identify the effect of economic ripple resonance and introduce it to climate impact research. This effect occurs if economic ripples of consecutive disasters overlap, which increases economic responses such as an enhancement of consumption losses. These loss enhancements can even be more amplified with increasing direct output losses, e.g. caused by climate crises. Transport disruptions can cause economic repercussions as well. For this, I extend the model Acclimate with a geographical transportation route and expand the decision horizon of economic agents. Using this, I show that policy-induced sudden trade restrictions (e.g. a no-deal Brexit) can significantly reduce the longer-term economic prosperity of affected regions. Analyses of transportation disruptions in typhoon seasons indicate that severely affected regions must reduce production as demand falls during a storm. Substituting suppliers may compensate for fluctuations at the beginning of the storm, which fails for prolonged disruptions. Third, possible coping mechanisms and adaptation strategies arise from direct and indirect economic responses to weather extremes. Analyzing annual trade changes due to typhoon-induced transport disruptions depict that overall exports rise. This trade resilience increases with higher network node diversification. Further, my research shows that a basic insurance scheme may diminish hurricane-induced long-term growth losses due to faster reconstruction in disasters aftermaths. I find that insurance coverage could be an economically reasonable coping scheme towards higher losses caused by the climate crisis. Indirect effects within the global economic network from weather extremes indicate further adaptation possibilities. For one, diversifying linkages reduce the hazard of sharp price increases. Next to this, close economic interconnections with regions that do not share the same extreme weather season can be economically beneficial in the medium run. Furthermore, economic ripple resonance effects should be considered while computing costs. Overall, an increase in local adaptation measures reduces economic ripples within the trade network and possible losses elsewhere. In conclusion, adaptation measures are necessary and potential present, but it seems rather not possible to avoid all direct or indirect losses. As I show in this thesis, dynamical modeling gives valuable insights into how direct and indirect economic impacts arise from different categories of weather extremes. Further, it highlights the importance of resolving individual extremes and reflecting amplifying effects caused by incomplete recovery or consecutive disasters. N2 - Wetterextreme stellen für die Gesellschaft eine anhaltende Bedrohung auf mehreren Ebenen dar. Neben durchschnittlich ~37.000 Todesfällen pro Jahr verursachen meteorologische Katastrophen Eigentumsschäden und Wirtschaftsbeeinträchtigungen, wodurch die Lebensgrundlagen und der Wohlstand der Menschen untergraben werden. Während die globale Temperatur – verursacht durch anthropogene Treibhausgasemissionen – ansteigt, nehmen die direkten Auswirkungen klimatischer Extremereignisse zu und werden sich ohne geeignete Anpassungsmaßnahmen weiter verstärken. Hinzu kommt, dass Wetterextreme nicht nur lokal direkte Schäden anrichten, sondern sich wetterbedingte wirtschaftliche Auswirkungen auch entlang der Handelsketten ausbreiten und so indirekte Effekte nach sich ziehen. Ein Ansatz zur Analyse dieser indirekten Auswirkungen innerhalb des komplexen globalen Versorgungsnetzes ist das agentenbasierte Modell Acclimate. In meiner Dissertation verwende und erweitere ich dieses Schadenspropagationsmodell, um drei Aspekte der Beziehung zwischen Wetterextremen und wirtschaftlichen Auswirkungen zu untersuchen. Erstens verursachen extreme Wetterereignisse direkte Schäden in lokaler Wirtschaftsleistung. Die regionalen Auswirkungen werden auf der Grundlage von physikalischen Faktoren und lokalen Produktivitätsverteilungen kalkuliert. Ich berechne tägliche Zeitreihen lokaler Produktionsverluste durch Hitzestress, Überschwemmungen, tropische Wirbelstürme und deren konsekutives Auftreten unter Verwendung von Klimaprojektionsensembles. Die direkten Auswirkungen der oben genannten Katastrophenkategorien sind sehr heterogen in Bezug auf die regionale und zeitliche Verteilung. Ebenso ändert sich ihre Stärke unterschiedlich unter zukünftiger Erwärmung. Meine Forschungsergebnisse zeigen, dass Kapitalstock, welcher von Wirbelstürmen beschädigt ist, langfristige Wachstumsverluste verursacht. Dabei nehmen die Verluste zu, wenn die Heterogenität der Schocks steigt. Zweitens werden die wetterbedingten Auswirkungen durch wirtschaftliche Wellen innerhalb des Handelsnetzes auf verschiedene Wirtschaftssektoren und Regionen verteilt. In meiner Dissertation, untersuche ich die wirtschaftlichen Wellen mittels Acclimate und mache dabei drei Wellenphasen aus. Darüber hinaus berechne ich indirekte Auswirkungen und analysiere die regionalen und globalen Produktionsveränderungen sowie die Auswirkungen auf Konsumierende. Für letztere verdoppeln sich zwischen 2000 und 2039 die weltweiten Verluste durch Hitzestress, während im selben Zeitraum die direkten Produktionsverluste nur um den Faktor 1.5 steigen. Im Zuge meiner Forschung identifiziere ich den Effekt der ökonomischen Wellenresonanz und führe ihn in die Klimafolgenforschung ein. Dieser Effekt tritt auf, wenn sich die ökonomischen Wellen aufeinanderfolgender Katastrophen überlagern, was wirtschaftliche Reaktionen intensiviert wie beispielsweise eine Steigerung der Konsumverluste. Diese Dynamik der Verluste kann durch zunehmende direkte Produktionsverluste, hervorgerufen etwa durch den Klimawandel, noch verstärkt werden. Auch Handelsunterbrechungen können wirtschaftliche Auswirkungen haben. Um diese zu berechnen, erweitere ich das Modell Acclimate um ein geografisches Transportnetzwerk und weite den Entscheidungshorizont der Wirtschaftsakteure aus. Politisch bedingte plötzliche Handelsbeschränkungen (z. B. ein No-Deal-Brexit) können den längerfristigen wirtschaftlichen Wohlstand der betroffenen Regionen erheblich verringern. Analysen von Transportunterbrechungen in der Taifunsaison zeigen, dass stark betroffene Regionen ihre Produktionen reduzieren müssen, wenn die Nachfrage während eines Sturms sinkt. Zu Beginn eines Sturms können Handelsschwankungen durch alternative Lieferanten ausgeglichen werden, was jedoch bei längeren Unterbrechungen nicht mehr gelingt. Drittens ergeben sich mögliche Anpassungsmechanismen und -strategien aus direkten und indirekten wirtschaftlichen Reaktionen auf Wetterextreme. Die Analyse der jährlichen Handelsveränderungen in der Taifunsaison zeigt, dass Exporte insgesamt zunehmen. Diese Widerstandsfähigkeit des Handels wächst mit einer höheren Diversifizierung der Handelspartner. Weiterhin zeigt meine Forschung an Wirtschaftswachstumsmodellen, dass ein Versicherungssystem langfristige Wachstumsverluste, verursacht durch Tropenstürme, durch schnelleren Wiederaufbau verringern kann. Ich komme zu dem Schluss, dass ein Versicherungsschutz eine wirtschaftlich sinnvolle Anpassungsstrategie gegenüber höheren Schäden durch die Klimakrise sein kann. Ebenso weisen indirekte Auswirkungen von Wetterextremen innerhalb des globalen Wirtschaftsnetzes auf weitere Anpassungsmöglichkeiten hin. Zunächst vermindert eine diversifizierte Vernetzung die Gefahr eines starken Preisanstiegs. Ebenso kann eine enge wirtschaftliche Verflechtung von Regionen, die nicht dieselbe Unwettersaison haben, mittelfristig wirtschaftlich vorteilhaft sein. Weiterhin sollten bei der Berechnung der Kosten wirtschaftliche Resonanzeffekte berücksichtigt werden. Eine Verstärkung der lokalen Anpassungsmaßnahmen verringert die Amplitude ökonomischer Wellen und damit auch potentielle Verluste in anderen Regionen. Insgesamt sind Anpassungsmaßnahmen notwendig, aber es scheint trotz dieser nicht möglich zu sein, alle direkten oder indirekten Verluste zu vermeiden. Wie ich in meiner Arbeit darlege, gibt die dynamische Modellierung wertvolle Einblicke in die Art und Weise, wie direkte und indirekte wirtschaftliche Auswirkungen durch verschiedene Wetterextreme entstehen. Darüber hinaus wird deutlich, wie wichtig es ist, einzelne Extremereignisse aufzulösen und Verstärkungseffekte zu berücksichtigen, die durch unvollständigen Wiederaufbau oder aufeinanderfolgende Katastrophen verursacht werden. KW - climate change KW - weather extremes KW - macro-economic modelling KW - network theory KW - economic network KW - Klimawandel KW - Wetterextreme KW - Makroökonomische Modellierung KW - Netzwerktheorie KW - Ökonomisches Netzwerk Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552668 ER - TY - THES A1 - Bastian, Martin T1 - An emergent machine learning approach for seasonal cyclone activity forecasts N2 - Seasonal forecasts are of great interest in many areas. Knowing the amount of precipitation for the upcoming season in regions of water scarcity would facilitate a better water management. If farmers knew the weather conditions of the upcoming summer at sowing time, they could select those cereal species that are best adapted to these conditions. This would allow farmers to improve the harvest and potentially even reduce the amount of pesticides used. However, the undoubted advantages of seasonal forecasts are often opposed by their high degree of uncertainty. The great challenge of generating seasonal forecasts with lead times of several months mainly originates from the chaotic nature of the earth system. In a chaotic system, even tiny differences in the initial conditions can lead to strong deviations in the system’s state in the long run. In this dissertation we propose an emergent machine learning approach for seasonal forecasting, called the AnlgModel. The AnlgModel combines the analogue method with myopic feature selection and bootstrapping. To benchmark the abilities of the AnlgModel we apply it to seasonal cyclone activity forecasts in the North Atlantic and Northwest Pacific. The AnlgModel demonstrates competitive hindcast skills with two operational forecasts and even outperforms these for long lead times. In the second chapter we comprehend the forecasting strategy of the Anlg-Model. We thereby analyse the analogue selection process for the 2017 North Atlantic and the 2018 Northwest Pacific seasonal cyclone activity. The analysis shows that those climate indices which are known to influence the seasonal cyclone activity, such as the Niño 3.4 SST, are correctly represented among the selected analogues. Furthermore the selected analogues reflect large-scale climate patterns that were identified by expert reports as being determinative for these particular seasons. In the third chapter we analyse the features that are used by the AnlgModel for its predictions. We therefore inspect the feature relevance (FR). The FR patterns learned by the AnlgModel show a high congruence with the predictor regions used by the operational forecasts. However, the AnlgModel also discovered new features, such as the SST anomaly in the Gulf of Guinea during November. This SST pattern exhibits a remarkably high predictive potential for the upcoming Atlantic hurricane activity. In the final chapter we investigate potential mechanisms, that link two of these regions with high feature relevance to the Atlantic hurricane activity. We mainly focus on ocean surface transport. The ocean surface flow paths are calculated using Lagrangian particle analysis. We demonstrate that the FR patterns in the region of the Canary islands do not correspond with ocean surface transport. It is instead likely that these FR patterns fingerprint a wind transport of latent heat. The second region to be studied is situated in the Gulf of Guinea. Our analysis shows that the FR patterns seen there do fingerprint ocean surface transport. However, our simulations also show that at least one other mechanism is involved in linking the Gulf of Guinea SST anomaly in November to the hurricane activity of the upcoming season. In this work the AnlgModel does not only demonstrate its outstanding forecast skills but also shows its capabilities as research tool for detecting oceanic and atmospheric mechanisms. KW - seasonal cyclone activity forecasts Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Braun, Tobias T1 - Recurrences in past climates T1 - Rekurrenzen in vergangenen Klimaperioden BT - novel concepts & tools for the study of Palaeoseasonality and beyond BT - neue Konzepte und Methoden zur Analyse von Paläosaisonalität und darüber hinaus N2 - Our ability to predict the state of a system relies on its tendency to recur to states it has visited before. Recurrence also pervades common intuitions about the systems we are most familiar with: daily routines, social rituals and the return of the seasons are just a few relatable examples. To this end, recurrence plots (RP) provide a systematic framework to quantify the recurrence of states. Despite their conceptual simplicity, they are a versatile tool in the study of observational data. The global climate is a complex system for which an understanding based on observational data is not only of academical relevance, but vital for the predurance of human societies within the planetary boundaries. Contextualizing current global climate change, however, requires observational data far beyond the instrumental period. The palaeoclimate record offers a valuable archive of proxy data but demands methodological approaches that adequately address its complexities. In this regard, the following dissertation aims at devising novel and further developing existing methods in the framework of recurrence analysis (RA). The proposed research questions focus on using RA to capture scale-dependent properties in nonlinear time series and tailoring recurrence quantification analysis (RQA) to characterize seasonal variability in palaeoclimate records (‘Palaeoseasonality’). In the first part of this thesis, we focus on the methodological development of novel approaches in RA. The predictability of nonlinear (palaeo)climate time series is limited by abrupt transitions between regimes that exhibit entirely different dynamical complexity (e.g. crossing of ‘tipping points’). These possibly depend on characteristic time scales. RPs are well-established for detecting transitions and capture scale-dependencies, yet few approaches have combined both aspects. We apply existing concepts from the study of self-similar textures to RPs to detect abrupt transitions, considering the most relevant time scales. This combination of methods further results in the definition of a novel recurrence based nonlinear dependence measure. Quantifying lagged interactions between multiple variables is a common problem, especially in the characterization of high-dimensional complex systems. The proposed ‘recurrence flow’ measure of nonlinear dependence offers an elegant way to characterize such couplings. For spatially extended complex systems, the coupled dynamics of local variables result in the emergence of spatial patterns. These patterns tend to recur in time. Based on this observation, we propose a novel method that entails dynamically distinct regimes of atmospheric circulation based on their recurrent spatial patterns. Bridging the two parts of this dissertation, we next turn to methodological advances of RA for the study of Palaeoseasonality. Observational series of palaeoclimate ‘proxy’ records involve inherent limitations, such as irregular temporal sampling. We reveal biases in the RQA of time series with a non-stationary sampling rate and propose a correction scheme. In the second part of this thesis, we proceed with applications in Palaeoseasonality. A review of common and promising time series analysis methods shows that numerous valuable tools exist, but their sound application requires adaptions to archive-specific limitations and consolidating transdisciplinary knowledge. Next, we study stalagmite proxy records from the Central Pacific as sensitive recorders of mid-Holocene El Niño-Southern Oscillation (ENSO) dynamics. The records’ remarkably high temporal resolution allows to draw links between ENSO and seasonal dynamics, quantified by RA. The final study presented here examines how seasonal predictability could play a role for the stability of agricultural societies. The Classic Maya underwent a period of sociopolitical disintegration that has been linked to drought events. Based on seasonally resolved stable isotope records from Yok Balum cave in Belize, we propose a measure of seasonal predictability. It unveils the potential role declining seasonal predictability could have played in destabilizing agricultural and sociopolitical systems of Classic Maya populations. The methodological approaches and applications presented in this work reveal multiple exciting future research avenues, both for RA and the study of Palaeoseasonality. N2 - Unsere Fähigkeit, den Zustand eines Systems vorherzusagen, hängt grundlegend von der Tendenz des Systems ab, zu früheren Zuständen zurückzukehren. Solche "Rekurrenzen" sind sogar Bestandteil unserer Intuition und alltäglichen Erfahrungswelt: regelmäßige Routinen, soziale Zusammentreffen and die Wiederkehr der Jahreszeiten sind hierfür nur vereinzelte Beispiele. Rekurrenzplots (RPs) stellen uns in diesem Kontext eine systematische Methode zur Verfügung, um die Wiederkehreigenschaften von Systemzuständen quantitativ zu untersuchen. Obwohl RPs konzeptionell vergleichsweise simpel sind, stellen sie eine vielseitige Methode zur Analyse von gemessenen Beobachtungsdaten dar. Das globale Klimasystem ist ein komplexes System, bei dem ein datenbasiertes Verständnis nicht lediglich von rein akademischen Wert ist – es ist viel mehr relevant für das Fortbestehen der Gesellschaft innerhalb der natürlichen planetaren Grenzen. Um die heute beobachteten Klimaveränderungen allerdings in einen langfristigen Kontext einzuordnen, benötigen wir empirische Daten, die weit über die Periode hinaus gehen, für die instrumentelle Daten verfügbar sind. Paläoklimatologische Datenreihen repräsentieren hier ein wertvolles Archiv, dessen Auswertung jedoch Analysemethoden erfordert, die an die Komplexitäten von paläoklimatologischen ‘Proxydaten’ angepasst sind. Um einen wissenschaftlichen Beitrag zu dieser Problemstellung zu leisten, befasst sich diese Doktorarbeit mit der Konzeptionierung neuer Methoden und der problemstellungsbezogenen Anpassung bewährter Methoden in der Rekurrenzanalyse (RA). Die hier formulierten zentralen Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Nachweis zeitskalen-abhängiger Eigenschaften in nichtlinearen Zeitreihen und, insbesondere, der Anpassung von quantitativen Maßen in der RA, um paläosaisonale Proxydaten zu charakterisieren (‘Paläosaisonalität’). Im ersten Teil dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung neuer methodischer Ansätze in der RA. Die Vorhersagbarkeit nichtlinearer (paläo)klimatologischer Zeitreihen ist durch abrupte Übergänge zwischen dynamisch grundlegend verschiedenen Zuständen erschwert (so zum Beispiel das Übertreten sogenannter ‘Kipppunkte’). Solche Zustandsübergänge zeigen oft charakteristische Zeitskalen-Abhängigkeiten. RPs haben sich als Methode zum Nachweis von Zustandsübergängen bewährt und sind darüber hinaus geeignet, Skalenabhängigkeiten zu identifizieren. Dennoch wurden beide Aspekte bislang selten methodisch zusammengeführt. Wir kombinieren hier bestehende Konzepte aus der Analyse selbstähnlicher Strukturen und RPs, um abrupte Zustandsübergänge unter Einbezug der relevantesten Zeitskalen zu identifizieren. Diese Kombination von Konzepten führt uns ferner dazu, ein neues rekurrenzbasiertes, nichtlineares Abhängigkeitsmaß einzuführen. Die quantitative Untersuchung zeitversetzter Abhängigkeiten zwischen zahlreichen Variablen ist ein zentrales Problem, das insbesondere in der Analyse hochdimensionaler komplexer Systeme auftritt. Das hier definierte ‘Rekurrenzfluß’-Abhängigkeitsmaß ermöglicht es auf elegante Weise, derartige Abhängigkeiten zu charakterisieren. Bei räumlich ausgedehnten komplexen Systemen führen Interaktionen zwischen lokalen Variablen zu der Entstehung räumlicher Muster. Diese räumlichen Muster zeigen zeitliche Rekurrenzen. In einer auf dieser Beobachtung aufbauenden Publikation stellen wir eine neue Methode vor, mit deren Hilfe differenzierbare, makroskopische Zustände untersucht werden können, die zu zentralen, zeitlich wiederkehrenden räumlichen Mustern korrespondieren. Folgend leiten wir über zum zweiten Teil dieser Arbeit, indem wir uns Anpassungen von Methoden zur Untersuchung von Paläosaisonalität zuwenden. Messreihen paläoklimatologischer Proxydaten geben uns nur indirekt Informationen über die ihnen zugrunde liegenden Klimavariablen und weisen inhärente Limitationen auf, wie zum Beispiel unregelmäßige Zeitabstände zwischen Datenpunkten. Wir zeigen statistische Verzerrungseffekte auf, die in der quantitativen RA auftreten, wenn Signale mit nichtstationärer Abtastrate untersucht werden. Eine Methode zur Korrektur wird vorgestellt und anhand von Messdaten validiert. Der zweite Teil dieser Dissertation befasst sich mit angewandten Analysen von paläosaisonalen Zeitreihen. Eine Literaturauswertung verbreiteter und potentiell vielversprechender Zeitreihenanalysemethoden zeigt auf, dass es eine Vielzahl solcher Methoden gibt, deren adäquate Anwendung aber Anpassungen an Klimaarchiv-spezifische Grenzen und Probleme sowie eine Zusammenführung interdisziplinärer Fähigkeiten erfordert. Daraufhin untersuchen wir an einem Stalagmiten gemessene Proxydaten aus der zentralen Pazifikregion als ein natürliches Archiv für potentielle Veränderungen der El Niño-Southern Oscillation (ENSO) währen des mittleren Holozäns. Die bemerkenswert hohe zeitliche Auflösung der Proxy-Zeitreihen erlaubt es uns, Verbindungen zwischen der Ausprägung der ENSO und saisonalen Zyklen herzustellen, wobei wir erneut Gebrauch von der RA machen. Die letzte Publikation in dieser Arbeit untersucht, in wie fern die Vorhersagbarkeit saisonaler Veränderungen eine Rolle für die Stabilität von Gesellschaften spielen könnte, deren Nahrungsversorgung auf Landwirtschaft beruht. Die klassische Maya-Zivilisation erlitt zwischen 750-950 CE eine drastische Fragmentierung urbaner Zentren, die mit regionalen Dürren in Verbindung gebracht werden. Auf Grundlage von saisonal-aufgelösten Proxydaten aus der Yok Balum Höhle in Belize, definieren wir ein quantitatives Maß für saisonale Vorhersagbarkeit. Dies erlaubt Schlussfolgerungen über die potentielle Rolle, die ein Verlust saisonaler Vorhersagbarkeit für die sich destablisierenden agrarwirtschaftlichen und soziopolitischen Systeme der Maya gehabt haben könnte. Die methodischen Ansätze und Anwendungen in dieser Arbeit zeigen vielseitige, spannende Forschungsfragen für zukünftige Untersuchungen in der RA und Paläosaisonalität auf. KW - recurrence analysis KW - palaeoclimate KW - seasonality KW - nonlinear time series analysis KW - self-similarity KW - regime shifts KW - climate impact research KW - Klimafolgenforschung KW - nichtlineare Zeitreihenanalyse KW - Paläoklima KW - Rekurrenzanalyse KW - abrupte Übergänge KW - Selbstähnlichkeit Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586900 ER - TY - THES A1 - Schemenz, Victoria T1 - Correlations between osteocyte lacuno-canalicular network and material characteristics in bone adaptation and regeneration T1 - Korrelationen zwischen dem lakuno-kanalikulären Netzwerk der Osteozyten und Materialeigenschaften bei der Knochenanpassung und -regeneration N2 - The complex hierarchical structure of bone undergoes a lifelong remodeling process, where it adapts to mechanical needs. Hereby, bone resorption by osteoclasts and bone formation by osteoblasts have to be balanced to sustain a healthy and stable organ. Osteocytes orchestrate this interplay by sensing mechanical strains and translating them into biochemical signals. The osteocytes are located in lacunae and are connected to one another and other bone cells via cell processes through small channels, the canaliculi. Lacunae and canaliculi form a network (LCN) of extracellular spaces that is able to transport ions and enables cell-to-cell communication. Osteocytes might also contribute to mineral homeostasis by direct interactions with the surrounding matrix. If the LCN is acting as a transport system, this should be reflected in the mineralization pattern. The central hypothesis of this thesis is that osteocytes are actively changing their material environment. Characterization methods of material science are used to achieve the aim of detecting traces of this interaction between osteocytes and the extracellular matrix. First, healthy murine bones were characterized. The properties analyzed were then compared with three murine model systems: 1) a loading model, where a bone of the mouse was loaded during its life time; 2) a healing model, where a bone of the mouse was cut to induce a healing response; and 3) a disease model, where the Fbn1 gene is dysfunctional causing defects in the formation of the extracellular tissue. The measurement strategy included routines that make it possible to analyze the organization of the LCN and the material components (i.e., the organic collagen matrix and the mineral particles) in the same bone volumes and compare the spatial distribution of different data sets. The three-dimensional network architecture of the LCN is visualized by confocal laser scanning microscopy (CLSM) after rhodamine staining and is then subsequently quantified. The calcium content is determined via quantitative backscattered electron imaging (qBEI), while small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) are employed to determine the thickness and length of local mineral particles. First, tibiae cortices of healthy mice were characterized to investigate how changes in LCN architecture can be attributed to interactions of osteocytes with the surrounding bone matrix. The tibial mid-shaft cross-sections showed two main regions, consisting of a band with unordered LCN surrounded by a region with ordered LCN. The unordered region is a remnant of early bone formation and exhibited short and thin mineral particles. The surrounding, more aligned bone showed ordered and dense LCN as well as thicker and longer mineral particles. The calcium content was unchanged between the two regions. In the mouse loading model, the left tibia underwent two weeks of mechanical stimulation, which results in increased bone formation and decreased resorption in skeletally mature mice. Here the specific research question addressed was how do bone material characteristics change at (re)modeling sites? The new bone formed in response to mechanical stimulation showed similar properties in terms of the mineral particles, like the ordered calcium region but lower calcium content compared to the right, non-loaded control bone of the same mice. There was a clear, recognizable border between mature and newly formed bone. Nevertheless, some canaliculi went through this border connecting the LCN of mature and newly formed bone. Additionally, the question should be answered whether the LCN topology and the bone matrix material properties adapt to loading. Although, mechanically stimulated bones did not show differences in calcium content compared to controls, different correlations were found between the local LCN density and the local Ca content depending on whether the bone was loaded or not. These results suggest that the LCN may serve as a mineral reservoir. For the healing model, the femurs of mice underwent an osteotomy, stabilized with an external fixator and were allowed to heal for 21 days. Thus, the spatial variations in the LCN topology with mineral properties within different tissue types and their interfaces, namely calcified cartilage, bony callus and cortex, could be simultaneously visualized and compared in this model. All tissue types showed structural differences across multiple length scales. Calcium content increased and became more homogeneous from calcified cartilage to bony callus to lamellar cortical bone. The degree of LCN organization increased as well, while the lacunae became smaller, as did the lacunar density between these different tissue types that make up the callus. In the calcified cartilage, the mineral particles were short and thin. The newly formed callus exhibited thicker mineral particles, which still had a low degree of orientation. While most of the callus had a woven-like structure, it also served as a scaffold for more lamellar tissue at the edges. The lamelar bone callus showed thinner mineral particles, but a higher degree of alignment in both, mineral particles and the LCN. The cortex showed the highest values for mineral length, thickness and degree of orientation. At the same time, the lacunae number density was 34% lower and the lacunar volume 40% smaller compared to bony callus. The transition zone between cortical and callus regions showed a continuous convergence of bone mineral properties and lacunae shape. Although only a few canaliculi connected callus and the cortical region, this indicates that communication between osteocytes of both tissues should be possible. The presented correlations between LCN architecture and mineral properties across tissue types may suggest that osteocytes have an active role in mineralization processes of healing. A mouse model for the disease marfan syndrome, which includes a genetic defect in the fibrillin-1 gene, was investigated. In humans, Marfan syndrome is characterized by a range of clinical symptoms such as long bone overgrowth, loose joints, reduced bone mineral density, compromised bone microarchitecture, and increased fracture rates. Thus, fibrillin-1 seems to play a role in the skeletal homeostasis. Therefore, the present work studied how marfan syndrome alters LCN architecture and the surrounding bone matrix. The mice with marfan syndrome showed longer tibiae than their healthy littermates from an age of seven weeks onwards. In contrast, the cortical development appeared retarded, which was observed across all measured characteristics, i. e. lower endocortical bone formation, looser and less organized lacuno-canalicular network, less collagen orientation, thinner and shorter mineral particles. In each of the three model systems, this study found that changes in the LCN architecture spatially correlated with bone matrix material parameters. While not knowing the exact mechanism, these results provide indications that osteocytes can actively manipulate a mineral reservoir located around the canaliculi to make a quickly accessible contribution to mineral homeostasis. However, this interaction is most likely not one-sided, but could be understood as an interplay between osteocytes and extra-cellular matrix, since the bone matrix contains biochemical signaling molecules (e.g. non-collagenous proteins) that can change osteocyte behavior. Bone (re)modeling can therefore not only be understood as a method for removing defects or adapting to external mechanical stimuli, but also for increasing the efficiency of possible osteocyte-mineral interactions during bone homeostasis. With these findings, it seems reasonable to consider osteocytes as a target for drug development related to bone diseases that cause changes in bone composition and mechanical properties. It will most likely require the combined effort of materials scientists, cell biologists, and molecular biologists to gain a deeper understanding of how bone cells respond to their material environment. N2 - Knochen haben eine komplexe hierarchische Struktur, die einen lebenslangen Umbauprozess durchläuft, bei dem der Knochen sich seinen mechanischen Anforderungen anpasst. Um ein gesundes und stabiles Organ zu erhalten müssen Knochenresorption (durch Osteoklasten) und Knochenbildung (durch Osteoblasten) ausgewogen sein. Osteozyten lenken dieses Wechselspiel, indem sie mechanische Belastungen wahrnehmen und sie in biochemische Signale übersetzen. Die Osteozyten sitzen in Lakunen und sind durch Kanälchen untereinander und mit anderen Knochenzellen über ein Netzwerk (LCN) verbunden, das in der Lage ist, Ionen zu transportieren und eine Kommunikation von Zelle zu Zelle zu ermöglichen. Außerdem vermutet man, dass Osteozyten auch durch direkte Wechselwirkungen mit der umgebenden Matrix zur Mineralhomöostase beitragen könnten. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Frage, ob Osteozyten ihre materielle Umgebung aktiv verändern können. Um Spuren dieser Wechselwirkung zwischen Osteozyten und der extrazellulären Matrix nachzuweisen, werden materialwissenschaftliche Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Zunächst wurden gesunde Mäuseknochen charakterisiert. Die erworbenen Ergebnisse wurden dann mit drei murinen Modellsystemen verglichen: 1) einem Belastungsmodell; 2) ein Heilungsmodell und 3) ein Krankheitsmodell, bei dem das Fbn1-Gen dysfunktional ist und Defekte in der Bildung des extrazellulären Gewebes verursacht werden. Die Messstrategie umfasste Routinen, die es ermöglichen, die Organisation des LCN und der Materialkomponenten (d.h. die organische Kollagenmatrix und die mineralischen Partikel) in denselben Knochenvolumina zu analysieren und die räumliche Verteilung der verschiedenen Datensätze zu vergleichen. Die dreidimensionale Netzwerkarchitektur des LCN wird durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie nach Rhodamin-Färbung gemessen und anschließend quantifiziert. Der Kalziumgehalt wird mittels quantitativer Rückstreuelektronenbildgebung bestimmt, während Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuung verwendet werden, um die Dicke und Länge der Mineralpartikel zu bestimmen. Zunächst wurden Querschnitte der Unterschenkel von gesunden Mäusen charakterisiert, um zu untersuchen, ob Veränderungen in der LCN-Architektur auf Wechselwirkungen von Osteozyten mit der umgebenden Knochenmatrix zurückgeführt werden können. Die Kortizes zeigten zwei Hauptregionen, ein Band mit ungeordneter LCN-Architektur, umgeben von einer Region mit geordneter LCN. Die ungeordnete Region ist ein Überbleibsel der frühen Knochenbildung und wies kurze und dünne Mineralpartikel auf. Der umgebende, stärker ausgerichtete Knochen zeigte ein geordnetes und dichtes LCN, sowie dickere und längere Mineralpartikel. Der Kalziumgehalt blieb bei beiden Regionen unverändert. Im Mausbelastungsmodell wurde das linke Schienbein zwei Wochen lang mechanisch stimuliert, was zu einer erhöhten Knochenbildung führt. Hier sollte die Forschungsfrage beantwortet werden, wie sich Knochenmaterialeigenschaften an (Re-)Modellierungsstellen aufgrund von Belastung ändern. Der, als Reaktion auf die mechanische Stimulation, gebildete neue Knochen zeigte ähnliche Eigenschaften in Bezug auf die Mineralpartikel, wie die geordnete Kortexregion. Es gab eine klar erkennbare Grenze zwischen reifem und neu gebildetem Knochen. Trotzdem gingen einige Kanälchen durch diese Grenze, die die LCN aus reifem und neu gebildetem Knochen verband. Für das Heilungsmodell wurden die Oberschenkel von Mäusen einer Osteotomie unterzogen (einer Operation, bei der durch einen Schnitt in der Diaphyse ein Bruch erzeugt wird). Danach konnte die Fraktur 21 Tage heilen. Dadurch konnten in diesem Modell gleichzeitig verkalkter Knorpel, knöcherner Kallus und Kortex untersucht werden. Dafür wurde die räumliche Verteilung der LCN-Topologie sowie die Mineraleigenschaften der verschiedenen Gewebetypen und ihrer Grenzflächen visualisiert und verglichen. Alle Gewebetypen zeigten strukturelle Unterschiede über mehrere Längenskalen hinweg. Der Kalziumgehalt nahm von kalzifiziertem Knorpel zu knöchernem Kallus zu lamellarem kortikalem Knochen zu und wurde homogener. Der Grad der LCN-Organisation nahm ebenfalls zu, während die Lakunen vom Kallus zum Kortexgewebe kleiner wurden, ebenso wie die Lakunendichte. Im verkalkten Knorpel waren die Mineralpartikel kurz und dünn. Der größte Teil des Kallus wies eine Geflechtsknochenstruktur auf und diente als Gerüst für lamellares Gewebe, das dünnere Mineralpartikel, aber einen höheren Grad an Ausrichtung sowohl in den Mineralpartikeln als auch im LCN aufwies. Der Kortex zeigte die höchsten Werte für Minerallänge, Dicke und Orientierungsgrad. Obwohl nur wenige Kanälchen den Kallus und kortikale Regionen verbinden, weist dies darauf hin, dass eine Kommunikation zwischen Osteozyten beider Gewebe möglich sein sollte. Es wurde auch ein Mausmodell für das Marfan-Syndrom untersucht, das einen Gendefekt im Fibrillin-1-Gen beinhaltet. Beim Menschen ist das Marfan-Syndrom durch eine Reihe klinischer Symptome gekennzeichnet, wie z. B. übermäßiges Wachstum der Gliedmaßen, überstreckbare Gelenke, verringerte Knochenmineraldichte, beeinträchtigte Knochenmikroarchitektur und erhöhte Frakturraten. Somit scheint Fibrillin-1 eine Rolle in der Skeletthomöostase zu spielen. Deswegen untersuchte die vorliegende Arbeit, ob und wie das Marfan-Syndrom die LCN-Architektur und die umgebende Knochenmatrix verändert. Die Mäuse mit Marfan-Syndrom zeigten bereits ab einem Alter von sieben Wochen längere Schienbeine als ihre gesunden Wurfgeschwister. Im Gegensatz dazu erschien die kortikale Entwicklung verzögert, was über alle gemessenen Merkmale hinweg beobachtet wurde, d.h. niedrigere endokortikale Knochenbildung, lockereres und weniger organisiertes LCN, geringerer Grad an Kollagenorientierung sowie ein Trend zu dünneren und kürzeren Mineralpartikel. In jedem der drei Modellsysteme fand diese Studie, dass Änderungen in der LCN-Architektur räumlich mit Parametern des Knochenmatrixmaterials korrelierten. Obwohl der genaue Mechanismus nicht bekannt ist, liefern diese Ergebnisse Hinweise darauf, dass Osteozyten ein Mineralreservoir aktiv manipulieren können. Dieses Reservoir befindet sich um die Kanälchen herum und dieser Prozess würde es ermöglichen, einen schnell zugänglichen Beitrag zur Mineralhomöostase zu leisten. Diese Interaktion ist jedoch höchstwahrscheinlich nicht einseitig, sondern könnte als Wechselspiel zwischen Osteozyten und extrazellulärer Matrix verstanden werden, da die Knochenmatrix biochemische Signalmoleküle enthält, die das Verhalten von Osteozyten verändern können. Knochen(re)modellierung kann daher nicht nur als Methode zur Defektbeseitigung oder Anpassung an äußere mechanische Reize verstanden werden, sondern auch zur Effizienzsteigerung möglicher Osteozyten-Mineral-Interaktionen während der Knochenhomöostase. Angesichts dieser Ergebnisse erscheint es sinnvoll, Osteozyten als Ziel für die Arzneimittelentwicklung im Zusammenhang mit Knochenerkrankungen in Betracht zu ziehen, die Veränderungen der Knochenzusammensetzung und deren mechanischen Eigenschaften verursachen. KW - bone KW - lacunae KW - mineralization KW - SAXS KW - lacuno-canalicular network KW - µCT KW - CLSM KW - konfokales Laser-Scanning-Mikroskop KW - Kleinwinkelröntgenstreuung KW - Knochen KW - Lakunen KW - lakuno-kanaliculäres Netzwerk KW - Mineralisierung KW - µCT Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559593 ER - TY - THES A1 - Tönjes, Ralf T1 - Pattern formation through synchronization in systems of nonidentical autonomous oscillators T1 - Musterbildung durch Synchronisation in Systemen nicht identischer, autonomer Oszillatoren N2 - This work is concerned with the spatio-temporal structures that emerge when non-identical, diffusively coupled oscillators synchronize. It contains analytical results and their confirmation through extensive computer simulations. We use the Kuramoto model which reduces general oscillatory systems to phase dynamics. The symmetry of the coupling plays an important role for the formation of patterns. We have studied the ordering influence of an asymmetry (non-isochronicity) in the phase coupling function on the phase profile in synchronization and the intricate interplay between this asymmetry and the frequency heterogeneity in the system. The thesis is divided into three main parts. Chapter 2 and 3 introduce the basic model of Kuramoto and conditions for stable synchronization. In Chapter 4 we characterize the phase profiles in synchronization for various special cases and in an exponential approximation of the phase coupling function, which allows for an analytical treatment. Finally, in the third part (Chapter 5) we study the influence of non-isochronicity on the synchronization frequency in continuous, reaction diffusion systems and discrete networks of oscillators. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in Theorie und Simulation mit den raum-zeitlichen Strukturen, die entstehen, wenn nicht-identische, diffusiv gekoppelte Oszillatoren synchronisieren. Wir greifen dabei auf die von Kuramoto hergeleiteten Phasengleichungen zurück. Eine entscheidene Rolle für die Musterbildung spielt die Symmetrie der Kopplung. Wir untersuchen den ordnenden Einfluss von Asymmetrie (Nichtisochronizität) in der Phasenkopplungsfunktion auf das Phasenprofil in Synchronisation und das Zusammenspiel zwischen dieser Asymmetrie und der Frequenzheterogenität im System. Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile. Kapitel 2 und 3 beschäftigen sich mit den grundlegenden Gleichungen und den Bedingungen für stabile Synchronisation. Im Kapitel 4 charakterisieren wir die Phasenprofile in Synchronisation für verschiedene Spezialfälle sowie in der von uns eingeführten exponentiellen Approximation der Phasenkopplungsfunktion. Schliesslich untersuchen wir im dritten Teil (Kap.5) den Einfluss von Nichtisochronizität auf die Synchronisationsfrequenz in kontinuierlichen, oszillatorischen Reaktions-Diffusionssystemen und diskreten Netzwerken von Oszillatoren. KW - Synchronisation KW - Musterbildung KW - Phasen-Gleichungen KW - Phasen-Oszillatoren KW - Kuramoto Modell KW - synchronization KW - pattern formation KW - phase equations KW - phase oscillators KW - Kuramoto model Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15973 ER - TY - THES A1 - Albrecht, Steve T1 - Generation, recombination and extraction of charges in polymer T1 - Generierung, Rekombination und Extraktion von Ladungen in Polymer BT - fullerene bulk heterojunction solar cells BT - Fulleren Mischsolarzellen N2 - A dramatic efficiency improvement of bulk heterojunction solar cells based on electron-donating conjugated polymers in combination with soluble fullerene derivatives has been achieved over the past years. Certified and reported power conversion efficiencies now reach over 9% for single junctions and exceed the 10% benchmark for tandem solar cells. This trend brightens the vision of organic photovoltaics becoming competitive with inorganic solar cells including the realization of low-cost and large-area organic photovoltaics. For the best performing organic materials systems, the yield of charge generation can be very efficient. However, a detailed understanding of the free charge carrier generation mechanisms at the donor acceptor interface and the energy loss associated with it needs to be established. Moreover, organic solar cells are limited by the competition between charge extraction and free charge recombination, accounting for further efficiency losses. A conclusive picture and the development of precise methodologies for investigating the fundamental processes in organic solar cells are crucial for future material design, efficiency optimization, and the implementation of organic solar cells into commercial products. In order to advance the development of organic photovoltaics, my thesis focuses on the comprehensive understanding of charge generation, recombination and extraction in organic bulk heterojunction solar cells summarized in 6 chapters on the cumulative basis of 7 individual publications. The general motivation guiding this work was the realization of an efficient hybrid inorganic/organic tandem solar cell with sub-cells made from amorphous hydrogenated silicon and organic bulk heterojunctions. To realize this project aim, the focus was directed to the low band-gap copolymer PCPDTBT and its derivatives, resulting in the examination of the charge carrier dynamics in PCPDTBT:PC70BM blends in relation to by the blend morphology. The phase separation in this blend can be controlled by the processing additive diiodooctane, enhancing domain purity and size. The quantitative investigation of the free charge formation was realized by utilizing and improving the time delayed collection field technique. Interestingly, a pronounced field dependence of the free carrier generation for all blends is found, with the field dependence being stronger without the additive. Also, the bimolecular recombination coefficient for both blends is rather high and increases with decreasing internal field which we suggest to be caused by a negative field dependence of mobility. The additive speeds up charge extraction which is rationalized by the threefold increase in mobility. By fluorine attachment within the electron deficient subunit of PCPDTBT, a new polymer F-PCPDTBT is designed. This new material is characterized by a stronger tendency to aggregate as compared to non-fluorinated PCPDTBT. Our measurements show that for F-PCPDTBT:PCBM blends the charge carrier generation becomes more efficient and the field-dependence of free charge carrier generation is weakened. The stronger tendency to aggregate induced by the fluorination also leads to increased polymer rich domains, accompanied in a threefold reduction in the non-geminate recombination coefficient at conditions of open circuit. The size of the polymer domains is nicely correlated to the field-dependence of charge generation and the Langevin reduction factor, which highlights the importance of the domain size and domain purity for efficient charge carrier generation. In total, fluorination of PCPDTBT causes the PCE to increase from 3.6 to 6.1% due to enhanced fill factor, short circuit current and open circuit voltage. Further optimization of the blend ratio, active layer thickness, and polymer molecular weight resulted in 6.6% efficiency for F-PCPDTBT:PC70BM solar cells. Interestingly, the double fluorinated version 2F-PCPDTBT exhibited poorer FF despite a further reduction of geminate and non-geminate recombination losses. To further analyze this finding, a new technique is developed that measures the effective extraction mobility under charge carrier densities and electrical fields comparable to solar cell operation conditions. This method involves the bias enhanced charge extraction technique. With the knowledge of the carrier density under different electrical field and illumination conditions, a conclusive picture of the changes in charge carrier dynamics leading to differences in the fill factor upon fluorination of PCPDTBT is attained. The more efficient charge generation and reduced recombination with fluorination is counterbalanced by a decreased extraction mobility. Thus, the highest fill factor of 60% and efficiency of 6.6% is reached for F-PCPDTBT blends, while 2F-PCPDTBT blends have only moderate fill factors of 54% caused by the lower effective extraction mobility, limiting the efficiency to 6.5%. To understand the details of the charge generation mechanism and the related losses, we evaluated the yield and field-dependence of free charge generation using time delayed collection field in combination with sensitive measurements of the external quantum efficiency and absorption coefficients for a variety of blends. Importantly, both the yield and field-dependence of free charge generation is found to be unaffected by excitation energy, including direct charge transfer excitation below the optical band gap. To access the non-detectable absorption at energies of the relaxed charge transfer emission, the absorption was reconstructed from the CT emission, induced via the recombination of thermalized charges in electroluminescence. For a variety of blends, the quantum yield at energies of charge transfer emission was identical to excitations with energies well above the optical band-gap. Thus, the generation proceeds via the split-up of the thermalized charge transfer states in working solar cells. Further measurements were conducted on blends with fine-tuned energy levels and similar blend morphologies by using different fullerene derivatives. A direct correlation between the efficiency of free carrier generation and the energy difference of the relaxed charge transfer state relative to the energy of the charge separated state is found. These findings open up new guidelines for future material design as new high efficiency materials require a minimum energetic offset between charge transfer and the charge separated state while keeping the HOMO level (and LUMO level) difference between donor and acceptor as small as possible. N2 - Die Effizienz von organischen Mischsolarzellen ist in den letzten Jahren durch die Entwicklung neuer halbleitender Materialen beträchtlich gestiegen. Die besten organischen Mischsolarzellen zeigen heute sehr effiziente Ladungsgeneration. Dennoch ist die genaue Funktionsweise der fundamentalen Ladungsgenerationsschritte nicht bis ins Detail verstanden. Zur weiteren Steigerung der Wirkungsgrade und für die kommerzielle Nutzung organischer Mischsolarzellen, sind ein übergreifendes Verständnis der Funktionsweise und die Entwicklung neuer Messmethoden unumgänglich. Die vorliegende Arbeit ist auf diese Fragestellung fokussiert: die Arbeit soll helfen, fundierte Kenntnisse der Ladungsträgererzeugung, der Rekombination und der Extraktion freier Ladungsträger in organischen Mischsolarzellen zu erlangen. Zuerst wurde der Fokus auf Mischsolarzellen mit dem Polymer PCPDTBT gelegt. Dieses Polymer durchmischt stark mit dem Fulleren-Derivat PCBM. Durch Verwendung eines Lösungsmitteladditives kann die Phasenentmischung und damit der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden. Die Generations- und Rekombinationsprozesse wurden mittels zeitverzögerter Sammelfeld-Methode untersucht. Dabei wurde zum ersten Mal eine signifikante Feldabhängigkeit der Ladungsträger-erzeugung entdeckt. Interessanterweise korreliert diese Feldabhängigkeit mit der Domänengröße also dem Grad der Entmischung. In größeren und reineren Polymerphasen ist die Feldabhängigkeit kleiner und die Extraktion verbessert, was zum höheren Wirkungsgrad führt. In einem weiteren Schritt wurde untersucht, wie sich die Fluorinierung des Polymers PCPDTBT auf das Bauteilverhalten auswirkt. Durch Fluorinierung des Polymer-Rückgrats von PCPDTBT wurden zum einen die Energieniveaus abgesenkt, ohne dass sich das Absorptionsverhalten geändert hat. Zum anderen wurde die Phasenentmischung beeinflusst. Mit Fluorinierung entstehen größere, reinere und kristallinere Polymerphasen. Dadurch wird die Generation der Ladungsträger effizienter und die Rekombination stärker unterdrückt. Eindeutige Korrelationen zwischen Phasengröße und Generationseffizienz konnten hierbei gefunden werden. Insgesamt steigt die Bauteileffizienz bei Verwendung von fluoriniertem PCPDTBT von 3.6 auf 6.1% bei gleicher Prozessierung. Durch weitere Optimierung konnte die Effizienz auf 6.6% für fluoriniertes PCPDTBT gesteigert werden. Eine di-Fluorinierung von PCPDTBT limitiert die Bauteileffizienz, speziell den Füll Faktor, trotz der Entstehung noch reinerer Polymerphasen. Eine genauere Analyse der Extraktionseffizienz mittels der genauen Bestimmung der Gleichgewichts-Ladungsträgerdichte für verschiedenen Beleuchtungs- und Feldsituationen zeigte, dass die Fluorinierung die Effizienz der Extraktion deutlich absenkt und dadurch bei di-Fluorinierung die Rekombinationsverluste im Bauteil trotz verlangsamter Rekombination ansteigen. Um weitere fundierte Kenntnisse der Ladungsgeneration zu gewinnen, wurde die Ladungsgeneration für verschiedene Gemische mit veränderten Energieniveaus in Abhängigkeit der Anregungsenergie untersucht. Dabei wurde die wichtige Kenntnis erlangt, dass die Photonenenergie, unabhängig von der Lage der Energieniveaus, keinen Einfluss auf die Effizienz der Generation hat und somit die Bildung freier Ladungsträger aus relaxierten Transferzuständen erfolgt. Dadurch ergeben sich neue Leitlinien für zukünftige Materialeigenschaften mit optimierten Wirkungsgraden. KW - organic solar cells KW - bulk heterojunction KW - charge carrier dynamics KW - charge generation KW - non geminate recombination KW - Generierung von Ladungsträgern KW - nicht geminale Rekombination KW - Extraktion KW - Polymer KW - Fulleren Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-72285 ER - TY - THES A1 - Kniepert, Juliane T1 - Correlation between dynamic parameters and device performance of organic solar cells T1 - Zusammenhang zwischen den dynamischen Größen und der Effizienz Organischer Solarzellen N2 - Organic bulk heterojunction (BHJ) solar cells based on polymer:fullerene blends are a promising alternative for a low-cost solar energy conversion. Despite significant improvements of the power conversion efficiency in recent years, the fundamental working principles of these devices are yet not fully understood. In general, the current output of organic solar cells is determined by the generation of free charge carriers upon light absorption and their transport to the electrodes in competition to the loss of charge carriers due to recombination. The object of this thesis is to provide a comprehensive understanding of the dynamic processes and physical parameters determining the performance. A new approach for analyzing the characteristic current-voltage output was developed comprising the experimental determination of the efficiencies of charge carrier generation, recombination and transport, combined with numerical device simulations. Central issues at the beginning of this work were the influence of an electric field on the free carrier generation process and the contribution of generation, recombination and transport to the current-voltage characteristics. An elegant way to directly measure the field dependence of the free carrier generation is the Time Delayed Collection Field (TDCF) method. In TDCF charge carriers are generated by a short laser pulse and subsequently extracted by a defined rectangular voltage pulse. A new setup was established with an improved time resolution compared to former reports in literature. It was found that charge generation is in general independent of the electric field, in contrast to the current view in literature and opposed to the expectations of the Braun-Onsager model that was commonly used to describe the charge generation process. Even in cases where the charge generation was found to be field-dependend, numerical modelling showed that this field-dependence is in general not capable to account for the voltage dependence of the photocurrent. This highlights the importance of efficient charge extraction in competition to non-geminate recombination, which is the second objective of the thesis. Therefore, two different techniques were combined to characterize the dynamics and efficiency of non-geminate recombination under device-relevant conditions. One new approach is to perform TDCF measurements with increasing delay between generation and extraction of charges. Thus, TDCF was used for the first time to measure charge carrier generation, recombination and transport with the same experimental setup. This excludes experimental errors due to different measurement and preparation conditions and demonstrates the strength of this technique. An analytic model for the description of TDCF transients was developed and revealed the experimental conditions for which reliable results can be obtained. In particular, it turned out that the $RC$ time of the setup which is mainly given by the sample geometry has a significant influence on the shape of the transients which has to be considered for correct data analysis. Secondly, a complementary method was applied to characterize charge carrier recombination under steady state bias and illumination, i.e. under realistic operating conditions. This approach relies on the precise determination of the steady state carrier densities established in the active layer. It turned out that current techniques were not sufficient to measure carrier densities with the necessary accuracy. Therefore, a new technique {Bias Assisted Charge Extraction} (BACE) was developed. Here, the charge carriers photogenerated under steady state illumination are extracted by applying a high reverse bias. The accelerated extraction compared to conventional charge extraction minimizes losses through non-geminate recombination and trapping during extraction. By performing numerical device simulations under steady state, conditions were established under which quantitative information on the dynamics can be retrieved from BACE measurements. The applied experimental techniques allowed to sensitively analyse and quantify geminate and non-geminate recombination losses along with charge transport in organic solar cells. A full analysis was exemplarily demonstrated for two prominent polymer-fullerene blends. The model system P3HT:PCBM spincast from chloroform (as prepared) exhibits poor power conversion efficiencies (PCE) on the order of 0.5%, mainly caused by low fill factors (FF) and currents. It could be shown that the performance of these devices is limited by the hole transport and large bimolecular recombination (BMR) losses, while geminate recombination losses are insignificant. The low polymer crystallinity and poor interconnection between the polymer and fullerene domains leads to a hole mobility of the order of 10^-7 cm^2/Vs which is several orders of magnitude lower than the electron mobility in these devices. The concomitant build up of space charge hinders extraction of both electrons and holes and promotes bimolecular recombination losses. Thermal annealing of P3HT:PCBM blends directly after spin coating improves crystallinity and interconnection of the polymer and the fullerene phase and results in comparatively high electron and hole mobilities in the order of 10^-3 cm^2/Vs and 10^-4 cm^2/Vs, respectively. In addition, a coarsening of the domain sizes leads to a reduction of the BMR by one order of magnitude. High charge carrier mobilities and low recombination losses result in comparatively high FF (>65%) and short circuit current (J_SC ≈ 10 mA/cm^2). The overall device performance (PCE ≈ 4%) is only limited by a rather low spectral overlap of absorption and solar emission and a small V_OC, given by the energetics of the P3HT. From this point of view the combination of the low bandgap polymer PTB7 with PCBM is a promising approach. In BHJ solar cells, this polymer leads to a higher V_OC due to optimized energetics with PCBM. However, the J_SC in these (unoptimized) devices is similar to the J_SC in the optimized blend with P3HT and the FF is rather low (≈ 50%). It turned out that the unoptimized PTB7:PCBM blends suffer from high BMR, a low electron mobility of the order of 10^-5 cm^2/Vs and geminate recombination losses due to field dependent charge carrier generation. The use of the solvent additive DIO optimizes the blend morphology, mainly by suppressing the formation of very large fullerene domains and by forming a more uniform structure of well interconnected donor and acceptor domains of the order of a few nanometers. Our analysis shows that this results in an increase of the electron mobility by about one order of magnitude (3 x 10^-4 cm^2/Vs), while BMR and geminate recombination losses are significantly reduced. In total these effects improve the J_SC (≈ 17 mA/cm^2) and the FF (> 70%). In 2012 this polymer/fullerene combination resulted in a record PCE for a single junction OSC of 9.2%. Remarkably, the numerical device simulations revealed that the specific shape of the J-V characteristics depends very sensitively to the variation of not only one, but all dynamic parameters. On the one hand this proves that the experimentally determined parameters, if leading to a good match between simulated and measured J-V curves, are realistic and reliable. On the other hand it also emphasizes the importance to consider all involved dynamic quantities, namely charge carrier generation, geminate and non-geminate recombination as well as electron and hole mobilities. The measurement or investigation of only a subset of these parameters as frequently found in literature will lead to an incomplete picture and possibly to misleading conclusions. Importantly, the comparison of the numerical device simulation employing the measured parameters and the experimental $J-V$ characteristics allows to identify loss channels and limitations of OSC. For example, it turned out that inefficient extraction of charge carriers is a criticical limitation factor that is often disobeyed. However, efficient and fast transport of charges becomes more and more important with the development of new low bandgap materials with very high internal quantum efficiencies. Likewise, due to moderate charge carrier mobilities, the active layer thicknesses of current high-performance devices are usually limited to around 100 nm. However, larger layer thicknesses would be more favourable with respect to higher current output and robustness of production. Newly designed donor materials should therefore at best show a high tendency to form crystalline structures, as observed in P3HT, combined with the optimized energetics and quantum efficiency of, for example, PTB7. N2 - Organische Solarzellen aus Polymer-Fulleren Mischschichten sind eine vielversprechende Alternative für eine kostengünstige Quelle erneuerbarer Energien. Jedoch sind trotz intensiver Forschung und bedeutenden Verbesserungen der Effizienzen während der letzten Jahre, die fundamentalen Prozesse in diesen Solarzellen noch immer nicht vollständig verstanden. Im Allgemeinen wird der Photostrom in organischen Solarzellen durch die Generation freier Ladungsträger nach Absorption von Licht und dem anschliessenden Transport dieser Ladungsträger zu den Elektroden bestimmt, wobei ein Teil durch Rekombination verloren geht. Das Ziel dieser Dissertation ist es, zu einem umfassenden Verständnis aller dynamischen Prozesse und relevanten physikalischen Parameter und deren Zusammenhang mit der Solarzelleneffizienz beizutragen. Dabei wurde eine neue Herangehensweise zur Analyse der Strom-Spannungskennlinien entwickelt, die auf der experimentellen Bestimmung von Ladungsträgergeneration, Rekombination und Transport im Vergleich mit numerischen Simulationen beruht. Die zentralen Fragestellungen zu Beginn der Arbeit waren, in welchem Masse die Ladungsträgergeneration von der Stärke des elektrischen Feldes abhängt und in wie weit die einzelnen Prozesse Generation, Rekombination und Transport zum charakteristischen Verlauf der Strom-Spannungskennlinie beitragen. Eine elegante Methode um direkt die Feldabhängigkeit der Ladungsträgergeneration zu bestimmen, ist die Time Delayed Collection Field (TDCF) Methode. Dabei werden in der Solarzelle Ladungsträger mit einem kurzen Laserpuls erzeugt und anschliessend mit einem wohldefinierten rechteckigen Spannungspuls extrahiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Versuchsaufbau mit stark verbesserter Zeitauflösung im Vergleich zu vorangegangenen Arbeiten aufgebaut. Es hat sich gezeigt, dass die Generation im Allgemeinen nicht vom elektrischen Feld abhängt. Dies steht im Widerspruch zu dem in der Literatur häufig verwendeten Braun-Onsager Modell zur Beschreibung der Ladungsgeneration. Selbst in Fällen, in denen eine feldabhängige Generation gemessen wurde, reichte diese im Allgemeinen nicht aus, um die Spannungsabhängigkeit des Photostroms in diesen Zellen zu erklären. Dies führt zu der zunehmenden Bedeutung einer effizienten Ladungsextraktion in Konkurrenz zur nicht-geminalen Rekombination, welche die zweite wichtige Fragestellung in dieser Arbeit war. Dazu wurden zwei neue Herangehensweisen zur Messung der Rekombinationsdynamik unter Solarzellen-relevanten Messbedingungen erarbeitet. Zum Einen wurde zum ersten Mal TDCF zur Messung von Rekombination und Transport verwendet. Der Vorteil ist, dass die Messung aller drei relevanten Prozesse in einem Versuchsaufbau zu einer höheren Genauigkeit führt, da experimentelle Fehler durch unterschiedliche Probenpräparation und Messbedingungen ausgeschlossen werden können. Es wurde ein analytisches Modell zur Beschreibung der TDCF Transienten entwickelt, welches direkt Rückschlüsse auf die notwendigen Messbedingungen erlaubt, unter denen zuverlässige Ergebnisse erzielt werden können. Insbesondere hat sich dabei gezeigt, dass die RC-Zeit des Aufbaus, die hauptsächlich durch die Probengeometrie bestimmt wird, einen wesentlichen Einfluss auf die Transienten hat, welcher in der Datenauswertung nicht vernachlässigt werden darf. Zum Anderen wurde eine komplementäre Methode zur Messung der Rekombination im Gleichgewicht benutzt, die auf der genauen Bestimmung der statischen Ladungsträgerdichte unter Beleuchtung basiert. Es zeigte sich, dass die in der Literatur etablierten Methoden zur Ladungsträgerbestimmung nicht ausreichend genau waren. Daher wurde eine neue, sensitive Technik entwickelt, die Bias Assisted Charge Extraction (BACE) Methode. Dabei werden die unter kontinuierlicher Beleuchtung generierten Ladungsträger mit einem hohen angelegten elektrischen Feld extrahiert. Dies führt zu einer beschleunigten Extraktion im Vergleich zur konventionellen Charge Extraction Methode, welche die Verluste durch Rekombination und Trapping deutlich reduziert. Mit Hilfe von numerischen Simulationen wurden Bedingungen festgelegt, unter denen zuverlässige Messungen mit BACE möglich sind. Mit den vorgestellten Methoden können alle relevanten Parameter für Generation, Rekombination und Transport experimentell sehr genau bestimmt und analysiert werden. Dies wurde exemplarisch für zwei in der Literatur bedeutende Materialsysteme durchgeführt. Das Modellsystem P3HT:PCBM, hergestellt aus dem Lösungsmittel Chloroform, weist direkt nach der Präparation nur sehr niedrige Effizienzen im Bereich von 0.5% auf, die vor allem durch niedrige Ströme und Füllfaktoren (FF) gekennzeichnet sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Effizienz dieser Zellen durch den sehr langsamen Lochtransport und die starke bimolekulare Rekombination begrenzt wird, während Verluste durch geminale Rekombination eher unbedeutend sind. Eine geringe Kristallinität des Polymers und schlechte Verbindungen zwischen den Polymerdomänen führt zu einer Lochmobilität von nur 10^7 cm^2/Vs. Diese ist mehrere Grössenordnungen kleiner als die Elektronenmobilität in diesen Zellen, was den Aufbau von Raumladungen zur Folge hat und damit die Extraktion von beiden Ladungsträgern behindert und bimolekulare Rekombination begünstigt. Die thermische Behandlung der P3HT:PCBM Proben direkt nach dem Spin Coating verbessert sowohl die Kristallinität als auch die Vernetzung der Polymer- und Fullerenphasen. Dies führt zu vergleichsweise hohen Mobilitäten für Elektronen (10^3 cm^2/Vs) und Löcher (10^4 cm^2/Vs). Zusätzlich reduziert eine Vergrösserung der Domänenstruktur die bimolekulare Rekombination um eine Grössenordnung. Die hohen Mobilitäten und niedrigen Rekombinationverluste resultieren in vergleichsweise hohen FF (> 65%) und Strömen (J_SC ≈ 10 mA/cm^2). Die Effizienz (≈ 4%) wird dabei nur durch den eher geringen spektralen Überlapp zwischen Absorptions- und Sonnenemissionsspektrum begrenzt und einer geringen Leerlaufspannung (V_OC), verursacht durch die ungünstige Energetik des P3HT. Aus dieser Perspektive ist die Kombination des Low-Bandgap Polymers PTB7 mit dem Fullerenderivat PCBM ein vielversprechender Ansatz. Aufgrund der angepassten Energetik führt diese Kombination in Mischschichtsolarzellen zu einer höheren V_OC. Jedoch ist der Kurzschlussstrom (J_SC) in den unoptimierten Zellen gegenüber dem der optimierten P3HT:PCBM Zellen nicht erhöht und die FF sind niedrig (≈ 50%). Die Untersuchungen ergaben, dass die Dynamik in den unoptimierten PTB7:PCBM Zellen durch hohe bimolekulare Rekombination (BMR), eine niedrige Elektronenmobilität im Bereich von 10^5 cm^2/Vs und nicht-geminalen Rekombinationsverslusten aufgrund einer feldabhängigen Generation geprägt ist. Die Zugabe des Lösungsmitteladditivs DIO bei der Probenpräparation optimiert die Morphologie in der Schicht. Dabei wird hauptsächlich die Formation von sehr grossen Fullerendomänen unterdrückt und eine gleichmässige Struktur von gut vernetzten, nanometergrossen Donor- und Akzeptordomänen ausgebildet. Unsere Analyse zeigt, dass dadurch die Elektronenmobilität um ca eine Grössenordnung erhöht wird (auf 3 x 10^4 cm^2/Vs), während BMR und geminale Rekombination deutlich unterdrückt werden. Zusammen genommen verbessern diese Effekte sowohl den J_SC (≈ 17 mA/cm^2) als auch den FF (> 70%). Im Jahr 2012 führten die optimierten PTB7:PCBM Solarzellen damit zu einer Rekordeffizienz für organische Solarzellen von 9.2%. Von grösserer Bedeutung ist jedoch, dass der Vergleich zwischen den gemessenen und simulierten Strom-Spannungskennlinien, mit experimentell bestimmten Eingangsparametern, Rückschlüsse auf die entsprechenden Verlustkanäle in den jeweiligen Solarzellen erlaubt. Hierbei zeigte sich, dass die effiziente Extraktion von Ladungsträgern ein kritischer Faktor ist, der in der Literatur oft unterschätzt wird. Der effiziente und schnelle Transport von Ladungen wird aber gerade im Hinblick auf neue Low-Bandgap Materialien mit sehr hohen internen Quanteneffizienzen immer wichtiger. Moderate Mobilitäten limitieren die möglichen Schichtdicken auf ca 100 nm. Grössere Schichtdicken wären jedoch vorteilhafter im Hinblick auf höhere Ausgangsströme und der Robustheit des Produktionsprozesses. Neu entwickelte Donormaterialien sollten daher sowohl möglichst kristalline Strukturen ausbilden mit einhergehenden hohen Mobilitäten, wie beim P3HT, als auch optimierte Energieniveaus und Quanteneffizienzen aufweisen, wie beispielsweise PTB7. KW - organic solar cells KW - optoelectronic measurements KW - transient methods KW - numeric device simulations KW - organische Solarzellen KW - optoelektronische Messungen KW - transiente Messmethoden KW - numerische Bauteilsimulationen Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90087 ER - TY - THES A1 - Mitzscherling, Steffen T1 - Polyelectrolyte multilayers for plasmonics and picosecond ultrasonics T1 - Multischichten aus Polyelektrolyten in der Pikosekundenakustik und Plasmonik N2 - This thesis investigates the application of polyelectrolyte multilayers in plasmonics and picosecond acoustics. The observed samples were fabricated by the spin-assisted layer-by-layer deposition technique that allowed a precise tuning of layer thickness in the range of few nanometers. The first field of interest deals with the interaction of light-induced localized surface plasmons (LSP) of rod-shaped gold nanoparticles with the particles' environment. The environment consists of an air phase and a phase of polyelectrolytes, whose ratio affects the spectral position of the LSP resonance. Measured UV-VIS spectra showed the shift of the LSP absorption peak as a function of the cover layer thickness of the particles. The data are modeled using an average dielectric function instead of the dielectric functions of air and polyelectrolytes. In addition using a measured dielectric function of the gold nanoparticles, the position of the LSP absorption peak could be simulated with good agreement to the data. The analytic model helps to understand the optical properties of metal nanoparticles in an inhomogeneous environment. The second part of this work discusses the applicability of PAzo/PAH and dye-doped PSS/PAH polyelectrolyte multilayers as transducers to generate hypersound pulses. The generated strain pulses were detected by time-domain Brillouin scattering (TDBS) using a pump-probe laser setup. Transducer layers made of polyelectrolytes were compared qualitatively to common aluminum transducers in terms of measured TDBS signal amplitude, degradation due to laser excitation, and sample preparation. The measurements proved that fast and easy prepared polyelectrolyte transducers provided stronger TDBS signals than the aluminum transducer. AFM topography measurements showed a degradation of the polyelectrolyte structures, especially for the PAzo/PAH sample. To quantify the induced strain, optical barriers were introduced to separate the transducer material from the medium of the hypersound propagation. Difficulties in the sample preparation prohibited a reliable quantification. But the experiments showed that a coating with transparent polyelectrolytes increases the efficiency of aluminum transducers and modifies the excited phonon distribution. The adoption of polyelectrolytes to the scientific field of picosecond acoustics enables a cheap and fast fabrication of transducer layers on most surfaces. In contrast to aluminum layers the polyelectrolytes are transparent over a wide spectral range. Thus, the strain modulation can be probed from surface and back. N2 - Diese Doktorarbeit behandelt die Verwendung von Multischichtsystemen aus Polyelektrolyten in den Fachgebieten der Plasmonik und der Pikosekunden-Akustik. Die verwendeten Proben wurden mit dem Spincoater-gestützten Layer-by-Layer-Verfahren hergestellt. Diese Methode ermöglichte die Einstellung Schichtdicke mit einer Präzision von wenigen Nanometern. Im Bereich der Plasmonik wurde die Wechselwirkung von Oberflächenplasmonen stabförmiger Gold-Nanopartikel mit deren Umgebung untersucht. Diese Umgebung bestand aus zwei Phasen: Polyelektrolyte und Luft. Das Volumenverhältnis der Materialien bestimmte die spektrale Position des Oberflächenplasmons. Bei zunehmender Einbettung der Goldpartikel zeigten die gemessenen UV-VIS Spektren eine Rotverschiebung der Plasmonenabsorption. Es wurde ein Modell entwickelt, das die inhomogene Umgebung der Partikel durch eine mittlere dieelekrische Funktion beschreibt. Nachdem die dielektrische Funktion der Goldpartikel in separaten Messungen bestimmt waren, konnte die Lage der Plasmonenabsorption berechnet werden. Die Berechnungen stimmten dabei mit den Messwerten überein. Mit diesem analytischen Modell ist es möglich, die optischen Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln in einer inhomogenene Umgebung zu verstehen. Der zweite Teil dieser Arbeit diskutiert die Anwendbarkeit von polyelektrolytischen Multischichten aus PAzo/PAH bzw. Porphyrin-dotiertem PSS/PAH für die Erzeugung von Hyperschallpulsen. Die erzeugten Schallpulse wurden durch zeitaufgelöste Brillouin-Streuung in einem sogenannten pump-probe Aufbau detektiert. Schallerzeugende Schichten aus Polyelektrolyten wurden mit Wandlern aus Aluminium verglichen. Die Messungen zeigten, dass die Polyelektrolyte sehr gut für die Erzeugung von Schallpulsen geeignet sind. Der einfachen Probenpräparation und der guten Effizienz steht jedoch eine geringe Zerstörschwelle gegenüber. AFM-Messungen zeigten besonders bei den PAzo/PAH Multischichten sehr starke Veränderungen in der Struktur. Eine Quantisierung der induzierten Schallamplitude sollte durch eine optische Trennung von Wandler und Propagationmedium erreicht werden. Da die Trennschichten auch eine akustische Abkopplung bewirkten, ließen sich die Schallamplituden nicht bestimmen. Es wurde jedoch festgestellt, dass sich die Effizienz eines Aluminium-Wandlers durch das Aufbringen transparenter Polyelektrolytschichten deutlich steigern lässt. Die Herstellung von Ultraschall-Wandlern aus Polyelektrolyten erweitert die Möglichkeiten der Pikosekunden-Akustik. Zum einen können diese Wandler schnell und kostengünstig direkt auf fast jeder Oberfläche aufgebracht werden. Zum anderen sind Polyelektrolyte in einem breiten Spektralbereich transparent. Das ermöglicht Messungen von der Vorderseite, die bei herkömmlichen Aluminium-Wandlern nicht oder nur schwer realisierbar sind. KW - polyelectrolyte KW - plasmonics KW - picosecond acoustics KW - hypersound KW - nanoparticle KW - Polyelektrolyte KW - Pikosekundenakustik KW - Hyperschall KW - Plasmonik KW - Nanopartikel Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-80833 ER - TY - THES A1 - Kurpiers, Jona T1 - Probing the pathways of free charge generation and recombination in organic solar cells T1 - Pfade der Generierung und Rekombination freier Ladungsträger in organischen Solarzellen BT - the role of excess energy and dispersive effects BT - die Rolle von Überschussenergie und dispersiven Effekten N2 - Organic semiconductors are a promising class of materials. Their special properties are the particularly good absorption, low weight and easy processing into thin films. Therefore, intense research has been devoted to the realization of thin film organic solar cells (OPVs). Because of the low dielectric constant of organic semiconductors, primary excitations (excitons) are strongly bound and a type II heterojunction needs to be introduced to split these excitations into free charges. Therefore, most organic solar cells consist of at least an electron donor and electron acceptor material. For such donor acceptor systems mainly three states are relevant; the photoexcited exciton on the donor or acceptor material, the charge transfer state at the donor-acceptor interface and the charge separated state of a free electron and hole. The interplay between these states significantly determines the efficiency of organic solar cells. Due to the high absorption and the low charge carrier mobilities, the active layers are usually thin but also, exciton dissociation and free charge formation proceeds rapidely, which makes the study of carrier dynamics highly challenging. Therefore, the focus of this work was first to install new experimental setups for the investigation of the charge carrier dynamics in complete devices with superior sensitivity and time resolution and, second, to apply these methods to prototypical photovoltaic materials to address specific questions in the field of organic and hybrid photovoltaics. Regarding the first goal, a new setup combining transient absorption spectroscopy (TAS) and time delayed collection field (TDCF) was designed and installed in Potsdam. An important part of this work concerned the improvement of the electronic components with respect to time resolution and sensitivity. To this end, a highly sensitive amplifier for driving and detecting the device response in TDCF was developed. This system was then applied to selected organic and hybrid model systems with a particular focus on the understanding of the loss mechanisms that limit the fill factor and short circuit current of organic solar cells. The first model system was a hybrid photovoltaic material comprising inorganic quantum dots decorated with organic ligands. Measurements with TDCF revealed fast free carrier recombination, in part assisted by traps, while bias-assisted charge extraction measurements showed high mobility. The measured parameters then served as input for a successful description of the device performance with an analytical model. With a further improvement of the instrumentation, a second topic was the detailed analysis of non-geminate recombination in a disordered polymer:fullerene blend where an important question was the effect of disorder on the carrier dynamics. The measurements revealed that early time highly mobile charges undergo fast non-geminate recombination at the contacts, causing an apparent field dependence of free charge generation in TDCF experiments if not conducted properly. On the other hand, recombination the later time scale was determined by dispersive recombination in the bulk of the active layer, showing the characteristics of carrier dynamics in an exponential density of state distribution. Importantly, the comparison with steady state recombination data suggested a very weak impact of non-thermalized carriers on the recombination properties of the solar cells under application relevant illumination conditions. Finally, temperature and field dependent studies of free charge generation were performed on three donor-acceptor combinations, with two donor polymers of the same material family blended with two different fullerene acceptor molecules. These particular material combinations were chosen to analyze the influence of the energetic and morphology of the blend on the efficiency of charge generation. To this end, activation energies for photocurrent generation were accurately determined for a wide range of excitation energies. The results prove that the formation of free charge is via thermalized charge transfer states and does not involve hot exciton splitting. Surprisingly, activation energies were of the order of thermal energy at room temperature. This led to the important conclusion that organic solar cells perform well not because of predominate high energy pathways but because the thermalized CT states are weakly bound. In addition, a model is introduced to interconnect the dissociation efficiency of the charge transfer state with its recombination observable with photoluminescence, which rules out a previously proposed two-pool model for free charge formation and recombination. Finally, based on the results, proposals for the further development of organic solar cells are formulated. N2 - Organische Halbleiter sind eine vielversprechende Materialklasse. Ihre besonderen Eigenschaften sind die gute Absorption, das geringe Gewicht und die einfache Verarbeitung zu dünnen Filmen. Daher wird intensiv an der Realisierung organischer Dünnschichtsolarzellen (OPVs) geforscht. Aufgrund der niedrigen Dielektrizitätskonstante organischer Halbleiter sind primäre Anregungen (Exzitonen) jedoch stark gebunden, und es muss ein Typ II-Heteroübergang eingeführt werden, um diese Anregungen in freie Ladungen zu trennen. Daher bestehen die meisten organischen Solarzellen aus mindestens einem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptormaterial. Für solche Donator-Akzeptorsysteme sind hauptsächlich drei Zustünde relevant; das Exziton auf dem Donator- oder Akzeptormaterial, der Ladungstransferzustand an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche und der ladungsgetrennte Zustand eines freien Elektrons und Lochs. Das Zusammenspiel dieser Zustände bestimmt maßgeblich die Effizienz organischer Solarzellen. Aufgrund der hohen Absorption und der geringen Ladungsträgermobilitäten sind die aktiven Schichten dünn, aber auch die Exzitonendissoziation und die Bildung freier Ladung findet auf kurzen Zeitskalen statt, was die Analyse der Ladungsträgerdynamik erschwert. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen daher zunächst die Installation neuer Versuchsaufbauten zur Untersuchung der Ladungsträgerdynamik in optimierten Solarzellen mit überlegener Empfindlichkeit und Zeitauflösung sowie die Anwendung dieser Methoden auf prototypische photovoltaische Materialien. Im Hinblick auf das erste Ziel wurde ein neuer Aufbau, der optische Methoden wie die zeitaufgelöste Absorptionsspektroskopie (TAS) mit optolektronischen Methoden, wie die zeitaufgelöste Ladungsextraktion (TDCF) kombiniert. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit war die Verbesserung der elektronischen Komponenten hinsichtlich der Zeitauflösung und Empfindlichkeit. Zu diesem Zweck wurde ein hochempfindlicher Verstärker zur Ansteuerung und Detektion der Probenantwort in TDCF entwickelt. Dieser Versuchsaufbau wurde im Folgenden auf verschiedene Modellsysteme angewendet, mit besonderem Fokus auf dem Verständnis der Verlustmechanismen, die den Füllfaktor und den Kurzschlussstrom organischer Solarzellen limittieren. Das erste Modellsystem ist ein hybrides Material, das aus anorganischen Quantenpunkten mit organischen Liganden besteht. Messungen mit TDCF ergaben eine schnelle Rekombination freier Ladungsträger, die teilweise durch Fallen unterstützt wurde, während Ladungsextraktionsexperimente unter quasi-konstanter Beleuchtung eine hohe Mobilität zeigten. Mit den gemessenen Parametern konnte die Kennlinie gut mit einem analytischen Modell beschrieben werden. Mit einer weiteren Verbesserung des Aufbaus konnte ein zweites Thema, die detaillierte Analyse der nicht-geminalen Rekombination in einer ungeordneten Polymer-Fulleren-Mischung bearbeitet werden. Die Messungen zeigten, dass hochmobilen Ladungen zu frühen Zeiten eine schnelle, nicht-geminale Rekombination an den Kontakten durchlaufen, was eine scheinbare Feldabhängigkeit der Generierung freier Ladung in TDCF-Experimenten verursachen kann. Andererseits wurde die Rekombination auf längeren Zeitskalen durch dispersive Rekombination in der aktiven Schicht bestimmt, wobei die Ursache der Ladungsträgerdynamik in einer exponentiellen Verteilung der Zustandsdichte liegt. Der Vergleich mit Rekombinationsdaten im stationären Zustand ergab einen sehr schwachen Einfluss nicht-thermalisierter Ladungsträger auf die Rekombinationseigenschaften der Solarzellen unter anwendungsrelevanten Bedingungen. Schließlich wurden temperatur- und feldabhängige Studien zur Erzeugung freier Ladung an drei Donator-Akzeptor-Kombinationen durchgeführt, wobei zwei Donatorpolymere der gleichen Materialfamilie mit zwei verschiedenen Fulleren-Akzeptormolekülen gemischt wurden. Diese besonderen Materialkombinationen wurden ausgewählt, um den Einfluss der Energetik und Morphologie der Mischung auf die Effizienz der Ladungserzeugung zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden die Aktivierungsenergien für die Photostromerzeugung für einen weiten Bereich von Anregungsenergien genau bestimmt. Die Ergebnisse beweisen, dass die Bildung freier Ladungen über thermalisierte Ladungstransferzustände erfolgt und keine Aufspaltung mit heißen Exzitonen beinhaltet. Überraschenderweise sind die Aktivierungsenergien vergleichbar mit der thermischen Energie bei Raumtemperatur. Dies führte zu der wichtigen Schlussfolgerung, dass organische Solarzellen nicht aufgrund von hochenergetischen Pfaden gut funktionieren, sondern weil die thermalisierten Ladungstransferzustände schwach gebunden sind. Darüber hinaus wird ein Modell eingeführt, um die Dissoziationseffizienz des Ladungstransferzustands mit seiner mit Photolumineszenz beobachtbaren Rekombination zu verbinden, wodurch ein zuvor vorgeschlagenes Zwei-Pool-Modell für die Bildung und Rekombination von freien Ladungen ausgeschlossen wird. Abschließend werden auf Basis der Ergebnisse Vorschläge zur Weiterentwicklung organischer Solarzellen formuliert. KW - organic solar cells KW - time resolved pump probe spectroscopy Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429099 ER - TY - THES A1 - Pavlenko, Elena T1 - Hybrid nanolayer architectures for ultrafast acousto-plasmonics in soft matter T1 - Hybride Nanolayer-Architekturen für ultraschnelle Akusto-Plasmonics in weicher Materie N2 - The goal of the presented work is to explore the interaction between gold nanorods (GNRs) and hyper-sound waves. For the generation of the hyper-sound I have used Azobenzene-containing polymer transducers. Multilayer polymer structures with well-defined thicknesses and smooth interfaces were built via layer-by-layer deposition. Anionic polyelectrolytes with Azobenzene side groups (PAzo) were alternated with cationic polymer PAH, for the creation of transducer films. PSS/PAH multilayer were built for spacer layers, which do not absorb in the visible light range. The properties of the PAzo/PAH film as a transducer are carefully characterized by static and transient optical spectroscopy. The optical and mechanical properties of the transducer are studied on the picosecond time scale. In particular the relative change of the refractive index of the photo-excited and expanded PAH/PAzo is Δn/n = - 2.6*10‐4. Calibration of the generated strain is performed by ultrafast X-ray diffraction calibrated the strain in a Mica substrate, into which the hyper-sound is transduced. By simulating the X-ray data with a linear-chain-model the strain in the transducer under the excitation is derived to be Δd/d ~ 5*10‐4. Additional to the investigation of the properties of the transducer itself, I have performed a series of experiments to study the penetration of the generated strain into various adjacent materials. By depositing the PAzo/PAH film onto a PAH/PSS structure with gold nanorods incorporated in it, I have shown that nanoscale impurities can be detected via the scattering of hyper-sound. Prior to the investigation of complex structures containing GNRs and the transducer, I have performed several sets of experiments on GNRs deposited on a small buffer of PSS/PAH. The static and transient response of GNRs is investigated for different fluence of the pump beam and for different dielectric environments (GNRs covered by PSS/PAH). A systematic analysis of sample architectures is performed in order to construct a sample with the desired effect of GNRs responding to the hyper-sound strain wave. The observed shift of a feature related to the longitudinal plasmon resonance in the transient reflection spectra is interpreted as the event of GNRs sensing the strain wave. We argue that the shift of the longitudinal plasmon resonance is caused by the viscoelastic deformation of the polymer around the nanoparticle. The deformation is induced by the out of plane difference in strain in the area directly under a particle and next to it. Simulations based on the linear chain model support this assumption. Experimentally this assumption is proven by investigating the same structure, with GNRs embedded in a PSS/PAH polymer layer. The response of GNRs to the hyper-sound wave is also observed for the sample structure with GNRs embedded in PAzo/PAH films. The response of GNRs in this case is explained to be driven by the change of the refractive index of PAzo during the strain propagation. N2 - Akustische Experimente auf ultraschnellen Zeitskalen ermöglichen die Bestimmung von Tiefeninformationen in Dünnschichtproben. Der Grundgedanke dieser Methode ist die Analyse von Schallwellen, die sich in dem zu untersuchenden Material ausbreiten. Die Schallpulse werden dabei üblicherweise mittels dünner Schichten erzeugt, die dafür auf die Probe aufgebracht werden. Diese Methode ist etabliert für die Untersuchung von harten, anorganischen Materialien, aber weniger entwickelt für weiche, organische Materialien. Die wenigen existierenden Untersuchungen von weichen Materialien mittels ultraschneller Akustik nutzen bisher die Ausdehnung dünner Metallfilme, beispielsweise aus Aluminium oder Titan, für den Umwandlungsprozess von kurzen Lichtpulsen zu Schallwellen. Die deutlich höheren Dichten der Metalle gegenüber der zu untersuchenden weichen Materie führen zu einer geringen Effizienz bei der Einkopplung der Schallpulse in das Material. Weiterhin ist es schwierig, die Metallfilme auf die zu untersuchenden Materialien chemisch aufzubringen. Eine Möglichkeit diese Probleme zu umgehen, ist die Verwendung von Licht-Schallwandlern aus chemisch ähnlicher, weicher Materialien. Hier präsentiere ich die Ergebnisse meiner Untersuchungen von Polymer Filmen, welche Azobenzen als aktiven Bestandteil für die photo-akustische Umwandlung enthalten. Dabei wurden die Filme mittels statischer, sowie auch zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Mit zeitaufgelösten Brillouin-Streuungs-Experimenten habe ich die Schallgeschwindigkeit in den Polymeren und dem Azobenzen-Schallwandler zu 3.4±0.3 nm/ps bestimmt. Die relative transiente Änderung des Brechungsindex in dem Azobenzenfilm aus optischen Messungen beträgt Δn/n = - 2.6*10‐4. Die Untersuchung der Schallpropagation in verschiedenen Probengeometrien erlaubt es uns, Reflektionen der Schallwellen von verschiedenen Übergängen (Polymer/Quarz, Polymer/Luft) und die Ausbreitung der mechanischen Wellen in weiche (Polymere) und harte (Quarz) angrenzende Materialien zu studieren. Durch Untersuchungen an einer Probe mit Gold-Nano-Stäbchen innerhalb einer Polymerschicht habe ich die Möglichkeit aufgezeigt, die Tiefenposition der Nanopartikel zu bestimmen. Die Ausdehnung des photomechanischen Wandlers wurde mittels zeitaufgelöster Röntgenbeugung zu ε = Δd/d ̴ 5x10-4 bestimmt. Der zweite Teil der Doktorarbeit behandelt die Wechselwirkung von Schallwellen und Gold-Nano-Stäbchen (GNS). GNS werden oft in der Chemie und Biologie als plasmonische Marker eingesetzt. In den meisten Fällen werden die Teilchen dafür mit einer Hülle überzogen, um ihre Agglomeration zu unterdrücken oder um ihnen spezielle Sensoreigenschaften zu geben. Trotz ihrer häufigen Anwendung in teilweise sehr komplexen Geometrien sind die optischen und elastischen Eigenschaften der Hülle der Nanopartikel, sowie deren Wechselwirkung mit der Umgebung wenig erforscht. Um die Wechselwirkung zwischen GNS und Schallwellen zu untersuchen habe ich eine systematische Studie an verschiedenen Probenstrukturen unternommen. Dabei finden wir, dass die viskoelastische Verformung der Polymerhülle um die GNS von der unterschiedlichen Ausdehnung der Fläche unterhalb der Partikel und neben ihnen stammt. Diese Schlussfolgerung wird von einer Simulation ihrer Ausdehnungsdynamik unterstützt. Einen weiteren Beleg liefern Experimente bei denen die Verformung von Polymeren an der Oberfläche dadurch verringert wird, dass die Gold-Nano-Stäbchen mit einer zusätzlichen dünnen Polymerschicht bedeckt werden. KW - ultrafast dynamics KW - plasmonics KW - hypersound KW - azobenzene KW - ultrafast spectroscopy KW - ultraschnelle Dynamik KW - Pump-Probe Spektroskopie KW - Plasmonics KW - Gold-Nanopartikel KW - Azobenzene Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-99544 ER - TY - THES A1 - Hosseini, Seyed Mehrdad T1 - Non-Langevin Recombination in Fullerene and Non-Fullerene Acceptor Solar Cells T1 - Nicht-Langevin-Rekombination in Fulleren- und Nicht-Fulleren-Akzeptor-Solarzellen N2 - Organic solar cells (OSCs), in recent years, have shown high efficiencies through the development of novel non-fullerene acceptors (NFAs). Fullerene derivatives have been the centerpiece of the accepting materials used throughout organic photovoltaic (OPV) research. However, since 2015 novel NFAs have been a game-changer and have overtaken fullerenes. However, the current understanding of the properties of NFAs for OPV is still relatively limited and critical mechanisms defining the performance of OPVs are still topics of debate. In this thesis, attention is paid to understanding reduced-Langevin recombination with respect to the device physics properties of fullerene and non-fullerene systems. The work is comprised of four closely linked studies. The first is a detailed exploration of the fill factor (FF) expressed in terms of transport and recombination properties in a comparison of fullerene and non-fullerene acceptors. We investigated the key reason behind the reduced FF in the NFA (ITIC-based) devices which is faster non-geminate recombination relative to the fullerene (PCBM[70]-based) devices. This is then followed by a consideration of a newly synthesized NFA Y-series derivative which exhibits the highest power conversion efficiency for OSC at the time. Such that in the second study, we illustrated the role of disorder on the non-geminate recombination and charge extraction of thick NFA (Y6-based) devices. As a result, we enhanced the FF of thick PM6:Y6 by reducing the disorder which leads to suppressing the non-geminate recombination toward non-Langevin system. In the third work, we revealed the reason behind thickness independence of the short circuit current of PM6:Y6 devices, caused by the extraordinarily long diffusion length of Y6. The fourth study entails a broad comparison of a selection of fullerene and non-fullerene blends with respect to charge generation efficiency and recombination to unveil the importance of efficient charge generation for achieving reduced recombination. I employed transient measurements such as Time Delayed Collection Field (TDCF), Resistance dependent Photovoltage (RPV), and steady-state techniques such as Bias Assisted Charge Extraction (BACE), Temperature-Dependent Space Charge Limited Current (T-SCLC), Capacitance-Voltage (CV), and Photo-Induce Absorption (PIA), to analyze the OSCs. The outcomes in this thesis together draw a complex picture of multiple factors that affect reduced-Langevin recombination and thereby the FF and overall performance. This provides a suitable platform for identifying important parameters when designing new blend systems. As a result, we succeeded to improve the overall performance through enhancing the FF of thick NFA device by adjustment of the amount of the solvent additive in the active blend solution. It also highlights potentially critical gaps in the current experimental understanding of fundamental charge interaction and recombination dynamics. N2 - Organische Solarzellen (OSZ) haben in den letzten Jahren durch die Entwicklung neuartiger Nicht-Fulleren-Akzeptoren (NFA) hohe Wirkungsgrade erzielt. Fulleren-Derivate waren das Herzstück der Akzeptor-Materialien, die in der Forschung zur organischen Photovoltaik (OPV) verwendet wurden. Doch seit 2015 haben neuartige NFAs den Fullerenen den Rang abgelaufen. Allerdings ist das derzeitige Verständnis der Eigenschaften von NFA für OPV noch relativ begrenzt und kritische Mechanismen, die die Leistung von OPV bestimmen, sind immer noch Gegenstand von Diskussionen. In dieser Arbeit geht es um das Verständnis der Reduced-Langevin-Rekombination in Hinblick auf die bauteilphysikalischen Eigenschaften von Fulleren- und Nicht-Fulleren-Systemen. Die Arbeit besteht aus vier eng miteinander verbundenen Studien. Die erste ist eine detaillierte Untersuchung des Füllfaktors (FF), ausgedrückt als Transport- und Rekombinationseigenschaften in einem Vergleich von Fulleren und Nicht-Fulleren-Akzeptoren. Wir untersuchten den Hauptgrund für die geringere FF im NFA-Bauelement (auf ITIC-Basis), nämlich die schnellere nicht-geminate Rekombination im Vergleich zum Fulleren-Bauelement (auf PCBM[70]-Basis). Anschließend wird ein neu synthetisiertes NFA-Derivat der Y-Serie betrachtet, das derzeit die höchste Leistungsumwandlungseffizienz für OSZ aufweist. In der zweiten Studie veranschaulichten wir die Rolle der Unordnung bei der nicht-geminaten Rekombination und der Ladungsextraktion von dicken NFA-Bauelementen (auf Y6-Basis). Infolgedessen haben wir die FF von dickem PM6:Y6 verbessert, indem wir die Unordnung reduziert haben, was zur Unterdrückung der nicht-geminaten Rekombination in Richtung Nicht-Langevin-System führt. In der dritten Arbeit haben wir den Grund für die Dickenunabhängigkeit des Kurzschlussstroms von NFA-Bauelementen aufgedeckt, die durch die außerordentlich lange Diffusionslänge von Y6 verursacht wird. Die vierte Studie umfasst einen umfassenden Vergleich einer Auswahl von Fulleren- und Nicht-Fulleren-Mischungen in Hinblick auf die Effizienz der Ladungserzeugung und Rekombination, um die Bedeutung einer effizienten Ladungserzeugung zum Erzielen einer geringeren Rekombination aufzuzeigen. Zur Analyse der OSCs habe ich transiente Messungen wie das Time Delayed Collection Field (TDCF), Resistance dependent Photovoltage (RPV) sowie stationäre Techniken wie die Bias Assisted Charge Extraction (BACE), Temperature-Dependent Space Charge Limited Current (T-SCLC), Capacitance-Voltage (CV) und Photo-Induce Absorption (PIA) eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeichnen ein komplexes Bild zahlreicher Faktoren, die die Rekombination nach dem Prinzip des reduzierten Langèvins und damit die FF und die Gesamtleistung beeinflussen. Dies bietet eine geeignete Plattform zum Identifizieren wichtiger Parameter bei der Entwicklung neuer Mischsysteme. So ist es uns gelungen, die Gesamtleistung zu verbessern, indem wir die FF der dicken NFA-Vorrichtung durch Anpassung der Menge des Lösungsmittelzusatzes in der aktiven Mischungslösung erhöht haben. Außerdem werden potenziell kritische Lücken im derzeitigen experimentellen Verständnis der grundlegenden Ladungswechselwirkung und Rekombinationsdynamik aufgezeigt. KW - Organic solar cells KW - Non-fullerene acceptors KW - Charge recombination KW - Non-Langevin systems KW - Structural and energetic disorder KW - Ladungsrekombination KW - Nicht-Langevin-Systeme KW - Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - Organische Solarzellen KW - Strukturelle und energetische Unordnung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-547831 ER - TY - THES A1 - Sun, Bowen T1 - Energy losses in low-offset organic solar cells T1 - Energieverluste in organischen Solarzellen mit geringer Versetzung BT - from fundamental understanding to characterization considerations BT - von grundlegendem Verständnis bis zu Charakterisierungsüberlegungen N2 - Organic solar cells (OSCs) represent a new generation of solar cells with a range of captivating attributes including low-cost, light-weight, aesthetically pleasing appearance, and flexibility. Different from traditional silicon solar cells, the photon-electron conversion in OSCs is usually accomplished in an active layer formed by blending two kinds of organic molecules (donor and acceptor) with different energy levels together. The first part of this thesis focuses on a better understanding of the role of the energetic offset and each recombination channel on the performance of these low-offset OSCs. By combining advanced experimental techniques with optical and electrical simulation, the energetic offsets between CT and excitons, several important insights were achieved: 1. The short circuit current density and fill-factor of low-offset systems are largely determined by field-dependent charge generation in such low-offset OSCs. Interestingly, it is strongly evident that such field-dependent charge generation originates from a field-dependent exciton dissociation yield. 2. The reduced energetic offset was found to be accompanied by strongly enhanced bimolecular recombination coefficient, which cannot be explained solely by exciton repopulation from CT states. This implies the existence of another dark decay channel apart from CT. The second focus of the thesis was on the technical perspective. In this thesis, the influence of optical artifacts in differential absorption spectroscopy upon the change of sample configuration and active layer thickness was studied. It is exemplified and discussed thoroughly and systematically in terms of optical simulations and experiments, how optical artifacts originated from non-uniform carrier profile and interference can manipulate not only the measured spectra, but also the decay dynamics in various measurement conditions. In the end of this study, a generalized methodology based on an inverse optical transfer matrix formalism was provided to correct the spectra and decay dynamics manipulated by optical artifacts. Overall, this thesis paves the way for a deeper understanding of the keys toward higher PCEs in low-offset OSC devices, from the perspectives of both device physics and characterization techniques. N2 - Organische Solarzellen (OSZ) repräsentieren eine neue Generation von Solarzellen mit einer Vielzahl faszinierender Eigenschaften, darunter geringe Kosten, geringes Gewicht, ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild und Flexibilität. Im Gegensatz zu traditionellen Silizium-Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Photonen in Elektronen in OSZ in der Regel in einer aktiven Schicht, die durch das Mischen von zwei Arten organischer Moleküle (Donator und Akzeptor) mit unterschiedlichen Energieniveaus gebildet wird. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ein besseres Verständnis der Rolle des energetischen Versatzes und jedes Rekombinationskanals auf die Leistung dieser OSCs mit geringem Versatz. Durch die Kombination fortschrittlicher experimenteller Techniken mit optischer und elektrischer Simulation wurden wichtige Erkenntnisse über die energetischen Versätze zwischen CT und Exzitonen erlangt: 1. Die Stromdichte im Kurzschluss und der Füllfaktor von Systemen mit geringem Versatz werden weitgehend durch feldabhängige Ladungsgenerierung in solchen OSZ mit geringem Versatz bestimmt. Interessanterweise ist deutlich erkennbar, dass eine feldabhängige Ladungsgenerierung aus einer feldabhängigen Exzitonen-Dissociationsausbeute resultiert. 2. Der reduzierte energetische Versatz geht mit einem stark erhöhten bimolekularen Rekombinationskoeffizienten einher, der nicht allein durch die Wiederbevölkerung von Exzitonen aus CT-Zuständen erklärt werden kann. Dies deutet auf die Existenz eines anderen dunklen Zerfallsweges neben CT hin. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der technischen Perspektive. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von optischen Artefakten in der differentiellen Absorptionsspektroskopie auf die Änderung der Probekonfiguration und der aktiven Schichtdicke untersucht. Es wird anhand optischer Simulationen und Experimente ausführlich und systematisch dargelegt und diskutiert, wie optische Artefakte, die durch ein nicht gleichmäßiges Ladungsprofil und Interferenzen verursacht werden, nicht nur die gemessenen Spektren, sondern auch die Zerfalldynamik in verschiedenen Messbedingungen manipulieren können. Am Ende dieser Studie wurde eine generalisierte Methodik auf Basis eines inversen optischen Übertragungsmatrixformalismus bereitgestellt, um die durch optische Artefakte manipulierten Spektren und Zerfalldynamiken zu korrigieren. Insgesamt ebnet diese Arbeit den Weg für ein tieferes Verständnis der Schlüsselaspekte für höhere Wirkungsgrade in OSZ mit geringem Versatz, sowohl aus Sicht der Gerätephysik als auch der Charakterisierungstechniken. KW - organic solar cell KW - organische Solarzelle KW - non-fullerene acceptors KW - Nicht-Fulleren-Akzeptoren KW - charge generation KW - Ladungsgenerierung KW - exciton dissociation KW - Exziton-Dissoziation KW - cavity effects KW - Hohlraumeffekte Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621430 ER - TY - THES A1 - Sajedi, Maryam T1 - Investigation of metal-halide-perovskites by state-of-the-art synchrotron-radiation methods T1 - Untersuchung von Metallhalogenid-Perowskiten mit modernsten Synchrotronstrahlungsmethoden N2 - My thesis chiefly aims to shed light on the favourable properties of LHP semiconductors from the point of view of their electronic structure. Currently, various hypotheses are circulating to explain the exceptionally favourable transport properties of LHPs. Seeking an explanation for the low non-radiative recombination rates and long carrier lifetimes is particularly interesting to the halide perovskites research community. The first part of this work investigates the two main hypotheses that are believed to play a significant role: the existence of a giant Rashba effect and large polarons. The experimental method of ARPES is mainly applied to verify their credibility. The first hypothesis presumes that a giant Rashba effect restricts the recombination losses of the charge carriers by making the band gap slightly indirect. The Rashba effect is based on a strong SOC that could appear in LHPs thanks to incorporating the heavy element Pb in their structure. Earlier experimental work had pointed out this effect at the VBM of a hybrid LHP as a viable explanation for the long lifetimes of the charge carriers. My systematic ARPES studies on hybrid MAPbBr3 and spin-resolved ARPES studies on the inorganic CsPbBr3 disprove the presence of any Rashba effect in the VBM of the reported order of magnitude. Therefore, neither the spin texture nor an indirect band gap character at the VBM in the bulk or at the surface can explain the high efficiency of LHP. In case of existence, this effect is in terms of the Rashba parameter at least a factor of a hundred smaller than previously assumed. The second hypothesis proposes large polaron formation in the electronic structure of LHPs and attributes it to their high defect tolerance and low non-radiative recombination rate. Because the perovskite structure consists of negative and positive ions, polarons of this kind can be expected due to the Coulomb interaction between carriers and the polar lattice at intermediate electron-phonon coupling strength. Their existence is proposed to screen the carriers and defects to avoid recombination and trapping, thus leading to long carrier lifetimes. ARPES results by one group supported this assumption, reporting a 50% effective mass enhancement over the theoretical effective mass for CsPbBr3 in the orthorhombic structure. The current thesis examines this hypothesis experimentally by photon-energy-dependent ARPES spectra and theoretically by GW band calculations of CsPbBr3 perovskites. The investigation is based on the fact that a polaron contribution in charge transport can become evident by an increase of the effective mass as measured by ARPES over the calculated one without polaron effects. However, my experiments on crystalline CsPbBr3 did not imply a larger effective mass for which one could postulate large polarons. In fact, the effective masses determined from ARPES agree with that of theoretical predictions. The second part of my thesis thoroughly investigates the possibility of spontaneously magnetizing LHPs by introducing Mn2+ ions. Mn doping was reported to cause ferromagnetism in one of the most common LHPs, MAPbI3, mediated by super-exchange. The current work investigates the magnetic properties of a wide concentration range of Mn-doped MAPbI3 and triple-cation films by XAS, XMCD, and SQUID measurements. Based on the XAS line shape and a sum-rule analysis of the XMCD spectra, a pure Mn2+ configuration has been confirmed. Negative Curie temperatures are extracted from fitting the magnetization with a Curie-Weiss law. However, a remanent magnetization, which would be an indication of the absence of ferromagnetism down to 2K. As far as the double exchange is concerned, the element-specific XAS excludes a sufficient amount of Mn3+ as a prerequisite for this mechanism. All the findings show no evidence of significant double exchange or ferromagnetism in Mn-doped LHPs. The magnetic behavior is paramagnetic rather than ferromagnetic. In the dissertation's last chapter, orthorhombic features of CsPbBr3 are revealed by ARPES, including an extra VBM at the Γ-point. The VBM of CsPbBr3 shows a temperature-dependent splitting, which decreases by 190 meV between 38K and 300K and tracks a shift of a saddle point at the cubic M-point. It is possible to reproduce the energy shift using an atomic model with a larger unit cell for room temperature, allowing local inversion symmetry breaking. This indicates the importance of electric dipoles for the inorganic LHPs, which may contribute to their high efficiency by breaking inversion symmetry and a Berry-phase effect. N2 - In meiner Dissertation geht es vor allem darum, die vorteilhaften Eigenschaften von LHP ausgehend von ihrer elektronischen Struktur zu beleuchten. Derzeit kursieren zahlreiche Hypothesen, um die außergewöhnlich guten Transporteigenschaften von LHPs zu erklären. Die Suche nach einer Erklärung für die niedrigen strahlungslosen Rekombinationsraten und die langen Ladungsträgerlebensdauern ist von besonderem Interesse für die Forschercommunity der Halogenidperowskite. Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die beiden Haupthypothesen, von denen angenommen wird, dass sie eine wichtige Rolle spielen: die Existenz eines riesigen Rashba-Effekts und großer Polaronen. Hier wird hauptsächlich die experimentelle Methode der ARPES angewandt, um ihre Glaubwürdigkeit zu überprüfen. Die erste Hypothese geht davon aus, dass ein riesiger Rashba-Effekt die Rekombinationsverluste der Ladungsträger einschränkt, indem er die Bandlücke leicht indirekt macht. Der Rashba-Effekt basiert auf einer starken Spin-Bahn-Wechselwirkung, die in LHPs, dank der Präsenz des schweren Elements Pb in ihrer Struktur, potenziell auftreten könnte. Eine frühere experimentelle Arbeit hatte diesen Effekt am VBM eines hybriden LHP als mögliche Erklärung für die langen Lebensdauern der Ladungsträger vorgeschlagen. Meine systematischen ARPES-Studien am hybriden MAPbBr3 sowie die winkel- und spinaufgelösten ARPES-Studien am anorganischen CsPbBr3 widerlegen das Vorhandensein eines riesigen Rashba-Effekts im VBM in der angegebenen Größenordnung. Daher können weder die Spin-Textur noch der indirekte Bandlückencharakter am VBM im Volumen oder an der Oberfläche die hohe Effizienz von LHP erklären. Dieser Effekt ist, falls er existiert, mindestens um einen Faktor hundert kleiner als bisher angenommen. Die zweite Hypothese geht von der Bildung großer Polaronen in der elektronischen Struktur von LHPs aus, welche zu ihrer hohen Defekttoleranz und niedrigen strahlungslosen Rekombination srate beitragen soll. Da die Perowskit Struktur aus negativen und positiven Ionen besteht, sind solche Polaronen wegen der Coulomb-Wechselwirkung zwischen Ladungsträger und Ionengitter bei mittlerer Stärke der Elektron-Phonon-Kopplung zu erwarten. Es wird angenommen, dass sie die Ladungsträger und Defekte abschirmen, was Rekombination und Trapping verhindert und zu langen Ladungsträgerlebensdauern führt. Die ARPES-Ergebnisse einer Gruppe stützen diese Annahme und zeigen, dass die effektive Masse von CsPbBr3 um 50% höher ist als die theoretische effektive Masse für die orthorhombische Phase. In der vorliegenden Arbeit wird diese Hypothese experimentell mit Hilfe von Photonenenergie-abhängigen ARPES-Spektren und theoretisch mit Hilfe von GW-Bandstrukturberechnungen an CsPbBr3-Perowskiten untersucht. Denn der Beitrag von Polaronen zum Ladungstransport lässt sich durch eine Zunahme der mit ARPES gemessenen effektiven-Masse nachweisen. Meine Experimente an kristallinem CsPbBr3 ergaben jedoch keine erhöhte effektive Masse, für die man große Polaronen postulieren könnte. Tatsächlich stimmen die aus ARPES ermittelten effektiven Massen gut mit den theoretischen Vorhersagen überein. Der zweite Teil meiner Dissertation untersucht die Möglichkeit, LHPs durch den Einbau von Mn2+ Ionen spontan zu magnetisieren. Es wurde berichtet, dass die Mn-Dotierung in einem der häufigsten LHPs - \MAPbI3 - Ferromagnetismus durch "Superaustausch" hervorruft. Außerdem berichteten zwei weitere Arbeiten über Ferromagnetismus sogar bei Raumtemperatur, hervorgerufen jedoch durch Doppalaustausch. In der vorliegenden Arbeit werden die magnetischen Eigenschaften eines weiten Konzentrationsbereichs von Mn-dotiertem MAPbI3 und Dreifachkation-Filmen mittels XAS, XMCD und SQUID-Messungen untersucht. Basierend auf der XAS-Linienform und der Summenregelanalyse der XMCD-Spektren wurde eine reine Mn2+ Konfiguration bestätigt. Negative Curie-Temperaturen werden aus einem Fit der Magnetisierung mit dem Curie-Weiss-Gesetz abgeleitet. Eine remanente Magnetisierung, die auf Ferromagnetismus hindeuten würde, wird jedoch bis hinunter zu 2K nicht beobachtet. Was den Doppelaustausch betrifft, so schließt die elementspezifische XAS eine ausreichende Menge an Mn3+ als Voraussetzung für diesen Mechanismus aus. Nach all diesen Erkenntnissen gibt es keinen Hinweis auf einen signifikanten Doppelaustausch oder Ferromagnetismus in Mn-dotierten LHP. Das magnetische Verhalten ist eher paramagnetisch als ferromagnetisch. Im letzten Kapitel der Dissertation werden orthorhombische ARPES-Strukturen bei CsPbBr3 beobachtet, einschließlich eines zusätzlichen VBM am Γ-Punkt. Das VBM von CsPbBr3 zeigt eine temperaturabhängige Aufspaltung, die zwischen 38K und 300 K um 190 meV abnimmt und von einer Verschiebung eines Sattelpunktes am kubischen M-Punkt stammt. Es ist möglich, die Energieverschiebung mit atomaren Model mit größerer Einzeitszelle für Raumtemperatur, eine Brechung der lokalen Inversionssymmetrie zulässt, zu reproduzieren. Dies deutet auf die Bedeutung elektrischer Dipole für anorganische LHP hin, die zu ihrer hohen Effizienz durch Brechung der Inversionssymmetrie und einen Berry-Phasen-Effekt beitragen könnten. KW - lead halide perovskites (LHP) KW - valence band (VB) KW - valence band maximum (VBM) KW - Brillouin zone (BZ) KW - surface Brillouin zone (SBZ) KW - Spin-orbi coupling (SOC) KW - Brillouin-Zone (BZ) KW - Bleihalogenid-Perowskite (BHP) KW - Oberflächen-Brillouin-Zone (OBZ) KW - Valenzband (VB) KW - Valenzbandmaximum (VBM) KW - Spin-Bahn-Wechselwirkung (SBW) Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Zeuschner, Steffen Peer T1 - Magnetoacoustics observed with ultrafast x-ray diffraction N2 - In the present thesis I investigate the lattice dynamics of thin film hetero structures of magnetically ordered materials upon femtosecond laser excitation as a probing and manipulation scheme for the spin system. The quantitative assessment of laser induced thermal dynamics as well as generated picosecond acoustic pulses and their respective impact on the magnetization dynamics of thin films is a challenging endeavor. All the more, the development and implementation of effective experimental tools and comprehensive models are paramount to propel future academic and technological progress. In all experiments in the scope of this cumulative dissertation, I examine the crystal lattice of nanoscale thin films upon the excitation with femtosecond laser pulses. The relative change of the lattice constant due to thermal expansion or picosecond strain pulses is directly monitored by an ultrafast X-ray diffraction (UXRD) setup with a femtosecond laser-driven plasma X-ray source (PXS). Phonons and spins alike exert stress on the lattice, which responds according to the elastic properties of the material, rendering the lattice a versatile sensor for all sorts of ultrafast interactions. On the one hand, I investigate materials with strong magneto-elastic properties; The highly magnetostrictive rare-earth compound TbFe2, elemental Dysprosium or the technological relevant Invar material FePt. On the other hand I conduct a comprehensive study on the lattice dynamics of Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG), which exhibits high-frequency coherent spin dynamics upon femtosecond laser excitation according to the literature. Higher order standing spinwaves (SSWs) are triggered by coherent and incoherent motion of atoms, in other words phonons, which I quantified with UXRD. We are able to unite the experimental observations of the lattice and magnetization dynamics qualitatively and quantitatively. This is done with a combination of multi-temperature, elastic, magneto-elastic, anisotropy and micro-magnetic modeling. The collective data from UXRD, to probe the lattice, and time-resolved magneto-optical Kerr effect (tr-MOKE) measurements, to monitor the magnetization, were previously collected at different experimental setups. To improve the precision of the quantitative assessment of lattice and magnetization dynamics alike, our group implemented a combination of UXRD and tr-MOKE in a singular experimental setup, which is to my knowledge, the first of its kind. I helped with the conception and commissioning of this novel experimental station, which allows the simultaneous observation of lattice and magnetization dynamics on an ultrafast timescale under identical excitation conditions. Furthermore, I developed a new X-ray diffraction measurement routine which significantly reduces the measurement time of UXRD experiments by up to an order of magnitude. It is called reciprocal space slicing (RSS) and utilizes an area detector to monitor the angular motion of X-ray diffraction peaks, which is associated with lattice constant changes, without a time-consuming scan of the diffraction angles with the goniometer. RSS is particularly useful for ultrafast diffraction experiments, since measurement time at large scale facilities like synchrotrons and free electron lasers is a scarce and expensive resource. However, RSS is not limited to ultrafast experiments and can even be extended to other diffraction techniques with neutrons or electrons. N2 - In der vorliegenden Arbeit untersuche ich die Gitterdynamik von magnetisch geordneten und dünnen Filmen, deren Spinsystem mit Femtosekunden-Laserpulsen angeregt und untersucht wird. Die Quantifizierung der laserinduzierten thermischen Dynamik, der erzeugten Pikosekunden-Schallpulse sowie deren jeweiliger Einfluss auf die Magnetisierungsdynamik ist ein schwieriges Unterfangen. Umso mehr ist die Entwicklung und Anwendung von effizienten experimentellen Konzepten und umfangreichen Modellen grundlegend für das Antreiben des zukünftigen wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt. In jedem Experiment dieser kummulativen Dissertation untersuche ich das Kristallgitter von Nanometer dünnen Filmen nach der Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen. Die relative Änderung der Gitterkonstante, hervorgerufen durch thermische Ausdehnung oder Pikosekunden-Schallpulse, wird dabei direkt mittels ultraschneller Röntgenbeugung (UXRD) gemessen. Der Aufbau nutzt zur Bereitstellung von ultrakurzen Röntgenpulsen eine lasergetriebene Plasma-Röntgenquelle (PXS). Phononen und Spins üben gleichermaßen einen Druck auf das Gitter aus, welches entsprechend der elastsischen Eigenschaften des Materials reagiert, was das Gitter zu einem vielseitigen Sensor für ultraschenlle Wechselwirkungen macht. Zum einen untersuche ich Materialien mit starken magnetoelastischen Eigentschaften: die stark magnetostriktive Seltenen-Erden-Verbindung TbFe2, elementares Dysprosium oder das technologisch relavante Invar-Material FePt. Zum anderen habe ich eine umfangreiche Studie der Gitterdynamik von Bi1Y2Fe5O12 (Bi:YIG) angestellt, in dem der Literatur zufolge hochfrequente kohärente Spindynamiken durch Femtosekunden-Laseranregung zu beobachten sind. Diese stehenden Spinwellen (SSWs) höherer Ordnung entstehen durch die kohärente und inkohärente Bewegung von Atomen, in anderen Worten Phononen, welche ich durch UXRD vermessen habe. Somit sind wir in der Lage, die experimentellen Beobachtungen der Gitter- und Spindynamik qualitativ und quantitativ zu vereinigen. Dies geschieht durch eine Kombination von Viel-Temperatur- und Anisotropiemodellierung sowie elastische, magnetoelastische, und mikromagnetsiche Modelle. Die gemeinsamen Daten von UXRD und der zeitaufgelösten magnetooptischen Kerr-Effekt Messungen (tr-MOKE), um jeweils die Gitter- und Spindynamik zu messen, wurden in der Vergangenheit noch an unterschiedlichen experimentellen Aufbauten gemessen. Um die Quantifizierung präziser zu gestalten, haben wir in unserer Arbeitsgruppe UXRD und tr-MOKE in einem einzigen Aufbau kombiniert, welcher somit meines Wissens der erste seiner Art ist. Ich half bei dem Entwurf und der Inbetriebnahme des neuen Aufbaus, welcher die gleichzeitige Messung von Gitter- und Spindynamik auf einer ultraschnellen Zeitskala unter identischen Anregungsbedingungen ermöglicht. Außerdem entwickelte ich eine neue Messroutine für Röntgenbeugung, welche die Messzeit von UXRD-Experimenten um bis zu einer Größenordnungen reduziert. Es nennt sich das Schneiden des reziproken Raumes (reciprocal space slicing, RSS) und nutzt den Vorteil von Flächendetektoren die Bewegung von Beugungsreflexen zu detektieren, was von einer Änderung der Gitterkonstante einhergeht, ohne zeitintensive Scans der Beugungswinkel mit dem Goniometer durchzuführen. RSS ist besonders nützlich für ultraschnelle Beugungsexperimente, weil die Messzeit an Großgeräten wie Synchrotrons oder Freie Elektronen Laser eine seltene und teure Ressource ist. Darüber hinaus ist RSS nicht zwangsläufig auf die Anwendung in ultraschnellen Experimenten beschränkt und kann sogar auf andere Beugungsexperimente, wie die mit Neutronen und Elektronen, ausgeweitet werden. KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - thin films KW - magnetoelasticity KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung KW - dünne Filme KW - Magnetoelastizität Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561098 ER -