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Energy efficiency is vital for future low-power electronic applications. This ultra-low power consumption requirement enables the research beyond the conventional charge-based memories. Further, reliability, high scalability, fast switching, CMOS compatibility, high endurance, etc., are some of the characteristics envisaged by the new generation of emerging non-volatile memories (NVMs). A memristor or OxRAM is one among the many emerging NVMs, which can exhibit the aforementioned characteristics, and it has the potential to replace the power-hungry conventional NVMs.
The memristive devices have the advantage of monolithic integration with the CMOS logic, which enables the widening of their application areas. Despite their various advantages, the reliability, forming voltages, and variability of the devices pose a hurdle to their wide commercial usage. Hence, it is crucial to identify these factors and mitigate them. This thesis addresses these issues through fabrication process improvements, electrical characterization techniques, and device-engineering methods.
The improvements in the fabrication processes reduced the pristine state currents of the memristive devices. It impacted the reliability and resistive switching performance of the memristive devices directly. To further improve the performance, the memristive devices are integrated into the 130 nm BiCMOS baseline technology of IHP. Additionally, dedicated test structures are developed to monitor and control the fabrication process steps through in-line electrical characterization.
Further, the forming current and voltage values, along with their dispersions in the 4 kbit memristive arrays, were reduced by utilizing the electrical characterization techniques. Accordingly, the forming operations were performed at high operating temperatures using incremental step pulse and verify algorithm (ISPVA). In contrast to the well-known method of increasing the current compliance (1R) or the gate voltage of the transistor (1T-1R) to increase the conduction filament size, a thin layer of Al2O3 is added. This device engineering technique reduced the variability in both LRS and HRS currents of the memristive devices. Additionally, the conduction filament properties in both states are modeled by using the quantum point contact (QPC) model. Finally, harnessing the intrinsic variability of the memristive devices for neuromorphic computing applications is demonstrated. The reliability of the devices is assessed through endurance and retention characteristics.
Numerical investigation and extension of quadrature-based moment methods for population balances
(2023)
Particulate systems can be described by a number density function (NDF) with respect to a vector of internal coordinates. The evolution of the NDF is governed by the typically high-dimensional population balance equation (PBE). A common approach to reduce the dimensionality of the problem is to solve only for a set of moments instead of the NDF. The derived system of moment equations, however, includes unclosed integral terms that still contain the unknown NDF. One way to close the system of moment equations is to approximate the unclosed integral terms using a Gaussian quadrature computed from the moments. The procedure of taking a set of moments to compute a Gaussian quadrature, which is, in turn, used to close the moment equations, is known as the quadrature method of moments (QMOM). It gave rise to an entire family of methods, the quadrature-based moment methods (QBMMs), which are the primary focus of this work. The presented research can be divided into three major parts. The first part involves the formulation of a common Lagrangian droplet breakup model for QBMMs and the numerical investigation with the QMOM as well as the more sophisticated extended QMOM (EQMOM). The results indicate that the approximations are reasonably accurate when at least six moment equations are solved, with the EQMOM providing no advantages for the investigated configurations. In the second part, a quadrature-based moment model for the effects of fluid turbulence on particle velocities is formulated. The resulting moment equations contain non-smooth integrands that are the source of large errors when using common QBMMs. As an alternative, the Gauss/anti-Gauss QMOM (GaG-QMOM) is proposed that uses the average of a Gaussian and an anti-Gaussian quadrature. Numerical studies show that the GaG-QMOM is able to significantly reduce the previously observed large errors. Another novelty proposed in this context is the modification of the second-order strong-stability preserving Runge-Kutta method to guarantee the preservation of moment realizability in the presence of phase-space diffusion. The third part is concerned with the numerical exploration of the core algorithm of most QBMMs in terms of performance and accuracy. The algorithm consists of, first, computing the recurrence coefficients of the orthogonal polynomials associated with a set of moments, second, solving a symmetric tridiagonal eigenvalue problem to obtain the quadrature nodes and weights, and third, evaluating the integral terms in the moment equations. The results indicate that the contribution of the first step to compute the recurrence coefficients from moments to the overall computational costs is negligible. Instead, the primary focus should be on the fast solution of the eigenvalue problem and, possibly, on the efficient implementation of the moment source term evaluation, which becomes important when second-order processes are considered.
Die Publikation versammelt die Ergebnisse der Veranstaltung „Utopia Kulturelle Bildung: Kunst, Medien und Kultur in der Transformationsregion Lausitz“, die im Juni 2023 vom Fachgebiet „Medienpädagogik: Ästhetische Praxis in der Sozialen Arbeit“ der BTU Cottbus-Senftenberg in Kooperation mit dem gemeinnützigen Verein M2B e.V. durchgeführt wurde. Leitende Fragestellungen der Veranstaltung waren u.a.: Wie können Kulturelle Bildung, Kunst und Kultur Beteiligungsprozesse in einer Transformationsregion unterstützen? Und welche Rolle spielen dabei positive Zukunftsszenarien aus utopischen Geschichten oder Bildern? Bei Vorträgen, Podiumsgesprächen, Filmscreenings, Workshops und einer Stadtführung wurde die Rolle von utopischem Denken und Kultureller Bildung im Transformationsprozess verdeutlicht und künstlerisch-praktisch erprobt. Dabei ging es auch um den Beitrag der sorbisch-wendischen Initiativen im Transformationsprozess – hin zu einer klimagerechten Gestaltung des Natur-Kultur-Raums Lausitz. Mit dem Fokus auf das Thema Partizipationsmöglichkeiten durch Kultur, (digitale) Medien und die Künste dokumentiert der Tagungsband die diversen Ansätze, Studien und Argumente der Beteiligten. Die Rubrik „Impulse“ stellt Konzepte und Perspektiven aus Kultureller Bildung, Kunst und Transformationsforschung vor. Die zwei Podiumsgespräche der Tagung werden in der Rubrik „Diskussionen“ dokumentiert. Der dritte Teil des Bandes stellt konkrete „Praxisansätze“ vor, mit denen Utopiefähigkeit in der Kulturellen Bildung angeregt werden kann wie u.a. Schreib-, Theater-, Medien-/Foto- und Musikpädagogik sowie „Blaudruck im 21.Jahrhundert“, einen kritischen Stadtrundgang und „Kritisches Kartieren“.
The current global warming caused by the enormous negative effects of climate change rings alarm bells to humanity. It requires a colossal cooperation of scientific researchers and practitioners in all professions to invent innovating solutions to reduce the impact of global warming. In fact, the use of kinetic facades in architecture helps to save up to 50% of energy used in office space and to reduce 20% of CO2 emissions of entire building. Thus, how effective can the use of kinetic facades be in different climate regions? This research employs Grasshopper to design kinetic facades based on Minimal surfaces. DIVA 4.1 and LadyBug software based on the EnergyPlus are used to generate output data of energy use for cooling system of kinetic facade and 06 conventional facades in Berlin, Ho Chi Minh and Las Vegas in two SRES scenarios (A1FI and B1) of the IPCC in 2020, 2050 and 2080. The output data shows that the performance of the kinetic facade is approximately 40% higher than the facade with high-performance double glazing. Meaning, there is great potential to apply kinetic facades in various places on Earth in the current context of severe climate change.
Mit zunehmender Bestimmtheit stellt sich den großen sozialen, ökologischen und ökonomischen Fragen des 21. Jahrhunderts die Vision einer Großen Transformation der Gesellschaft gegenüber. An der Stelle von Politik und Staatlichkeit als legitimierten, regulierenden Instanzen steht in dieser Vision eine breite Allianz gesellschaftlicher Akteure aus Wissenschaft, Politik, Wirtschaft und Gesellschaft. U.a. differenzierungstheoretisch informierte Kritiken beleuchten den außerwissenschaftlichen Referenzrahmen, der bestimmt, was als sozial robustes Wissen am Ende eines transdisziplinären oder transformativen Forschungsprozesses stehen sollte. Im Fokus der vorliegenden empirischen Untersuchung stehen öffentlich geförderte Projekte der Arbeits- und Organisationsforschung im Verbund aus Sozialwissenschaftler*innen, Vertreter*innen anderer Disziplinen sowie Beteiligten aus Unternehmen, Verbänden und Bildungseinrichtungen. Aus der Perspektive der Akteurszentrierten Differenzierungstheorie Uwe Schimanks wird Verbundforschung als intra- und intersystemische Verhandlungskonstellation verstanden. Den methodischen Kern des Fallstudien-Ansatzes bilden qualitative Interviews mit Verbundbeteiligten der diversen wissenschaftlichen und nicht-wissenschaftlichen Partner ausgewählter Verbundprojekte. Es wird danach gefragt, welchen besonderen Bedingungen sozialwissenschaftliche Forschung im Rahmen dieser Verbundformate unterliegt, wie die beteiligten Sozialwissenschaftler*innen diese hinsichtlich ihrer wissenschaftlichen Wirkungen bewerten und welche (Ko-)Evolutionsstrategien sie verfolgen, um wissenschaftlichen Nutzen zu erzielen. Die Untersuchung zeigt, dass sich aus der gemeinsamen Entwicklung von Gestaltungsansätzen mit den Anwendungspartnern ein weitreichender Einblick in Arbeit und Organisation ergibt und auf dieser Basis ein spezifisches, qualitativ dichtes Wissen entsteht. Gestaltungsanforderungen binden jedoch Arbeitskapazitäten, die für die wissenschaftliche Elaboration oft fehlen. Die Forschenden hinterfragen die Transferanforderung dabei nicht grundsätzlich, sondern kritisieren Umfang, förderpolitisch vorgegebene Formate und deren Transfereffekte. Die vorliegende Arbeit bietet qualitative empirische Schlaglichter auf einen bisweilen stark programmatisch diskutierten Gegenstand und ordnet diese gesellschaftstheoretisch ein. Der entstandene Brückenschlag zwischen soziologischer Gesellschaftstheorie und empirischer Wissenschaftsforschung bietet Anschlüsse für weitere Untersuchungen: Agile und responsive Formate von Forschung, Entwicklung und Transfer und komplexer werdende Akteurskonstellationen erhöhen den Möglichkeitsraum aller Beteiligten. Umso wichtiger wird es, die diversen Handlungsrationalitäten der Verbundpartner und sich ergebende Intentionsinterferenzen systematisch in den Blick zu nehmen, um die ko-evolutiven Effekte transdisziplinärer und transformationsorientierter Forschung zu erhöhen.
Increased human activity, such as deforestation, is a major driver of biodiversity loss worldwide. In Cameroon, these activities could ultimately threaten the survival of the Nigeria-Cameroon chimpanzee, but knowledge of their abundance and ecology in the Kom - Wum Forest Reserve in Cameroon is still lacking. This research aimed to estimate the population size of this chimpanzee subspecies and assess threats, investigate nesting behaviour, identify suitable habitats, determine feeding habits and document the tools used for food acquisition. Research was conducted using line transects during two seasons: wet (May-September 2018) and dry (November 2019-March 2020). Population size and threats were assessed by georeferencing signs of chimpanzees and human activity along line transects. Nesting behaviour was investigated by recording the characteristics of nesting trees along line transects and mapping their distribution in ArcGIS. Suitable habitat was identified by relating chimpanzee presence signs to local environmental variables related to relief, vegetation and human impact using the Maximum Entropy Species Distribution Model (MaxEnt). Feeding habits were investigated by direct examination of chimpanzee faeces, and tool use was documented by observation and measurement of tools in situ. The reserve is home to up to 83 chimpanzees. Signs of chimpanzee activity were significantly higher in mature forest than in secondary forest, and above 1000 m than below 1000 m. Hunting was the main threat to chimpanzees, and the occurrence of chimpanzee signs decreased significantly with increasing human activity. Chimpanzees preferred tall, mature forest trees at higher elevations with slopes for nesting, and avoided areas near villages and bare land. Only 8% of the study area was suitable chimpanzee habitat. Fruit dominated the chimpanzees' diet, but they also consumed leaves and fruit pith, especially during the dry season. There was also indirect evidence that chimpanzees used tools to consume driver ants (genus Dorylus). Seasonality significantly affected the size of tools used by chimpanzees for driver ant predation. They preferred to use thicker and shorter tools for driver ant predation during the rainy season, whereas longer and thinner tools were used during the dry season. The results of this research highlight the need to reduce poaching and deforestation to protect the remaining chimpanzee population and suitable habitat in the reserve and surrounding unprotected forest. High-elevation and mature forests are critical for chimpanzee conservation and should be a high priority for protection. This research has filled the knowledge gap on what little was known about the abundance and ecology of Nigeria-Cameroon chimpanzees.
Die Statistik zu Cybercrime-Straftaten zeigt auch nach der Covid-19-Pandemie keine Abnahme. Die fortwährende Präsenz von IT-bezogenen Delikten im Bundeslagebild Cybercrime des Bundeskriminalamtes unterstreicht die anhaltende Bedeutung der Verfolgung von Cyber-Straftaten für die allgemeine Kriminalitätsbekämpfung. Die Verfolgung von Cybercrime ist entscheidend für die Sicherheit von Bürgern, Unternehmen und Institutionen in Deutschland. Die steigende Anzahl von Cybercrime-Delikten steht im Kontrast zu einer stagnierenden Aufklärungsquote. Dies erfordert neue Herangehensweisen bei der Bearbeitung dieser Delikte. Daher wurde in dieser Arbeit eine grundlegende Methode entwickelt, die den spezifischen Anforderungen von Cybercrime-Delikten gerecht wird. Um eine geeignete Methode für die Bearbeitung von Cybercrime-Delikten zu entwickeln, wurden nicht-behördliche Methoden zur Bewältigung von Sicherheitsvorfällen analysiert. Dazu gehören computerforensische Ablaufmodelle, Bedrohungsmodelle und Frameworks für IT-Ermittlungen. Gleichzeitig wurden kriminalistische Prozesse betrachtet, die in der Bewältigung kriminalpolizeilicher Lagen Anwendung finden. Dies umfasst Methoden der kriminalistischen Fallanalyse, Versions- und Hypothesenerstellung sowie Untersuchungsplanung, unterstützt durch Kriterienkataloge. Das Ziel dieser Arbeit stellt die Entwicklung einer geeigneten Methode für die kriminalpolizeiliche Untersuchung von Cybercrime-Delikten durch die Verschmelzung von Methoden der Sicherheitsvorfallbehandlung und der kriminalpolizeilichen Lagebewältigung dar. Das entstandene KFA-Prozessmodell ermöglicht die Bewertung und Analyse von Sachverhaltsinformationen anhand eines eigenen Kriterienkatalogs, bildet die Grundlage für Synthese und Untersuchungsplanung und wurde an realen Fallakten evaluiert. Zusätzlich wurde eine eigene Beschreibungssprache in Form der KFA-Taxonomie entwickelt, die die Einordnung, Beschreibung und Vergleichbarkeit von Cybercrime-Delikten ermöglicht. Abschließend befasst sich diese Arbeit mit der Umsetzung der theoretischen Grundlagen in Form von Lehrinhalten für die breite Nutzung in Ausbildungen im Bereich Cybercrime. Dazu wurden verschiedene Szenarien entwickelt, die die Anwendung des KFA-Prozessmodells, seines Kriterienkatalogs sowie die Umsetzung der KFA-Taxonomie anhand verschiedener Cybercrime-Delikte in praktischen Übungen demonstrieren. Das KFA-Prozessmodell richtet sich an Ermittler der Cybercrime-Kommissariate und -Dezernate der Kriminalpolizei. Es bietet eine strukturierte Methode für die kriminalpolizeiliche Arbeit, erläutert den kriminalistischen Hintergrund von Delikten und ist auch ohne Vorkenntnisse im Bereich der Kriminalistik anwendbar. Diese Arbeit ermöglicht zudem Unternehmensermittlern die Integration kriminalistischer Methoden in die Sicherheitsvorfallbehandlung und verbessert die Untersuchung von Cybercrime in Unternehmensbereichen.
Die bundespolitischen Rahmenbedingungen haben sich mit Blick auf den Ausbau der erneuerbaren Energien konkretisiert. Bis 2027 sind die Bundesländer verpflich-tet, 1,4% der Bundesfläche für Windenergie auszuweisen, bis 2032 sollen es 2% sein. Akzeptanz ist ein zentraler Faktor für eine breite gesellschaftliche Zustimmung zur Energiewende. Finanzielle Beteiligung ist eine Möglichkeit, um die lokale Ak-zeptanz in Standort- und Anrainerkommunen zu stärken. Mecklenburg-Vorpommern und Brandenburg haben Landesregelung zur ver-pflichtenden finanziellen Beteiligung and Windenergieanlagen geschaffen. Die ersten Erfahrungen mit den Landesgesetzen, die durch Expert*inneninterviews er-hoben wurden, deuten darauf hin, dass die Verpflichtung zur finanziellen Beteili-gung in beiden Bundesländern merkbar zu einer Steigerung der Akzeptanz von Windenergieanlagen beigetragen hat. Das Bürger- und Gemeindenbeteiligungsge-setz aus Mecklenburg-Vorpommern (BüGemBeteilG M-V) ist vom Bundesverfas-sungsgericht als zulässig erachtet worden. Damit existiert eine „Blaupause“ für eine rechtssichere Landesregelung. Entscheiden sich die Gemeinden für eine Investiti-onsbeteiligung, dann sind für sie vergleichsweise hohe Renditen bei niedrigem In-vestitionsrisiko zu erwarten. Allerdings können Investitionsoptionen Disparitäten insbesondere in sozial-ökonomisch weniger prosperierenden Regionen verstärken. Das Brandenburger Windenergieanlagenabgabegesetz (BbgWindAbgG) liefert planbare Einnahmen für die Kommunen, ist einfach umzusetzen und bietet allen Gemeinden die gleichen Wertschöpfungsmöglichkeiten, die allerdings eher gerin-ger ausfallen, als bei der Beteiligung nach BüGemBeteilG M-V. Finanzielle Beteili-gung ist ein wichtiger Baustein zur Erhöhung der Akzeptanz, er ist allerdings nur ein Element von mehreren für eine gesellschaftlich getragene und lokal akzeptierte Energiewende. Neben einem klaren und einmütigen landespolitischen Bekenntnis, transparenter Kommunikation und umfassender Planungsbeteiligung, ist die Wert-schöpfung für Standort- und Anrainergemeinden von erneuerbarer Energieerzeu-gung wichtig. Gemeinden müssen befähigt werden, informierte Entscheidungen im Sinne des gemeindlichen Gemeinwohls treffen zu können, insbesondere mit Blick auf komplexe Sachverhalte wie sie der Energiewende eigen sind. Hierfür sind bera-tende und vernetzende Akteure, wie eine gut ausgestattete Landesenergieagentur ebenso zentral wie die Unterstützung auf landespolitischer Ebene.
Physics-informed neural networks (PINN) are machine-learning methods that have been proved to be very successful and effective for solving governing equations of fluid flow. In this work we develop a robust and efficient model within this framework and apply it to a series of two-dimensional three-component (2D3C) stereo particle-image velocimetry datasets, to reconstruct the mean velocity field and correct measurements errors in the data. Within this framework, the PINNsbased model solves the Reynolds-averaged-Navier-Stokes (RANS) equations for zeropressure-gradient turbulent boundary layer (ZPGTBL) without a prior assumption and only taking the data at the PIV domain boundaries. The TBL data has different flow conditions upstream of the measurement location due to the effect of an applied flow control via uniform blowing. The developed PINN model is very robust, adaptable and independent of the upstream flow conditions due to different rates of wall-normal blowing while predicting the mean velocity quantities simultaneously. Hence, this approach enables improving the mean-flow quantities by reducing errors in the PIV data. For comparison, a similar analysis has been applied to numerical data obtained from a spatially-developing ZPGTBL and an adverse-pressure-gradient (APG) TBL over a NACA4412 airfoil geometry. The PINNs-predicted results have less than 1% error in the streamwise velocity and are in excellent agreement with the reference data. This shows that PINNs has potential applicability to shear-driven turbulent flows with different flow histories, which includes experiments and numerical simulations for predicting high-fidelity data.