621 Angewandte Physik
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Mobile communication is rapidly growing. Increasing demands on capacity and bandwidth have to be addressed by future developments. This means higher signal requirements and bandwidth for transceivers in mobile basestations. Transceivers are the component with highest power consumption in a basestation. Especially analog components show different impairments and nonideal behavior with negative effects on energy efficiency and signal integrity. These effects can be analyzed and mathematically described to build a specific digital signal processing algorithm, which mitigates certain effects. This work treats impairments from machine learning perspective. IQ Imbalance of modulators as well as power amplifier nonlinearities are representive impairments with significant influence on the signal quality. These effects are trained to artificial neural networks (ANNs) for digital impairment mitigation. Furthermore it is shown that the ANNs are able to model different impairment effects with a single network and can be simply enhanced by further input parameters to mitigate dynamic effects. Physically inspired modeling of long term memory effects like thermal memory and charge trapping are a special focus of this work.
Mit der Reduzierung ihrer äußeren Abmessungen auf die Größenordnung von wenigen Mikrometern kommt es zu einer systemischen Versprödung metallischer Bauelemente. Dieser nachteilige Größeneffekt stellt eine Herausforderung für die Gestaltung mikroelektromechanischer Systeme dar und beschränkt die Zuverlässigkeit flexibler Elektronik. Er ist eine Folge der Inhomogenität versetzungsbasierter Gleitung, die in niedrigdimensionalen Strukturen wie Dünnschichten und Mikrodrähten geringeren Einschränkungen unterliegt als in makroskopischen Volumenmaterialien. In den letzten Jahren haben wissenschaftliche Studien jedoch verdeutlicht, dass auch Korngrenzen als Vermittler plastischer Dehnungen agieren. Gerade in nanoskaligen Systemen, die aufgrund der geometrischen Einschränkung eine oft erhöhte Grenzflächendichte aufweisen, gewinnt der Einfluss von Korngrenzen an Bedeutung. Bislang ist allerdings unklar wie sich der kristallographische Aufbau und die Lage von Korngrenzen auf die Dehnungstoleranz niedrigdimensionaler Metallstrukturen auswirken. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das generelle Verständnis von korngrenzenvermittelter Plastizität zu verbessern und mittels mikromechanischer Verformungsexperimente zu prüfen, wie sich der gezielte Einbau von Korngrenzen dazu nutzen lässt die geometrische Stabiltät metallischer Kleinststrukturen zu erhöhen.
Um eine in situ Analyse des plastischen Verhaltens von Korngrenzen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zu ermöglichen wurde eine neue Methode zur Präparation präzise definierter freistehender Dünnschichtzugproben entwickelt. Diese basiert auf einer Kombination von fokussierter Ionenstrahlbearbeitung und Elektronenstrahl-unterstütztem Ätzen unter Xenondifluorid Präkursorgasatmosphäre. Die Verwendung dünner Silizium-Membransubstrate sorgt für eine mechanische Stabilisierung der Proben und schützt die zu untersuchenden Messlängen durchweg vor Ionenbombardement. In die Probenstruktur integrierte Verschiebungsindikatoren erlaubten eine Driftkorrektur der Verschiebungsmessung mittels digitaler Bildkorrelation. Diese wurde verwendet, um quantitative Zugversuche über ein breites Spektrum von Dehnraten durchzuführen.
Die entwickelte Versuchsmethode wurde eingesetzt um das mechanische Verhalten von Großwinkel-Kippkorngrenzen in ultradünnen Goldfilmen zu untersuchen. Mit plastischen Gleichmaßdehnungen von bis zu 10% demonstriert dieses nur 30 nm dicke Dünnschichtmaterial eine außergewöhnlich hohe Dehnungstoleranz, die durch eine ausgeprägte Dehnratenempfindlichkeit der Fließspannung befördert wird. Auf Grundlage der in situ TEM Beobachtungen wird diese Dehnratenempfindlichkeit auf ein Wechselspiel von scherungsgekoppelter Korngrenzenwanderung und Korngrenzengleiten zurückgeführt. Beide Phänomene werden als Ausprägungen intergranularer Versetzungsaktivität interpretiert. Zusätzlich zur hohen Dehnratenempfindlichkeit wird die geometrische Stabilität der Proben durch eine Kombination von kolumnarer Kornmorphologie und nahezu idealer ⟨111⟩ Fasertextur begünstigt. Unter diesen mikrostrukturellen Veraussetzungen werden Scherungen quer zu Schichtausdehnung effektiv minimiert. Die Einschnürung der Probe wird somit verzögert.
Die Analyse der von allgemeinen Großwinkelkippkorngrenzen dominierten Goldfilme wird durch eine Betrachtung kohärenter Zwillingsgrenzen erweitert. Hierzu wurden Druckversuche an Mikrobikristallen aus Kupfer und α-Messing durchgeführt, die jeweils einzelne Zwillingsgrenzen kontrollierter Orientierung umfassten. Die Bikristallorientierungen wurden gezielt ausgewählt, um spezifische Versetzungsbewegungen in Relation zur Zwillingsgrenze zu aktivieren. Die Versuche bestätigen, dass kohärente Zwillingsgrenzen nur geringe Einschränkungen auf die Bewegung von Schraubenversetzungen ausüben, deren Burgers-Vektoren parallel zur Zwillingsebene liegen. Nicht-Schraubenversetzungen mit zur Grenzfläche geneigten Burgersvektoren werden durch Zwillingsgrenzen hingegen effektiv blockiert. Die damit verbundene Versetzungsspeicherung führt zu einer signifikanten Erhöhung der Fließspannung und stabilisiert die Proben gegenüber lokalisierten Gleitbändern. Durch die selektive Hinderniswirkung der Zwillingsgrenzen stellt sich letztlich jedoch immer eine lokalisierte Scherung parallel zur Zwillingsebene ein. Verglichen mit allgemeinen Korngrenzen führt der Einbau von Zwillingsgrenzen daher zu einer Erhöhung der plastischen Anistropie und damit einer Reduzierung der geometrischen Stabilität niedrigdimensionaler Strukturen.
Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse werden schließlich drei Ansätze identifiziert, die allgemein zur einer Erhöhung der Dehnungstoleranz niedrigdimensionaler Metallstrukturen eingesetzt werden können.
Das System der elektrischen Energieversorgung fungiert als zentrales Element im Gefüge der kritischen Infrastrukturen, und ist damit für die Aufrechterhaltung der Kernprozesse unserer modernen Gesellschaft essenziell. Sein topologisch weiträumiger Zusammenbruch im Kontext eines Blackouts äußert sich in beträchtlichen negativen Auswirkungen auf die wirtschaftliche und humanitäre Konstitution der Gesellschaft. Die erfolgreiche Umsetzung des Netzwiederaufbaus spiegelt die einzige Lösung dieses Problems wider.
Die Wissensbasis um selbiges Verfahren existiert hierbei vornehmlich in Form von Netzwiederaufbauplänen und Strategiekonzepten, welche sich aus begründetem Anlass dem Zugriff der Öffentlichkeit entziehen. Jener eingeschränkte Wissenszugriff von Seiten der Allgemeinheit erschwert den im Rahmen des wissenschaftlichen Diskurses erarbeiteten Fortschritt innerhalb dieses Themengebietes.
Vor diesem Hintergrund verfolgt diese Arbeit zwei Ziele. Zum einen soll sie einen Einblick in die Methodik des Netzwiederaufbaus eröffnen und auf diesem Wege Transparenz hinsichtlich dessen strategischer Umsetzung schaffen. Dies gelingt anhand der Entwicklung eines echtzeitfähigen Netzwiederaufbausimulators, welcher zur Erarbeitung und Diskussion einer offenliegenden Wissensbasis eingesetzt wird, ohne dabei schützenswerte Informationen zu gefährden.
In ihrer zweiten Zielsetzung strebt diese Arbeit die Bereitstellung von vier schutztechnischen Verfahren an, welche die Systemsicherheit beim Netzwiederaufbau erhöhen und somit einen Beitrag zu dessen rascher und zuverlässiger Umsetzung liefern. Hierbei werden unterschiedliche Problemschwerpunkt adressiert.
Das entwickelte Protection Security Assessment System wird eingesetzt, um die Funktionsweise der installierten Schutztechnik während sämtlicher Etappen des Netzwiederaufbaus simulationsbasiert zu prüfen, die Schutzreaktion einer Bewertung zu unterziehen und dadurch die zielgerichtete Behebung identifizierter Schwachstellen zu ermöglichen. Der Problematik überlastbedingter Ausfallkaskaden soll durch das Verfahren des Proaktiven Überlastschutzes begegnet werden, um den Rückfall bereits wiederaufgebauter Teilsysteme in den Blackout zu verhindern. Zudem stützt ein neuartiges Verfahren zur Erkennung von Sympathetic-Transformer-Inrush-Ereignissen die Resilienz des Systems durch die Unterbindung unerwünschter Schutzüberfunktionen. Im Zuge der Transformation des Energiesystems verringert sich die Anzahl netzbildend wirkender Synchronmaschinen konventioneller Kraftwerke, wodurch die für den Netzwiederaufbau elementare Ressource der Bereitstellung von Spannungsreferenzsystemen schwindet. Abhilfe bietet hierbei die vorgestellte Orbitalraumregelung, durch welche die Umrichter von HGÜ-Kopfstationen und große Parks aus dezentralen Energieumwandlungsanlagen mit Speicherelementen als netzbildende Elemente mit ausgeprägtem Fokus auf den Aspekt der Systemstabilisierung fungieren.
White Etching Cracks (WECs) sind Schälungen oder Risse im Bereich der Laufbahnen von Wälzlagern, die in Verbindung mit irreversiblen Gefügeveränderungen auftreten. Die für das Schadensbild namensgebenden mikrostrukturellen Veränderungen treten im lichtmikroskopischen Schliff als weiß anätzende Phasen hervor. Da bis heute weder Auslöser noch Ursachen des Phänomens eindeutig identifiziert werden konnten, ist eine anhaltende wissenschaftliche Debatte um die Entstehungsmechanismen von WECs entbrannt.
Vor diesem Hintergrund besteht die vorrangige Zielsetzung dieser Arbeit in einer schmierstoffseitigen Betrachtung der Wirkmechanismen und Zusammenhänge in einem ölgeschmierten Wälzkontakt unter Betriebsbedingungen, die zum Ausfall durch WEC-Schäden führen können. Um dieses anspruchsvolle Vorhaben in der Praxis umzusetzen, wurde ein neues Prüfsystem konzipiert, das es unter Einsatz einer kontrollierten elektrischen Zusatzbelastung ermöglicht, WEC-Schäden ohne chemische Vorbehandlung der Wälzlager zu erzeugen. Gleichzeitig wurde erstmalig der Versuch unternommen, mittels in situ FTIR-Spektroskopie anhand geringfügiger Änderungen der Schmierstoff-chemie Rückschlüsse auf tribochemische Reaktionen im Wälzkontakt zu ziehen. Darüber hinaus wurde der Aufbau isolierend wirkender Grenzschichten anhand des resultierenden Spannungsverhaltens der Prüflager verfolgt, um durch die Kombination beider Techniken eine fundierte Beurteilung der tribochemischen Schichtauf-, -ab- und -umbauprozesse zu ermöglichen.
Bei der Auswahl, bei der Auslegung und beim Betrieb von DC/DC-Wandlern, welche an einem großen Eingangsspannungsverhältnis betrieben werden sollen, werden zusätzliche Überlegungen benötigt. Diese Forschungsarbeit erarbeitet anhand zweier Forschungsfragen und mittels neuer Methoden Lösungsansätze, um auf die Problemstellung eines weiten Eingangsspannungsbereichs reagieren zu können. Aus einer umfangreichen Darstellung des Standes der Wissenschaft und Technik werden neue Verfahren zur Auswahl, Bewertung und Auslegung speziell im Bezug auf einen großen Eingangsspannungsbereich erarbeitet. Über die detaillierte Beschreibung einer Topologie, besonders in Bezug auf Eingangsspannungsänderungen, folgt die Einführung dreier neuer Optimierungsmethoden, welche mittels eines neu eingeführten Bewertungskriterums verglichen werden. Hiermit konnte die sonst typische Verschlechterung des Wirkungsgrades beim Verlassen des Nennarbeitspunktes verbessert werden, wodurch ein DC/DC-Wandler für ein Eingangsspannungsverhältnis von bis zu elf realisiert werden konnte.
Dieser Wandler wurde abschließend mittels umfangreicher Gegenüberstellungen zu weiteren einstufigen Wandlern, zu zweistufigen Architekturen, zu einer strukurvarianten Topologie und zum Stand der Wissenschaft und Technik verglichen, wobei vergleichbare Effizienzen, aber geringere Schwankungen in der Effizienz bei veränderlicher Eingangsspannung realisiert werden konnten. Diese in dieser Arbeit gezeigten Ansätze und Untersuchungen wurden großteils allgemeingültig formuliert, sodass der Mehrwert für den interessierten Leser gegeben ist.
Nanoparticles (NPs) are widely investigated in academia as well as used in industry in many different applications like medicine or optoelectronics due to their unique size- and shape-dependent optical properties. This is because the performance of the final product depends not only on the chemical composition and surface properties, but also on the disperse properties of the NPs, i.e. particle size, shape and morphology. Even in case of an optimized synthesis, non-negligible dispersity in particle size distribution (PSD) of a few nm usually leads to a significantly reduced quality of the later product. Hence, a classification step after synthesis is inevitable to adjust the PSD according to the needs of the distinct application. Since most technically relevant methods for particle classification are restricted to particle sizes above 1 μm, liquid chromatography is a promising technique potentially applicable at industrial scale for the classification of NPs. Established for the separation of molecules, there are basically two types of separation mechanisms known in chromatography, i.e. interaction chromatography, while the material of interest is separated based on the interactions with the mobile and stationary phase. The second type of chromatography is size-exclusion chromatography (SEC). SEC is based on the size-dependent diffusion of NPs into the porous material of the stationary phase. However, the chromatographic separation of NPs is challenging compared to molecules, since NP ensembles are typically widely distributed in size and shape while their surface properties are often not sufficiently understood due to physi- and/or chemisorbed ligand species at the surface. Therefore, since now the separation of NPs by chromatographic techniques is only characterized qualitatively.
In this study, the classification of Au NPs and ZnS quantum dots (QDs) by liquid chromatography is investigated and characterized in a quantitative way using descriptors known from particle technology. To ensure the success of the separation, the interaction between NPs, mobile phase and stationary phase needs to be investigated, in particular since irreversible NP adsorption at the stationary phase would irreversibly block the chromatography column. Therefore, a standardized and objective routine for the determination of interaction parameters according to Hansen was developed to describe the stability and interaction of NPs in liquid surrounding media as well as with stationary phase materials. Noteworthy, so far the description of interactions by Hansen parameters and classification by liquid chromatography was already successfully implemented for molecules, but is still missing for particle systems. The developed method was applied for the model system carbon black (CB) and successfully transferred to SiO2 raspberry supraparticles. Hereby, the strength of the routine was demonstrated by resolving the surface modification of SiO2 raspberry supraparticles functionalized with different degrees of surface ligands. Afterwards, the method was applied to advanced semiconductor ZnO QDs with a particle size smaller than 5 nm. Hereby, in addition to samples prepared from the dry powder, the method was extended to characterize samples prepared from the wet pellet. The obtained results showed a very good reproducibility as well as a good resolution of the surface modification.
Afterwards, the quantitative description of NP classification by liquid chromatography was implemented using descriptors known from particle technology. First, a suitable stationary phase was identified by investigating the interactions of NPs and potential stationary phase materials. After identifying a suitable stationary phase, the adjustment of different cut sizes was demonstrated for differently sized Au NPs using a fraction collector. Hereby, descriptors known from particle technology were used for the first time in order to describe the classification of NPs by liquid chromatography in a quantitative way. Moreover, the potential of liquid chromatography for preparative separation of NPs was shown by tuning the PSD of sub-5 nm ZnS QDs exhibiting a very narrow size distribution. Lastly, the influence of process parameters, i.e. flow rate and switching time of the fraction collector, were investigated systematically and the results were evaluated quantitatively.
Hence, by using the methods developed in this thesis, the description of particle interactions is now possible, in order to design the surface properties of NPs and potential stationary phase materials for liquid chromatography. Furthermore, the liquid chromatography of NPs was described quantitatively paving the way to continuous separation of NPs smaller than 100 nm on industrial scale. Hence, knowledge-based adjustment of particle interfaces and PSDs is possible according to the need of the later application.
Autonome Fahrzeuge und Roboter, die sich rasant entwickeln, sind zwei Beispiele aus einer Reihe von technischen Innovationen, die im Kontext der Digitalisierung und Entwicklung autonomer Systeme eine hochpräzise und zuverlässige Lokalisierung benötigen.
Es existieren bereits diverse Systeme, die die Position eines Teilnehmers global oder lokal erfassen können.
Die Funklokalisierung ist eine verbreitete Technologie, die viele der Anforderungen dieser Anwendungsfälle erfüllt.
Bis heute gibt es jedoch keine Systemlösung, die universal sowohl im Innen- als auch im Außenbereich einsetzbar ist.
Diese Arbeit untersucht das Potenzial der Ultra-Breitband-Funktechnologie und zeigt, welche Chancen es für die gezeigten Anwendungsfälle eröffnet.
Die voranschreitende Technologiereife sowie die Verfügbarkeit von integrierten Funkmodulen begünstigt die Verbreitung von Ultra-Breitband-Funktechnologie.
Obwohl die Technologie bereits in kommerziellen Systemen für die Positionsbestimmung im Innenbereich verfügbar ist, fehlt eine Lösung für Anwendungsfälle im Außenbereich.
Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit ein neuartiges, patentiertes Ortungsverfahren vorgestellt, das trotz regulatorischer Einschränkungen den Betrieb im Außenbereich ermöglicht.
In dieser Arbeit wird ein neues mehrkanaliges Ultra-Breitband-Lokalisierungssystem vorgestellt, mit dem die zentimetergenaue Positionierung im Innen- und Außenbereich realisiert wird.
Hierfür wurde ein eigener mehrkanaliger Prototyp einer Ultra-Breitband-Basisstation entwickelt.
Mit dessen Hilfe ist es möglich, eine Winkelmessung durchzuführen.
Gleichzeitig untersucht die Arbeit, ob und inwieweit die Verwendung des Mehrkanalsystems bei häufig verwendeten Mess- und Ortungsverfahren die Messgenauigkeit beeinflusst.
Zunächst wird die Entscheidung sowohl für ein Funklokalisierungssystem als auch für die Ultra-Breitband-Technologie erläutert.
Anschließend wird das neue Mehrkanalkonzept für eine Ultra-Breitband-Empfangseinheit vorgestellt und die Richtungsmessung erprobt.
Darauf folgt die Beschreibung der Entwicklung einer integrierten Basisstation und die Analyse einer Lokalisierung mittels Ankunftszeitdifferenzverfahren sowie Richtungs- und Distanzmessung.
Zunächst werden die Untersuchungen im Innenraum durchgeführt.
Es wird gezeigt, dass die neuartige Verwendung mehrerer Funkmodule eine Steigerung der Ortungsgenauigkeit ermöglicht.
Anschließend wird die Systemlösung, bestehend aus einer Ultra-Breitband-basierten Lokalisierung in Kombination mit einer Inertialsensorik, erprobt.
Das Resultat zeigt, dass durch die Fusion zweier Informationsquellen die Ortungsgenauigkeit weiter gesteigert werden kann.
Im finalen Kapitel der Arbeit wird die Untersuchung des Systems hinsichtlich der anfangs erläuterten Anforderungen im Außenbereich präsentiert.
An dieser Stelle ist die Beschreibung des neuartigen und patentierten Lokalisierungsverfahrens zu finden, das zum Einsatz kam, um die regulatorischen Einschränkungen in diesem Szenario zu überwinden.
Hierbei konnte eine grundsätzliche Funktionalität nachgewiesen werden.
Zusammenfassend zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass eine zentimetergenaue Lokalisierung möglich ist und die Technologie die Anforderungen erfüllt.
Ultra-Breitband ist geeignet für eine präzise und aktuelle Messung der Position eines Transponders und bietet auch in Zukunft eine standardisierte und integrierte Lösung für autonome Systeme.
Up to date, the soot evolution process during hydrocarbon combustion is not fully understood. This fact basically derives from the simultaneous interplay of numerous chemical reactions linked to rapid changes, complex physical processes such as heat and mass transfer or agglomeration, and a required size of observation in the nanometric down to the atomic scale. Laser diagnostics in many cases provide high temporal and spatial resolutions and are therefore ideal to provide insight into different stages of the soot evolution process.
In this work, the further development of two in situ diagnostic techniques is described. On the one hand, broadband absorption spectroscopy is applied to investigate the early stages of soot formation. Here, polycyclic aromatic hydrocarbons are considered as precursor molecules responsible for the nucleation and growth of solid soot particles. They reveal a characteristic absorption behaviour in the ultraviolet wavelength range. With the compilation of a database of the individual compounds and a simplified energetic model to account for the elevated flame temperatures, it becomes thus feasible to measure a possible species distribution in situ. The technique is further applied to observe changes in the optical properties linked to the maturity of soot particles. A change in the fine structural arrangement of the soot particles similar to graphitization tends to decrease the optical band gap value, which can be derived from broadband absorption measurements. Additionally, the type of transition is inferred from the measurements indicating towards an indirect allowed transition for mature soot particles.
On the other hand, time-resolved laser-induced incandescence allows to determine the size of soot primary particles. Here, one challenge derives from the fact that these primary particles cluster to dendritic fractal-like aggregates and therefore heat conduction of particles in the centre is reduced by those surrounding them. Bayesian inference is used to investigate how much knowledge about the morphology of these aggregates is required to reliably estimate primary particle size distributions. Laser-induced incandescence is further combined with a tomographic approach to obtain 3D distributions of primary particle sizes. Here, the focus is set to the influence of periphery parameters such as the initial flame temperature or the laser profile on 3D particle sizing jointly for the first time.
This work thus builds a bridge from the initial stages of soot formation by the detection of precursor molecules to the determination of soot particle sizes as an important quantity to follow the evolution process.
Photovoltaics is a key technology for the reduction of greenhouse gas emissions. Beyond well-established silicon solar-cells, new promising technologies have been developed recently, in particular solution-processed organic and perovskite solar cells. However, the efficiency and lifetime of these devices still have to be improved in order to reach significant market shares.
One of the challenges for further optimization is to rationalize the impact of the processing conditions on the subtle nanomorphology forming during the fabrication of the photoactive layers. The process-structure relationship is namely still poorly understood, because the experimental assessment of the film structure is very challenging, and because this is a complex multiscale problem, involving kinetic, thermodynamic and chemical aspects, in a multimaterial mixture of variable composition. As a result, a theoretical model for this problem is still missing.
In this work, we propose an original coupled phase field - fluid mechanics theoretical framework gathering the main physical processes that drive the morphology formation of the photoactive layer for solution-processed photovoltaics. The considered phenomena are evaporation, liquid-liquid phase separation and coarsening, crystal nucleation, growth and coarsening in polycrystalline materials. The kinetic evolution of the investigated mixture is given by the Cahn-Hilliard-Cook, stochastic Allen-Cahn, as well as the mass conservation and momentum conservation equations. Furthermore, the strongly composition-dependent kinetic properties are taken into account.
The developed framework is applied to numerous, very different situations. This demonstrates its ability to handle various physical situations. First, the interaction of the crystallization process with spinodal decomposition is investigated in binary blend, showing how the size and morphology of the crystals depend on the relative speed of both processes. Second, the evaporation kinetics of multicomponent drying films is successfully simulated. Thereby, the role of the thermodynamic properties of the solution is highlighted. Third, the applicability of the model for the simulation of rough films, which is crucial for perovskite photoactive layers, is demonstrated. Fourth, the impact of the balance between diffusive and advective mass transport on the morphology development in immiscible system is highlighted. Fifth, the precipitation behaviour of a crystalline material in a solution is investigated, taking into account nucleation, growth, impingement and coarsening.
Finally, for the first time, simulations of the bulk heterojunction formation are performed for a real organic crystalline photoactive layer, and an excellent agreement between simulation results and numerous available experimental data are demonstrated. It is shown that the simulation tool can handle various morphology formation pathways, resulting in very different final morphologies depending on the process and material parameters.
This versatile framework can be used for investigations in the field of organic and perovskite photovoltaics and can in principle handle various processing steps. Therefore, broad studies on the material-process-structure relationship can be performed, so as to gain control over the process-structure relationship and to propose physics-based design rules for the fabrication process. Therefore, the results presented in this thesis hopefully represent the starting point of a fruitful contribution to the development of solution-processed solar cells.
Amorphe Kohlenstoffschichten vereinen eine niedrige Reibung im trockenen Kontakt gegen Stahl mit einem hohen Verschleißschutz. Ihr Eigenschaftsprofil ist eng mit dem chemisch-strukturellen Aufbau verknüpft und lässt sich durch die Prozessbedingungen während der Schichtabscheidung beeinflussen. Die vorliegende Dissertation leistet einen Beitrag zur gezielten Modifikation tribologischer Zustände mittels amorpher Kohlenstoffschichten im Hinblick auf ihre Anwendung als Werkzeugbeschichtung in Prozessen der Blechmassivumformung. Hierbei sollen die Schichten eine lokale Anpassung der Reibungsbedingungen ermöglichen, um den Materialfluss während der Umformung zu steuern. Auf diese Weise können die Bauteilqualität gesteigert und Prozesskräfte reduziert werden. Darüber hinaus werden Ansätze zur Steigerung der Verschleißbeständigkeit durch multilagige Schichtarchitekturen sowie zur Integration einer sensorischen Funktion zur Verschleißdetektion verfolgt.
Die Untersuchungen zeigen, dass die charakteristischen tribologischen Verhalten amorpher Kohlenstoffschichten durch Maskierungstechniken lokal zur Wirkung gebracht werden können, die Beanspruchbarkeit der lokal beschichteten Oberflächen jedoch teilweise begrenzt ist. Eine hohe Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit wird durch mehr- und multilagige Schichtarchitekturen aus wasserstoffhaltigen und wolfram- bzw. siliziumoxiddotierten amorphen Kohlenstoffschichten erzielt. Durch die Überwachung des elektrischen Widerstands eines sensorischen kohlenstoffbasierten Mehrlagenschichtsystems wird Schichtverschleiß detektierbar. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, zukünftig eine verlängerte und individuell ermittelbare Standzeit beschichteter Werkzeuge für die Blechmassivumformung zu ermöglichen.
Structure formation in finite confined space is fundamentally intriguing and technologically relevant. In this thesis, we investigate the self-assembly of spherical colloidal particles in spherical confinement. We first develop methods to equilibrate the crystalline colloidal clusters in droplet confinement. We then establish a framework of magic numbers to reveal the number – structure – property relationship for cluster sizes ranging from a few hundred to a few hundred thousand. We discuss the emergence of magic numbers associated with energy minimum cluster structures, the off-magic number structures with defect accumulations and the breakdown of magic numbers due to geometric constraints. In addition, we discuss formation pathways of colloidal clusters in icosahedral, decahedral and octahedral symmetry. We demonstrate the anisotropic structural color and its use in monitoring the dynamics of colloidal clusters in situ. At last, we investigate the mechanical properties of colloidal supraparticles under compression, preparing for future applications of such self-assembled particle-based materials.
Die Entwicklung verlustarmer Leistungselektronik ermöglicht effiziente Elektromobilität und regenerative Energiesysteme. Mit den neuen, leistungsfähigeren Halbleitermaterialien wachsen auch die Anforderungen an das in der Leistungselektronik eingesetzte Fügematerial. Das sog. Silbersintern löst durch seine hervorragenden Materialeigenschaften und hohe Beständigkeit konventionelle Weichlote in leistungselektronischen Modulen ab. Die Verwendung von hochwertigen Silberpartikeln als Fügematerial führt allerdings auch zu gesteigerten Kosten für Leistungselektronik. In dieser Arbeit werden Kupferpartikel als Substitut für Silber in einem Fügematerial für Leistungselektronik untersucht. Die Eigenschaften der im Drucksintern erzeugten kupfernen Verbindungsschichten werden beschrieben. Die Auswertung der gesinterten Gefügestruktur, elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, thermischen Ausdehnung und mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Plastizität sowie Kriechverhalten ermöglichen die Einordnung des Kupfer-Sintermaterials gegenüber bestehenden Fügetechnologien. Der Einfluss der Prozessfaktoren (Druck, Temperatur und Prozesszeit) auf die Eigenschaften der gesinterten Kupferverbindung wird dargelegt und erlaubt die Bewertung der industriellen Umsetzbarkeit anhand eines Prozessfenster. In Alterungstests sowie passiven und aktiven Zuverlässigkeitstests wird das Potential von Kupfer als Fügematerial für Leistungselektronik der Zukunft gezeigt.
Neue kommerziell verfügbare Halbleitermaterialien wie Siliciumkarbid (SiC) eröffnen, neben ihrer Anwendung in diskreten Leistungsschaltern, auch neue Einsatzmöglichkeiten für integrierte Schaltungen. Hierbei wird der SiC-CMOS Technologie, aufgrund der niedrigen intrinsischen Ladungsträgerkonzentration und der hohen kritischen Feldstärke von SiC, großes Potential zugesprochen. Mögliche Anwendungsbereiche sind unter anderem die Signalerfassung und -übertragung bei hohen Umgebungstemperaturen sowie die Integration von Steuer- und Überwachungselektronik in Leistungsschaltern. Für die zielgerichtete Entwicklung der Systeme und der Halbleitertechnologie stellen Kompaktmodelle für die Schaltungssimulation ein wichtiges Werkzeug dar. Bestehende Kompaktmodelle für SiC-MOSFETs, welche im Allgemeinen Modellen für Si-MOSFETs zugrunde liegen, weisen allerdings eine große Diskrepanz zwischen den Modellparametern und den entsprechenden technologischen Größen auf.
Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser Arbeit ein auf dem Oberflächenpotential basierendes Kompaktmodell entwickelt, das den physikalischen Einfluss der SiC-typischen Grenzflächendefekte auf die Strom-Spannungs-Beziehung von n-Kanal SiC-MOSFETs berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass zur Berechnung des Oberflächenpotentials die Newton-Methode aufgrund ihrer Robustheit und Effizienz im Vergleich zu anderen iterativen Verfahren am besten geeignet ist. Darüber hinaus wird anhand von analytischen Betrachtungen ein neuer Ansatz zur Beschreibung der Ladungsträgerverteilung entlang des MOSFET-Kanals hergeleitet. Dies ermöglicht den Einfluss der Grenzflächendefekte der Halbleiter-Isolator-Grenzschicht auf die Transfer- und Ausgangskennlinie effizient in einem Kompaktmodell abzubilden. Des Weiteren wird mittels Hall-Messungen und numerischen Simulationen gezeigt, dass das senkrecht zum Kanal wirkende elektrische Feld einen starken Einfluss auf die Coulombbeweglichkeit der Inversionsladungsträger von SiC n-MOSFETs hat. Dieser Einfluss wird ebenfalls im Kompaktmodell berücksichtigt. Das resultierende Modell beschreibt die Bulk-Source-Spannungsabhängigkeit der Gate-Kapazitäten und Strom-Spannungsbeziehungen bei Raumtemperatur sowie das Verhalten der Strom-Spannungs-Beziehung über einen Temperaturbereich von 25°C bis 300°C sehr gut. Die Besonderheit gegenüber bereits existierenden Modellen besteht darin, dass die Modellparameter in einer engen Beziehung zur Struktur des Bauelements und dessen Herstellungsprozess stehen. So können zum Beispiel die Modellparameter zur Beschreibung der Grenzflächenzustandsdichte aus den Ergebnissen von Hall-Messungen übernommen werden. Anhand der Optimierung eines Logikinverters wird demonstriert, dass es mit diesem Modell möglich ist, den Einfluss der Wannendotierung auf die elektrischen Eigenschaften einer integrierten SiC-Schaltung direkt im Schaltungssimulator zu untersuchen. Aufgrund der physikalischen Struktur kann darüber hinaus auch die Zunahme des Drainstroms bei einer oberflächennahen Kanalgegendotierung durch das Modell abgebildet und erklärt werden.
This study analyses trends in UHF spectrum use and demands by users of UHF spectrum. Thanks to availability of a large database that contains spectrum scans of a multitude of events over a large timespan, trends in availability of PMSE spectrum and PMSE use can be derived. Thereby conclusions are based on real world data from the field. A statistical modelling of available and used spectrum with PMSE is conducted. This allows for probabilistic conclusions when in future it will no longer be possible to use PMSE to an extend as initially planned. A shortage of PMSE frequencies at UHF is up on the horizon. When this scarcity becomes immanent is scientifically derived on the basis of stochastic considerations. As with earlier studies the role of technological advancements with PMSE, cellular and broadcast are discussed with respect to efficiency of spectrum use. Aside of technological trends there are also trends in society, like an increased awareness about inclusion, barrier-free access to events and remote participation, which are further drivers to larger PMSE use. Finally, this study will derive conclusions and derive recommendation towards Politicians, Regulation, Standardization, Mobile Network Operators and lastly PMSE and cellular equipment suppliers.
In dieser Arbeit wird die Machbarkeit der Wasserstoff (1H) Magnetresonanztomographie (MRT) mit ultrakurzen Echozeiten zur direkten Bildgebung von ultrakurzen T2*-Komponenten der weißen Hirnsubstanz bei 7 Tesla unter Verwendung der inversionsvorbereiteten Doppelechodifferenzbildgebung mit ultrakurzen Echozeiten (IR-Diff-UTE) demonstriert. Eigenschaften, Chancen und Limitationen dieser Methode werden bei dieser neuen Feldstärke untersucht: Auftretende Artefakte werden reduziert, MR Parameter in der weißen Hirnsubstanz quantifiziert und darauf basierend ein klinisch hochaufgelöstes Protokoll mit UTE Differenz- und Fraktionskontrast vorgestellt.
Die IR-Diff-UTE Technik unterdrückt lange T2*-Signale in der weißen Hirnsubstanz durch Verwendung einer adiabatischen Inversionsvorbereitung in Kombination mit Doppelechodifferenzbildgebung. Mittels Bloch-Simulationen wurde das entsprechende Signalverhalten aller relevanten Gewebekompartimente nachgebildet und analysiert. Artefakte, die bei 7T durch Einfaltungen und Verschmierungen langer T2*-Fettsignale aus der Kopfhaut entstehen, wurden reduziert indem die IR Zentralfrequenz so verschoben wurde, dass die betreffenden Frequenzbereiche ebenfalls invertiert wurden. An 8 gesunden Probanden wurden anschließend die T2*-Relaxationszeiten der weißen Hirnsubstanz in Kompartimenten quantifiziert. Darauf aufbauend wurden an 20 gesunden Probanden das Signal- und Kontrast-zu-Rausch Verhältnis (SNR/CNR), sowie die Artefaktunterdrückung als auch die Stabilität der IR-Diff-UTE Kontraste evaluiert. Schließlich wurde bei 6 an Multipler Sklerose (MS) erkrankten Patienten die Fähigkeit der Technik untersucht, krankheitsbedingte Signaländerungen anzuzeigen.
Das in dieser Arbeit verwendete 7 Tesla MRT System ermöglichte UTE Messungen im Gehirn mit einer Totzeit von 30 μs. Wirbelstromeffekte nullter Ordnung wurden als vernachlässigbar charakterisiert (Δ < 15°), lineare Beiträge traten besonders auf der x- und y-Gradientenachse auf (Δ < 6m−1) und mussten retrospektiv korrigiert werden. An Messphantomen wurden die vorgeschlagenen Studien zunächst als geeignet für die in vivo Anwendungen verifiziert. Eine optimale IR Unterdrückung der langen T2*-Komponenten in der weißen Hirnsubstanz wurde bei TR = 1500 ms für TI = 430 ms im vorgeschlagenen Quantifizierungsprotokoll und für TI = 465 ms im klinischen Protokoll gefunden. Durch Simulationen und Probandenmessungen wurde aufgezeigt, dass eine Frequenzverschiebung des IR Pulses um −1,2 ppm (d.h. in Richtung der Fettfrequenzen) zu einer guten Unterdrückung der Fettartefakte führt. Damit konnte in der Quantifizierungsstudie ein ultrakurzes Kompartiment von (68 ± 6) % mit einer T2*-Zeit von (147 ± 58) μs und einer chemischen Verschiebung von (−3,6 ± 0,5) ppm von Wasser quantifiziert werden. In der klinischen Kontraststudie wurde für die weiße Hirnsubstanz gesunder Probanden ein stabiler ultrakurzer T2*-Fraktionskontrast von 0,57 ± 0,01 mit einer durchschnittlichen Standardabweichung von 0,20 ± 0,01 berechnet. Für den Differenzkontrast wurden SNRDiff = 4,7±1,1 und CNRDiff = 8,7±2,4 bestimmt. Bei den MS-Patienten wurde eine signifikante Reduktion der gemessenen ultrakurzen Fraktionswerte beobachtet, sowohl in den identifizierten Läsionen (−0,09 ± 0,09) als auch in der normal aussehenden weißen Substanz (0,54 ± 0,05).
Die im Rahmen dieser Arbeit gefundenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die in der weißen Hirnsubstanz gemessenen ultrakurzen T2*-Komponenten in erster Linie direkt aus dem Myelingewebe stammen. Die direkte IR-Diff-UTE Bildgebung von ultrakurzen T2*-Komponenten der weißen Substanz ist somit bei 7 Tesla artefaktfrei, mit hoher quantitativer Stabilität und guter Erkennung von Signalverlusten bei MS möglich.
Modern particle technology is strongly focused on particle and nanoparticle systems with various applications, such as printable electronics or biomedical sensors. In product design, the physical properties of the particles, i.e. particle size, density or composition and in particular interparticle interactions define final macroscopic quantities of the particulate products. In this context, comprehensive characterization techniques are inevitable as synthesis and process protocols require continued optimization steps. For a holistic characterization of particle dispersions directly in fluid phase, a strong focus lies on fractionating techniques, in particular on a multi-dimensional sedimentation analysis. While analytical ultracentrifugation is well-established for the analysis of (biological) macromolecules and particle dispersions with high resolution and provides unique insight into interparticle interactions, analytical centrifugation has recently emerged as a fast and efficient table-top technique for high-precision characterization of particle dispersions. While the sedimentation analysis of model systems is well-established for analytical ultracentrifugation experiments, the full potential of analytical centrifugation must still be explored. Moreover, for technical dispersions, which are associated with high particle volume concentrations, concentration-driven non-ideality phenomena can be studied using analytical ultracentrifugation or analytical centrifugation. This provides a direct link to the determination of interparticle interactions of particle and nanoparticle dispersions. In this context, analytical centrifugation serves as a fast and efficient sample screening tool and provides access to the sedimentation properties as well as their concentration-driven effects with less experimental effort. The complex interplay between non-specific interparticle interactions and the effect of particle size and polydispersity on the sedimentation behavior needs to be fully understood to enable the development of targeted product design strategies.
This thesis focuses on a multi-dimensional sedimentation analysis of model systems as well as technical dispersions by analytical ultracentrifugation and analytical centrifugation. As technical dispersions are usually associated with moderate or high particle volume fractions, the effect of concentration-driven non-ideality phenomena must be understood. In this context, a comprehensive theoretical framework for the forward simulation of sedimentation data by means of Brownian dynamics simulations is established. It is shown how it is possible to accurately model sedimentation non-ideality, which is mainly influenced by the extent of interparticle interactions and solvent backflow. With the further implementation of a space-dependent diffusion coefficient, the simultaneous description of thermodynamic non-ideality and sedimentation non-ideality is possible. With this implementation at hand, the complex interplay of concentration non-ideality and the effect of solvent compressibility can be assessed. Finally, it was demonstrated how BD forward simulations can accurately mimic the sedimentation properties of a strongly interacting model system, namely lysozyme monomers at several charge states, that have been experimentally investigated by analytical ultracentrifugation experiments.
In this thesis, it is further demonstrated how the range of application for a two-dimensional sedimentation analysis of analytical centrifugation experiments can be calculated using the theoretical framework of Brownian dynamics forward simulations. This further requires the introduction of the dimensionless Peclet number, which relates the macroscopic sedimentation and diffusional flux. For Peclet numbers ranging from 0.7 to 30, it is possible to determine both, the sedimentation and diffusion coefficient of particle or nanoparticle dispersions from analytical centrifugation experiments. From an experimental point of view, a two-dimensional analysis of sedimentation data strongly relies on well-defined measurement conditions and a sector-shaped geometry of the measurement cell. Therefore, the development of new measurement cells with metal cell housings and sector-shaped centerpieces is demonstrated for analytical centrifugation experiments within this thesis. Consequently, acquired sedimentation data reveals that temperature gradients within these measurement cells are greatly reduced, which prevents temperature instabilities within measured sedimentation boundaries. Finally, core-shell properties of CTAB-stabilized gold nanoparticles are directly determined for the first time from a single analytical centrifugation experiment.
In the final part of this thesis, an experimental methodology for the determination of interparticle interactions from sedimentation analysis for particle dispersions with a low and moderate polydispersity in particle size is presented. First, Brownian dynamics forward simulations are applied in combination with auxiliary Lattice Boltzmann simulations to confirm the influence of sedimentation non-ideality on the sedimentation properties of particle dispersions with a low or moderate polydispersity. From an experimental point of view, the extent of sedimentation non-ideality can be assessed by means of the repulsion range, which is the ratio of the mean interparticle distance and the extent of electrostatic interactions, the Debye screening length. At low repulsion ranges, sedimentation non-ideality is mainly governed by solvent backflow. Technical silica dispersions behave in a monodisperse manner. However, for larger repulsion ranges, a significant influence of electrostatic interactions is visible in the sedimentation data. The measured extent of sedimentation non-ideality via analytical centrifugation of technical silica and polystyrene particle dispersions matches the theoretical predictions remarkably well.
In summary, this thesis demonstrates how a multi-dimensional sedimentation analysis provides comprehensive insight into particles’ properties, such as core and shell properties as well as interparticle interactions for model systems and technical dispersions, which is an important step towards using the full potential of targeted product design.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Konzeption und Optimierung von neuartigen Verfahren für die phasenbasierte Lokalisierung von UHF-RFID-Transpondern mit Hilfe von synthetischen Aperturen. Die entwickelten Verfahren können genutzt werden, um Prozesse der Logistik, des Einzelhandels oder der Produktion zu optimieren und zu automatisieren.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Verfahren zur hochgenauen 3D-Ortung von UHF-RFID-Tags mit planaren Aperturen, die von Roboterarmen oder mobilen Robotern durch Bewegung von Leseantennen erzeugt werden. Mit Hilfe von theoretischen Betrachtungen und einer für die Arbeit entwickelten Monte-Carlo-Simulationsumgebung, die ein Kanalmodell für mehrwegebehaftete Umgebungen nutzt, wurde der Lokalisierungsfehler verschiedener Lokalisierungsmethoden, die an die digitale Strahlformung angelehnt sind, untersucht. Die Betrachtungen liefern wichtiges Grundlagenwissen über die Abhängigkeit des mittleren Lokalisierungsfehlers von der Aperturgeometrie, der Mehrwegeintensität, dem verwendeten Sende- und Empfangsschema (z. B. MIMO) und der Position eines Tags relativ zur Apertur. Die durch Theorie und Simulation vorhergesagten Lokalisierungsfehler wurden durch Messungen verifiziert, wobei eine sehr gute mittlere Lokalisierungsgenauigkeit von 14 cm erreicht wurde. Es wurde außerdem gezeigt, wie sich die entwickelten Verfahren auf die Ortung von sich bewegenden Tags durch inverse synthetische Aperturen anwenden lassen.
Im zweiten Teil der Arbeit werden die gewonnenen Erkenntnisse genutzt, um ein 3D-UHF-RFID-Lokalisierungssystem zu entwickeln, welches auf der Bewegung einer MIMO-Gruppenantenne durch einen mobilen Roboter beruht. Das entwickelte System kann genutzt werden, um eine 3D-Objektkarte, z. B. von einer Einzelhandelsfläche mit getaggten Waren, zu erstellen. Die erreichbare mittlere Lokalisierungsgenauigkeit wurde durch Simulationen und Messungen mit einem für die Arbeit entwickelten RFID-Lokalisierungsroboter abgeschätzt und optimiert. Das Verfahren erreicht in den Messungen eine außergewöhnlich gute mittlere Genauigkeit von 2,5 cm.
Im letzten Teil der Arbeit wird erstmals in der Literatur ein Verfahren zur beschleunigungsbasierten Richtungsschätzung von UHF-RFID-Tags mit Hilfe eines Augmented-Reality-RFID-Handlesegeräts vorgestellt. Das Verfahren wertet Antennen- und Phasenbeschleunigungen aus, welche durch eine inertiale Messeinheit und ein RFID-Lesegerät ermittelt werden, um die Richtung zu einem Tag zu schätzen und diese dem Nutzer in einem Display anzuzeigen. Das Verfahren wurde auf einem für die Arbeit entwickelten Handlesegerät implementiert und durch Messungen der Genauigkeit verifiziert.
A non-invasive ultrasonic flow meter is studied for which the pipe remains unperforated and without obstructions in its interior. Elastic waves that are excited inside the pipe wall interact with the adjacent fluid to form quasi-guided waves. These can be either of leaky or trapped kind. The radiation of the leaky waves is exploited to insonify the pipe‘s interior. The quasi-guided waves are studied in-depth with particular emphasis on their radiation behavior. Highly reliable and efficient computational methods are developed for this purpose. The ultrasonic transit time in the flow meter is modeled systematically based on the aforementioned waves. Thereby, the effects of fluid flow and temperature are included explicitly in an analytical manner. Compared to conventional ultrasonic flow meters, we find that devices based on quasi-guided waves exhibit a strongly reduced cross-sensitivity to temperature, which is also confirmed experimentally. The developed analytical and numerical techniques enable a systematic optimization of such devices with regard to their temperature-dependent behavior, geometrical uncertainties, material aging, as well as scaling and deposition of other layers.
Das Materialsystem GaN auf Si verspricht die Verknüpfung der Vorteile eines Wide Bandgap Halbleiters mit den niedrigen Herstellungskosten von Si. So können High Electron Mobility Transistoren zum Beispiel auf Basis einer AlGaN/GaN-Heterostruktur als Ausgangspunkt kosteneffektiver und zugleich sehr energieeffizienter Leistungsschalter dienen. Die heteroepitaktische Herstellung bedingt jedoch hohe Materialdefektdichten, welche sich insbesondere in Form von Versetzungen und inversen Pyramidendefekten (V-pits) äußern. Der Einfluss dieser Defekte auf Bauelemente ist auf Grund der experimentell schwierigen Untersuchung jedoch nur sehr unzureichend bekannt und verstanden.
In dieser Arbeit wurde eine strukturelle und elektrische Charakterisierungsmethodik von Versetzungen und V-pits in GaN auf Si entwickelt und systematisch auf unterschiedliche Proben angewendet. Der Fokus lag dabei auf der direkten Korrelation mikrostruktureller und elektrischer Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewährung einer statistischen Relevanz der Ergebnisse. Dabei gelang es, charakteristische Versetzungsstrukturen und V-pits als Leckstrompfade durch das Material zu identifizieren und deren Auftreten mit Herstellungsparametern der Proben zu untersuchen. So stellte sich heraus, dass letztere eine essentielle Rolle hinsichtlich der elektrischen Aktivität von Versetzungen und des Auftretens von V-pits spielen. Zusätzlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich ihrer Relevanz für Bauelemente untersucht. Dabei konnte erstmalig der direkte Einfluss einzelner, elektrisch aktiver Versetzungen in GaN auf Si nachgewiesen werden. So bedingen sie eine Verschiebung der Einschaltspannung von Schottky-Dioden zu niedrigeren Werten, während V-pits eine starke Degradation der kritischen elektrischen Feldstärke des Materials nach sich ziehen. Die Arbeit leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Eigenschaften und Rolle dieser Defekte und damit zur technologischen Optimierung des Materialsystems.
The skin equivalent opto-/elastofluidic in-vitro microphysiological vascular models are prepared as the functional validation test charts to evaluate the correctness of the bio-optical measurements/imaging. The opto-/elastofluidic models are constructed with the TiO2/molecular dye insertions. The tissue equivalences to the cutaneous tissue of human are characterized. It is proved that these opto-/elastofluidics can withstand high liquid pressure up to 6 bar and high flow rate of 10 mL/min to allow the simulation of the real blood hydraulics. It is also proved that the in-vivo skin optical parameters μa and μ‘s of the human volunteers match the elastofluidic phantoms. The Young’s moduli E of the elastofluidic phantom matrices are manipulated to give the same reaction to the mechanical load as the real soft skin cutis. The speed of sound propagating through the PVCp matrices is tailored at 1350 to 1500 m/s, which approach that in the real tissue of about 1540 m/s. The diffuse optical biopsy is built to measure the optical path length factors of all major chromophores of the artificial hemoglobin dilutions included in the phantoms. For both oxy- and deoxygenated hemoglobin, the concentration dependencies of the optical path length factors are defined as fPf (Ct) ~ Ct-0.5. Preliminary human experiments are done on the suspicious spider nevi and the embedded nodule lesion, and prove the tissue equivalences of the microphysiological elastofluidic skin models.