SrTiO3 unter Einfluss von Temperatur und elektrischem Feld

Die Realstruktur des perowskitischen Modellsystems SrTiO3, welches in der Raumgruppe Pm-3m kristallisiert, wird durch die Sauerstoffvakanz als wichtigstem Defekt dominiert. Durch Temperaturbehandlung unter reduzierenden Bedingungen können Sauerstoffvakanzen in die Kristallstruktur eingebracht werden. Aufgrund ihrer positiven Ladung relativ zum Kristallgitter bewegen sie sich im elektrischen Feld entlang des TiO6-Oktaedernetzwerkes. Die Elektroformierung folgt dabei einem Arrheniuszusammenhang, wobei sowohl die Aktivierungsenergie als auch die Mobilität eine deutliche Abhängigkeit von der Kristallorientierung zeigen. Die Umverteilung der Sauerstoffvakanzen führt zu lokalen reversiblen Strukturänderungen, welche die Ausbildung einer neuen migrationsinduzierten feldstabilisierten polaren (MFP) Phase verursachen. In Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zeichnet sie sich strukturell durch eine tetragonale Verzerrung der ursprünglich kubischen Elementarzelle aus und geht mit dem Verlust der Inversionssymmetrie einher. Die Polarisation in der Struktur wird durch die erwiesene Pyroelektrizität bestätigt und gilt als Grundlage, um anhand eines kristallographischen Symmetrieabstieges die Herleitung der Raumgruppe P4mm zu ermöglichen. Der durch die Migration hervorgerufene intrinsische Defektkonzentrationsgradient ruft eine elektromotorische Kraft hervor, deren Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher experimentell nachgewiesen wurde. Diese neuen Funktionalitäten sind durch die Anwendung defektchemischer und kristallphysikalischer Konzepte infolge gezielter Materialmodifizierung unter Einfluss von Temperatur und elektrischem Feld zu verstehen.The real structure of the perovskite-type model system SrTiO3, crystallizing in space group Pm-3m, is dominated by oxygen vacancies as most important defects. They are introduced in the crystal structure through heat-treatment under reducing conditions. Because of their positive charge relative to the crystal lattice, oxygen vacancies move in an electric field along the TiO6 octahedron network. This electroformation process follows an Arrhenius behavior. Both the activation energy and the mobility show an obvious dependence on the crystal orientation. Redistribution of oxygen defects causes local reversible structural changes, which involve the formation of a migration-induced field-stabilized polar (MFP) phase. In dependence on the electric field strength, this is structurally marked by a tetragonal distortion of the original cubic unit cell and accompanied by a loss of inversion symmetry. The polarisation in the crystal structure is confirmed by the proven pyroelectricity and serves for the argumentation to derive the space group P4mm by means of a crystallographic symmetry descent. The migration-induced intrinsic concentration gradient of oxygen vacancies leads to an electromotive force, whose application as electrochemical energy storage was proven experimentally. These new functionalities are explainable using defect chemistry and crystal physics in consequence of specific material modifications under the influence of temperature and external electric fields

Ein Framework für ProSA

ProSA ist ein Werkzeug zum Forschungsdatenmanagement, das größtenteils auf dem Papier, aber noch nicht in einer praktischen Implementierung vorliegt. Das Werkzeug soll Forschungsergebnisse reproduzierbar machen, indem es die minimale Teildatenbank berechnet, die mit dem Forschungsergebnis veröffentlicht, und mit dem dieses Ergebnis dann reproduziert werden kann. Neben der Reduzierung des Speicherbedarfs durch die Minimierung wird von ProSA auch eine Anonymisierung vorgenommen, um dem Datenschutz gerecht zu werden und sensible Daten zu maskieren. Die einzelnen Ideen und Komponenten für ProSA wurden im Laufe der letzten Jahre in verschiedenen Projektgruppen und Abschlussarbeiten relativ unabhängig voneinander entwickelt. Ziel dieser Arbeit ist nun die Zusammensetzung dieser Komponenten zu einem vollständigen Gesamtgerüst, sodass die vorgesehene Pipeline von der Eingabe einer SQL-Anfrage bis hin zur letztendlichen Ausgabe einer minimalen, anonymisierten Teildatenbank durchlaufen werden kann. Des Weiteren betrifft eine größere Teilaufgabe den "Provenancer", eine Komponente zur Behebung von verfahrensbedingtem Informationsverlust in der minimalen Teildatenbank, welcher durch Einarbeitung von sogenannten Provenance-Informationen ausgeglichen werden kann. Vom Provenancer gab es schon eine eigenständige, aber inzwischen veraltete und im ProSA-Kontext inkompatible Version, die in dieser Arbeit neu konzipiert und implementiert wird. Weiterhin werden in Zusammenarbeit mit den Entwicklern an anderen Komponenten die Menge von unterstützten Anfragen um solche mit Aggregatfunktionen erweitert. Zusätzliche Qualitätsanforderungen an diese Arbeit sind dem Bereich der Softwaretechnik anzuordnen: das entwickelte Rahmengerüst soll natürlich leicht erweiterbar, modular, verständlich, effzient und gut dokumentiert sein

Charakterisierung von funktionellen Metalloxidgrenzflächen mittels Röntgenmethoden und Elektronenmikroskopie

Grenzflächen von Übergangsmetalloxiden in Halbleiterbauelementen bestimmen die Funktionalität auf vielfältige Art und Weise. In dieser Arbeit werden die Nb2O5|Metall- (Metall = Al, Ti, Pt), die TiN|TiO2- und die Si|SrTiO3-Grenzfläche mittels röntgenographischer Methoden sowie der Transmissionselektronenmikroskopie hinsichtlich ihrer Defektchemie, kristallographischen Anpassung und thermischen Stabilität untersucht. Die lokale elektronische Analyse der Nb2O5|Ti- sowie Nb2O5|Al-Grenzfläche zeigt die Ausbildung eines Sauerstoffleerstellengradienten im Nb2O5 durch die Oxidation der unedlen Elektrode. Der elektrische Widerstand dieser beiden Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Stapel mit Pt-Bodenelektrode kann reversibel geschalten werden. Diese experimentellen Befunde lassen sich direkt miteinander verknüpfen, da an der Nb2O5|Pt-Grenzfläche weder eine Redoxreaktion stattfindet, noch im Pt|Nb2O5|Pt-Stapel der Widerstand geschaltet werden kann. MIM-Stapel bestehend aus TiN, TiO2 und Au weisen zwar Schaltverhalten des elektrischen Widerstandes auf, lassen aber keine Abweichung der Stöchiometrie im Transmissionselektronenmikroskop erkennen. Die strukturellen Betrachtungen der TiN|TiO2-Grenzfläche verdeutlichen, dass bei der Heteroepitaxie das Aufwachsen der thermodynamisch stabileren TiO2-Modifikation unterdrückt wird, insofern das Substrat eine geeignete kristallographische Orientierung aufweist. So kristallisiert Anatas, eher als Rutil, auf der (001)-Oberfläche des TiN mit einer festen Orientierungsbeziehung. Die thermische Stabilität der Si|SrTiO3-Grenzfläche hängt hingegen stark von der Kationenstöchiometrie des ternären Perowskites ab. Für die Kristallisation der amorphen SrTiO3-Dünnschichten ergibt sich eine Korrelation zwischen der Einsatztemperatur und der Schichtabscheidemethode.Interfaces of transition metal oxides in semiconductor devices determine their functionalities in a variety of ways. In this work Nb2O5|metal- (metal = Al, Ti, Pt), TiN|TiO2- and Si|SrTiO3-interfaces are investigated by means of X-ray-based methods and transmission electron microscopy with respect to their defect chemistry, crystallographic orientation and thermal stability. From local electronic analysis of the Nb2O5|Ti- as well as Nb2O5|Al-interface the formation of an oxygen vacancy gradient in the Nb2O5 caused by an oxidation of the ignoble electrode can be inferred. The electrical resistance of both types of metal-insulator-metal-(MIM)-stacks, containing a Pt bottom electrode, can be switched reversibly. These experimental findings are directly linked to each other, since at the Nb2O5|Pt-interface no redox reaction based oxygen redistribution takes place and the Pt|Nb2O5|Pt-stack reveals no switching behavior. Using MIM-stacks consisting of TiN, TiO2 und Au switching the electrical resistance is possible, but no stoichiometric deviation was observed in the transmission electron microscope. Structural considerations at the TiN|TiO2-interface clarify that hetero-epitaxy can suppress the growth of the thermodynamically stable TiO2-modification due to suitable crystallographic orientation of the TiN-substrate. Thus, anatase, rather than rutile, crystallizes on the (001)-TiN-surface with a fixed structural coherency. The thermal stability of the Si|SrTiO3-interface strongly depends on the cation stoichiometry of the ternary perovskite. Therefore, crystallization onset temperature correlates to the specific technique of thin film deposition

Crystallization dynamics and interface stability of strontium titanate thin films on silicon

Different physical vapor deposition methods have been used to fabricate strontium titanate thin films. Within the binary phase diagram of SrO and TiO2 the stoichiometry ranges from Ti rich to Sr rich, respectively. The crystallization of these amorphous SrTiO3 layers is investigated by in situ grazing-incidence X-ray diffraction using synchrotron radiation. The crystallization dynamics and evolution of the lattice constants as well as crystallite sizes of the SrTiO3 layers were determined for temperatures up to 1223 K under atmospheric conditions applying different heating rates. At approximately 473 K, crystallization of perovskite-type SrTiO3 is initiated for Sr-rich electron beam evaporated layers, whereas Sr-depleted sputter-deposited thin films crystallize at 739 K. During annealing, a significant diffusion of Si from the substrate into the SrTiO3 layers occurs in the case of Sr-rich composition. This leads to the formation of secondary silicate phases which are observed by X-ray diffraction, transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy

Qualitätssicherung für ChaTEAU

Im Sommersemester 2021 im Modul KSWS hatten wir als Gruppe 3 als Oberthema die Qualitätssicherung des Programms ChaTEAU. Die Aufgabe bezog sich auf das Programm aus Sicht eines Programmierers und umfasste deshalb, den Quellcode des Programms durchzusehen und hinsichtlich Benutzbarkeit, Verständlichkeit und Erweiterbarkeit zu überprüfen, die Funktionalität der Anwendung zu testen und gegebenenfalls zu überarbeiten oder reparieren, sowie eine Dokumentation zu erstellen. Begleitend gab es einen Vorlesungsteil, der die mit ChaTEAU umgesetzten theoretischen Grundlagen behandelte. Wir nutzen für die Arbeit das GitLab der IEF, wo die Änderungen auf Code-Ebene einsehbar sind und die Diagramme in voller Auflösung vorliegen. Die Ergebnisse unserer Arbeit werden in diesem Bericht festgehalten

Improving 3D convolutional neural network comprehensibility via interactive visualization of relevance maps: Evaluation in Alzheimer's disease

Background: Although convolutional neural networks (CNN) achieve high diagnostic accuracy for detecting Alzheimer's disease (AD) dementia based on magnetic resonance imaging (MRI) scans, they are not yet applied in clinical routine. One important reason for this is a lack of model comprehensibility. Recently developed visualization methods for deriving CNN relevance maps may help to fill this gap. We investigated whether models with higher accuracy also rely more on discriminative brain regions predefined by prior knowledge. Methods: We trained a CNN for the detection of AD in N=663 T1-weighted MRI scans of patients with dementia and amnestic mild cognitive impairment (MCI) and verified the accuracy of the models via cross-validation and in three independent samples including N=1655 cases. We evaluated the association of relevance scores and hippocampus volume to validate the clinical utility of this approach. To improve model comprehensibility, we implemented an interactive visualization of 3D CNN relevance maps. Results: Across three independent datasets, group separation showed high accuracy for AD dementia vs. controls (AUC$\geq$0.92) and moderate accuracy for MCI vs. controls (AUC$\approx$0.75). Relevance maps indicated that hippocampal atrophy was considered as the most informative factor for AD detection, with additional contributions from atrophy in other cortical and subcortical regions. Relevance scores within the hippocampus were highly correlated with hippocampal volumes (Pearson's r$\approx$-0.86, p<0.001). Conclusion: The relevance maps highlighted atrophy in regions that we had hypothesized a priori. This strengthens the comprehensibility of the CNN models, which were trained in a purely data-driven manner based on the scans and diagnosis labels.Comment: 24 pages, 9 figures/tables, supplementary material, source code available on GitHu

Improving 3D convolutional neural network comprehensibility via interactive visualization of relevance maps: evaluation in Alzheimer’s disease

Background: Although convolutional neural networks (CNNs) achieve high diagnostic accuracy for detecting Alzheimer’s disease (AD) dementia based on magnetic resonance imaging (MRI) scans, they are not yet applied in clinical routine. One important reason for this is a lack of model comprehensibility. Recently developed visualization methods for deriving CNN relevance maps may help to fill this gap as they allow the visualization of key input image features that drive the decision of the model. We investigated whether models with higher accuracy also rely more on discriminative brain regions predefined by prior knowledge. Methods: We trained a CNN for the detection of AD in N = 663 T1-weighted MRI scans of patients with dementia and amnestic mild cognitive impairment (MCI) and verified the accuracy of the models via cross-validation and in three independent samples including in total N = 1655 cases. We evaluated the association of relevance scores and hippocampus volume to validate the clinical utility of this approach. To improve model comprehensibility, we implemented an interactive visualization of 3D CNN relevance maps, thereby allowing intuitive model inspection. Results: Across the three independent datasets, group separation showed high accuracy for AD dementia versus controls (AUC ≥ 0.91) and moderate accuracy for amnestic MCI versus controls (AUC ≈ 0.74). Relevance maps indicated that hippocampal atrophy was considered the most informative factor for AD detection, with additional contributions from atrophy in other cortical and subcortical regions. Relevance scores within the hippocampus were highly correlated with hippocampal volumes (Pearson’s r ≈ −0.86, p < 0.001). Conclusion: The relevance maps highlighted atrophy in regions that we had hypothesized a priori. This strengthens the comprehensibility of the CNN models, which were trained in a purely data-driven manner based on the scans and diagnosis labels. The high hippocampus relevance scores as well as the high performance achieved in independent samples support the validity of the CNN models in the detection of AD-related MRI abnormalities. The presented data-driven and hypothesis-free CNN modeling approach might provide a useful tool to automatically derive discriminative features for complex diagnostic tasks where clear clinical criteria are still missing, for instance for the differential diagnosis between various types of dementia