Phonon Spectroscopy and Low-Dimensional Electron Systems: The Effect of Acoustic Anisotropy and Carrier Confinement

The generation and propagation of pulses of nonequilibrium acoustic phonons and their interaction with semiconductor nanostructures are investigated. Such studies can give unique information about the properties of low-dimensional electron systems, but in order to interpret the experiments and to understand the underlying physics, a comparison with theoretical models is absolutely necessary. A central point of this work is therefore a universal theoretical approach allowing the simulation and the analysis of phonon spectroscopy measurements on low-dimensional semiconductor structures. The model takes into account the characteristic properties of the considered systems. These properties are the elastic anisotropy of the substrate material leading to focusing effects and highly anisotropic phonon propagation, the anisotropic nature of the different electron-phonon coupling mechanisms, which depend manifestly on phonon wavevector direction and polarization vector, and the sensitivity to the confinement parameters of the low-dimensional electron systems. We show that screening of the electron-phonon interaction can have a much stronger influence on the results of angle-resolved phonon spectroscopy than expected from transport measurements. Since we compare theoretical simulations with real experiments, the geometrical arrangement and the spatial extension of phonon source and detector are also included in the approach enabling a quantitative analysis of the data this way. To illustrate the influence of acoustic anisotropy and carrier confinement on the results of phonon spectroscopy in detail we analyse two different applications. In the first case the low-dimensional electron system acts as the phonon detector and the phonon induced drag current is measured. Our theoretical model enables us to calculate the electric current induced in low-dimensional electron systems by pulses of (ballistic) nonequilibrium phonons. The theoretical drag patterns reproduce the main features of the experimental images very well. The sensitivity of the results to variations of the confining potential of quasi-2D and quasi-1D electrons is demonstrated. This provides the opportunity to use phonon-drag imaging as unique experimental tool for determining the confinement lengths of low-dimensional electron systems. By comparing the experimental and theoretical images it is also possible to estimate the relative strength of the different electron-phonon coupling mechanisms.In the second application the low-dimensional electron system acts as the phonon pulse source and the angle and mode dependence of the acoustic phonon emission by hot 2D electrons is investigated. The results exhibit strong variations in the phonon signal as a function of the detector position and depend markedly on the coupling mechanism, the phonon polarization and the electron confinement width. We demonstrate that the ratio of the strengths of the emitted longitudinal (LA) and transverse (TA) acoustic phonon modes is predicted correctly only by a theoretical model that properly includes the effects of acoustic anisotropy on the electron-phonon matrix elements, the screening, and the form of the confining potential. A simple adoption of widely used theoretical assumptions, like the isotropic approximation for the phonons in the electron-phonon matrix elements or the use of simple variational envelope wavefunctions for the carrier confinement, can corrupt or even falsify theoretical predictions.We explain the `mystery of the missing longitudinal mode' in heat-pulse experiments with hot 2D electrons in GaAs/AlGaAs heterojunctions. We demonstrate that screening prevents a strong peak in the phonon emission of deformation potential coupled LA phonons in a direction nearly normal to the 2D electron system and that deformation potential coupled TA phonons give a significant contribution to the phonon signal in certain emission directions.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ausbreitung von akustischen Nichtgleichgewichtsphononen und deren Wechselwirkung mit Halbleiter-Nanostrukturen. Güte und Effizienz moderner Halbleiter-Bauelemente hängen wesentlich vom Verständnis der Wechselwirkung akustischer Phononen mit niederdimensionalen Elektronensystemen ab. Traditionelle Untersuchungsmethoden, wie die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder der Thermospannung, erlauben nur eingeschränkte Aussagen. Sie mitteln über die beteiligten Phononenmoden und eine Trennung der einzelnen Wechselwirkungsmechanismen ist nur näherungsweise möglich ist. Demgegenüber erlaubt die in der Arbeit diskutierte Methode der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie ein direktes Studium des Beitrags einzelner Phononenmoden, d.h. in Abhängigkeit von Wellenzahlvektor und Polarisation der Phononen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Fragestellung, wie akustische Anisotropie und Ladungsträger-Confinement die Ergebnisse der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie beeinflussen und prägen. Dazu wird ein umfassendes theoretisches Modell zur Simulation von Phononen-Spektroskopie-Experimenten an niederdimensionalen Halbleitersystemen vorgestellt. Dieses erlaubt sowohl ein qualitatives Verständnis der ablaufenden physikalischen Prozesse als auch eine quantitative Analyse der Messergebnisse. Die Vorteile gegenüber anderen Modellen und Rechnungen liegen dabei in dem konsequenten Einbeziehen der akustischen Anisotropie, nicht nur für die Ausbreitung der Phononen, sondern auch für die Matrixelemente der Wechselwirkung, sowie eine saubere Behandlung des Confinements der Elektronen in den niederdimensionalen Systemen. Dabei werden die Grenzen weit verbreiteter Näherungsansätze für die Elektron-Phonon-Matrixelemente und das Elektronen-Confinement deutlich aufgezeigt. Für den quantitativen Vergleich mit realen Experimenten werden aber auch solche Größen, wie die endliche räumliche Ausdehnung von Phononenquelle und Detektor, die Streuung der Phononen an Verunreinigungen oder die Abschirmung der Elektron-Phonon-Kopplung durch die Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt.Im zweiten Teil der Arbeit wird der theoretische Apparat auf typische experimentelle Fragestellungen angewandt. Im Falle der Phonon-Drag-Experimente an GaAs/AlGaAs Heterostrukturen wird der durch akustische Nichtgleichgewichtsphononen in zwei- und eindimensionalen Elektronensystemen induzierte elektrische Strom (Phonon-Drag-Strom) als Funktion des Ortes der Phononenquelle bestimmt. Das in der Arbeit hergeleitete theoretische Modell kann die experimentellen Resultate für die Winkelabhängigkeit des Drag-Stromes sowohl für Messungen mit und ohne Magnetfeld qualitativ gut beschreiben. Außerdem wird der Einfluss unterschiedlicher Confinementmodelle und unterschiedlicher Wechselwirkungsmechanismen studiert. Dadurch ist es möglich, aus Phonon-Drag-Messungen Rückschlüsse auf die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der niederdimensionalen Elektronensysteme zu ziehen (Fermivektor, effektive Masse, Elektron-Phonon-Kopplungskonstanten, Form des Confinementpotentials). Als weiteres Anwendungsbeispiel wird das Problem der Energierelaxation (aufgeheizter)zweidimensionaler Elektronensysteme in GaAs Heterostrukturen und Quantentrögen untersucht. Für Elektronentemperaturen unterhalb 50 K werden die Gesamtemissionsrate als Funktion der Temperatur und die winkelaufgelöste Emissionsrate (als Funktion der Detektorposition) berechnet. Für beide Größen wird erstmals eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden. Es zeigt sich, dass akustische Anisotropie und Abschirmungseffekte zu überraschenden neuen Ergebnissen führen können. Ein Beispiel dafür ist der unerwartet große Beitrag der mittels Deformationspotential-Wechselwirkung emittierten transversalen akustischen Phononen, der bei einer Emission der Phononen näherungsweise senkrecht zum zweidimensionalen System beobachtet werden kann

Proline metabolism and transport in plant development

Proline fulfils diverse functions in plants. As amino acid it is a structural component of proteins, but it also plays a role as compatible solute under environmental stress conditions. Proline metabolism involves several subcellular compartments and contributes to the redox balance of the cell. Proline synthesis has been associated with tissues undergoing rapid cell divisions, such as shoot apical meristems, and appears to be involved in floral transition and embryo development. High levels of proline can be found in pollen and seeds, where it serves as compatible solute, protecting cellular structures during dehydration. The proline concentrations of cells, tissues and plant organs are regulated by the interplay of biosynthesis, degradation and intra- as well as intercellular transport processes. Among the proline transport proteins characterized so far, both general amino acid permeases and selective compatible solute transporters were identified, reflecting the versatile role of proline under stress and non-stress situations. The review summarizes our current knowledge on proline metabolism and transport in view of plant development, discussing regulatory aspects such as the influence of metabolites and hormones. Additional information from animals, fungi and bacteria is included, showing similarities and differences to proline metabolism and transport in plant

Pore Characteristics and Their Effects on the Material Properties of Foamed Concrete Evaluated Using Micro-CT Images and Numerical Approaches

Foamed concrete contains numerous pores inside the material, and these pores are a significant factor determining the material characteristics. In particular, the pore distribution characteristics of foamed concrete significantly affect its thermal and mechanical properties. Therefore, an appropriate investigation is necessary for a more detailed understanding of foamed concrete. Here, a set of foamed concrete samples with different densities is used in order to investigate the density effects on the pore characteristics, as well as the physical properties of the materials. The pore distribution characteristics of these samples are investigated using an X-ray micro-computed tomography (micro-CT) imaging technique with probabilistic and quantitative methods. Using these methods, the anisotropy, the pore circularity factor and the relative density of cell thickness are examined. The thermal (thermal conductivity) and mechanical (directional modulus and strength) properties of each foamed specimen are computed using numerical simulations and compared with experimental results. From the obtained results, the effects of the pore sizes and shapes on the local and global properties of the foamed concrete are examined for developing advanced foamed concrete with lower thermal conductivity by minimizing the strength reduction

Funktioniert der ifo Konjunkturtest auch in wirtschaftlichen Krisenzeiten? : eine Analyse der Zusammenhänge zwischen ifo Geschäftsklima und amtlichen Konjunkturdaten für Sachsen

Um das zyklische Wirtschaftsgeschehen adäquat analysieren und prognostizieren zu können, bedient man sich häufig der Informationen von Konjunkturindikatoren. Dabei sind solche Größen von besonderem Interesse, die einen gewissen Vorlauf gegenüber der allgemeinen Wirtschaftsentwicklung besitzen (Frühindikatoren). Einer der am meisten beachteten Indikatoren zur Analyse der gesamtwirtschaftlichen Entwicklung in Deutschland ist der ifo Geschäftsklimaindex. Er wird aus einer monatlich vorgenommenen Unternehmensbefragung des ifo Instituts, dem ifo Konjunkturtest, ermittelt. In diesem Beitrag wird anhand der ifo Geschäftsklimaindizes für das verarbeitende Gewerbe und den Maschinenbau Sachsens analysiert, ob sich der ifo Konjunkturtest auch in dem von der Finanz- und Wirtschaftskrise 2008/2009 geprägten Zeitraum als ein verlässliches Analyseinstrument erwies. Zudem wird überprüft, inwiefern die genannten Indikatoren eine Vorlaufeigenschaft zu den Konjunkturdaten der amtlichen Statistik besitzen.Wirtschaftskrise; Konjunkturumfrage; Geschäftsklima; Sachsen

Xonotlite and hillebrandite as model compounds for calcium silicate hydrate seeding in cementitious materials

The demand for more environmentally friendly cement with no disadvantages in relation to hydration activity has led to the development of various additives to accelerate cement hydration. As calcium silicate hydrate (C-S-H) is the major hydration product of cement and is responsible for its mechanical properties, it plays an outstanding role in the discussion of nanoparticle additives. Nevertheless, the investigation of its mechanism of action is complicated by the similarity of its properties to those of the C-S-H that forms as an initial hydration product. Crystalline C-S-H phases, on the other hand, can be easily distinguished from the original hydration products, which makes them a valuable model compound for studying the mechanisms of nucleation seeding in cementitious materials. In this paper, the effect of crystalline types of C-S-H as nucleation seeds are presented. Xonotlite and hillebrandite were thoroughly characterized using nuclear magnetic resonance, X-ray diffractometry (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and infrared spectroscopy (IR) and were then used as an admixture for alite pastes. Low-vacuum SEM images of the hydrated pastes revealed that xonotlite can significantly promote the visible etch pit formation on C3S clinker particles, which was not found to be true for hillebrandite. Whether the phases act as a nucleation site is assumed to be strongly dependent on the mineralogy: hillebrandite appeared to be heavily overgrown, but xonotlite did not show any hydration products on its surfaces after the same hydration time of up to 24 h. The diverse effect of the minerals was confirmed by the accelerating behavior in isothermal heat flow calorimetry and by XRD

The Influence of Long-Term Autoclaving on the Properties of Ultra-High Performance Concrete

Thermal energy storage is a key component in harnessing renewable resources, compensating for the energy variations across time scales. A popular strategy for thermal energy storage is storing thermal energy in hot water tanks, which are generally made of copper, stainless steel, and vitreous enamel-lined carbon steel. However, these materials usually suffer a high production cost and short life cycle. UHPC with superior strength and durability holds the potential as a construction material for hot water tanks, which are commercially available and affordable for large-scale applications. During the charging process of hot water tanks, the UHPC structures are thus loaded by a long-term temperature-pressure load (autoclaving condition). However, the influence of long-term autoclaving on UHPC is still unclear. Therefore, the influence of long-term autoclaving at 200°C on the mechanical properties and microstructure of UHPC is studied here. The effect of the long-term autoclaving depends on the UHPC compositions. The compressive strength can stay robust owing to the accelerated formation of hydrates, while the flexural strength is vulnerable to the long-term autoclaving. Katoite, hydroxylellestadite, and scawtite are identified as the new hydrates in the autoclaved UHPC with typical components. The transformation of amorphous C-S-H into more ordered phases results in the low flexural strength and the undensified interface between the matrix and steel fibres. The partial replacement of cement by fly ash mitigates the detrimental effect of the long-term autoclaving. The incorporation of fly ash provides additional silica and increases the ratio of silica to cement, leading to more poorly crystallized C-S-H with a low Ca/Si ratio, which benefits microstructure densification and mechanical strength. The decrease of Ca/Si ratio and the increase of Al by fly ash accelerate the decomposition of katoite and hydroxylellestadite and formation of tobermorite. This study clarifies the influence of the long-term autoclaving on UHPC and provides guidance for developing an applicable and sustainable UHPC as the construction material for hot water tanks.BMWi, 03ET1537A, Verbundvorhaben: BeHeWaDS - Angepasster Ultra-Hochleistungsbeton für Heißwasser-Druckspeicher; Teilvorhaben: Bestimmung der physikalischen und phasenchemischen Eigenschaften von zyklisch Druck-Temperaturbelasteten Ultra-Hochleistungsbeto

Regional-biologische Schulverpflegung - Erstellung einer Broschüre zur Außer-Haus-Verpflegung

Die Außer-Haus-Verpflegung von Kindern und Jugendlichen ist nachwie vor ein aktuelles Thema. Aus diesem Grund wurden im Rahmen des Bundesprogramms Ökologischer Landbau Modellprojekte zu diesem Thema eingeworben. Das Ziel war, mehr Bio in der Schulverpflegung und in Kindertagesstätten zu etablieren. Aus der Vielzahl von Vorschlägen wurden vier Modellprojekte ausgewählt, die die Einführung von Biokost in Schulen und Kindertagesstätten mit allen möglichen Fragen und Stolpersteinen aus verschiedenen Blickwinkeln beleuchten. Als Projektstandorte wurden Hamburg, Berlin, Rhein-Main-Gebiet und der Schwalm-Eder-Kreis in Nordhessen ausgewählt. Die Ergebnisse aus den Projekten zeigen, wie vielseitig die Problematik, aber auch die Herangehensweise zur Lösung der Probleme sein kann