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In this thesis magnetic domain walls in laterally confined ferromagnetic elements are studied, as well as the influence of a spin polarized current on domain wall motion (spin transfer torque effect). One important aspect is the impact of finite temperatures on domain walls. Computer simulations based on a classical extended Heisenberg approach are performed. Furthermore, a novel micromagnetic macrospin model for finite temperatures (Landau-Lifshitz-Bloch equation) is employed.In magnetic nanostructures constrictions are a useful tool to position and manipulate domain walls. In this thesis we investigate the spin structure of domain walls in constrictions down to widths of 20nm at zero Kelvin. Depending on the details of the geometry, two types of domain walls, symmetric and asymmetric walls, are observed. In order to analyze the spin structures an opening angle of the domain wall is introduced and an average domain wall width is calculated.Within the framework of the Landau-Lifshitz-Bloch equation derived by Garanin domain walls in Permalloy nanorings are investigated at finite temperatures. Vortex domain walls can be found in more narrow rings than in comparison to results of micromagnetic simulations at zero Kelvin. This trend is also observed in existing experiments performed at room temperature.Apart from the influence of geometry on the domain wall structure current-induced domain wall motion is investigated. Rather than conventional micromagnetic methods, we use an extended classical Heisenberg spin model approach, which is well suited to study domain walls at elevated temperatures. We compute the behavior of domain walls in a one dimensional chain for the cases, that currents are injected using adiabatic and non-adiabatic spin torque terms. It is found that the influence of thermal fluctuations is pronounced close to the critical effective spin current, respectively close to the Walker threshold. The behavior observed depends strongly on the value of the nonadiabatic prefactor. For the adiabatic case as well as the nonadiabatic cases with nonadiabatic prefactors smaller than the Gilbert damping constant the domain wall velocities increase with increasing temperature. In contrast the domain wall velocities decrease with increasing temperature for cases with nonadiabatic prefactors larger than the Gilbert damping constant.Furthermore current-induced domain wall motion is studied at finite temperatures using micromagnetic simulations. For this purpose we extend the Landau-Lifshitz-Bloch equation of motion by adding an adiabatic and nonadiabatic spin torque term. Here, the spin torque terms are now temperature dependent. We investigate analytically as well as numerically domain wall motion at various temperatures for the adiabatic and nonadiabatic cases. The Walker threshold as well as the domain wall velocities show a strong temperature dependence. Furthermore a different behavior is found for the temperature-dependent Walker threshold and domain wall velocities assuming the Gilbert form of damping or the Landau-Lifshitz form.

Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Modells weicher, d.h. durchdringungsfähiger Teilchen für Diblockcopolymere. Die notwendigen mikroskopischen Eingangsgrößen für das Modell sind Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Gyrationsradien und die Abstände der Massenmittelpunke sowie bedingte Monomerdichten für die beiden Blöcke A und B. Diese Verteilungen sind aus einem zu Grunde liegenden mikroskopischen Kettenmodel zu bestimmen. Um die Kinetik des Ensembles weicher Teilchen zu verfolgen, wird ein Monte-Carlo-Algorithmus eingesetzt. Die hierbei verwendete Freie Energie des Systems ist dementsprechend von den Gyrationsradien und Massenmittelpunkabständen der einzelnen Teilchen abhängig und wird in einen intramolekularen und einen intermolekularen Anteil zerlegt. Der intramolekulare Anteil ist durch die inneren Freiheitsgrade definiert; der intermolekulare Anteil enthält das überlappintegral der Monomerdichten.Zuerst verwenden wir das Modell zur Beschreibung dichter Schmelzen von Diblockcopolymeren im freien Raum. Es zeigt sich, dass der Strukturfaktor, der Fluktuationen der Monomerdichte einer der Komponenten widerspiegelt, in der ungeordneten Schmelze gut durch einen modifizierten Strukturfaktor nach Leibler dargestellt wird. Bei höheren Werten des Wechselwirkungsparameters χ zwischen den beiden Komponenten werden die lamellare Phase für die symmetrische Komposition sowie die zylindrische und die bcc-Phase bei asymmetrischen Kompositionen gefunden. Weiterhin finden wir, dass die lamellare Periode λ bei starker Segregation mit χ und dem Polymerisationsgrad N als λ/N0.5 ∼ (χN)n skaliert, wobei der Exponent n = 0.22 etwas höher ist als die theoretische Vorhersage n = 1/6. Die Gauß sche Skalierung λ ∼ N0.5 gilt bei schwacher Segregation. Das Modell wird zusätzlich bezüglich der Diffusionseigenschaften der Moleküle beim Durchgang durch den Ordnung-Unordnung Übergang geprüft; theoretische Ergebnisse sowie Simulationsuntersuchungen werden bestätigt.Als nächstes wird die Bildung von Mikrostrukturen in eingeschränkten Geometrien beschrieben. Es zeigt sich, dass die parallele Orientierung der Teilchen in der Nähe von planaren und hinsichtlich der Wechselwirkung mit den A- und B-Komponenten neutralen Wänden lokal geordnete senkrechte Lamellen erzeugt. Im Fall homogener Wände, die eine der Komponenten bevorzugen, orientieren sich die Lamellen parallel zu den Wänden. Ist die Wand mit einem Streifenmuster der Periode Lp strukturiert, welches die A- und B-Komponenten abwechselnd bevorzugt, so bilden sich senkrechte, global geordnete Lamellen.Berechnungen des zeitabhängigen lateralen Strukturfaktors liefern detaillierte Vorhersagen über den Verlauf der Strukturbildung. So wird gezeigt, wie der Strukturtransfer vom Substrat her von der spontanen Strukturbildung in der Mitte des Films beeinflusst wird. Falls die Periode Lp mit der lamellaren Periode λ übereinstimmt, wird die spontane Strukturbildung von den global geordneten senkrechten Lamellen völlig unterdrückt. Sind die beiden Perioden inkommensurabel, so koennen sich unterschiedliche stabile Strukturen im Gleichgewicht ausbilden: senkrechte Lamellen mit der Periode Lp unweit des Substrates und lokal geordnete senkrechte Lamellen mit der Periode λ im Rest des Filmes.Schließlich wird die Tracerdiffusion durch Polymere untersucht, die als dynamisch ungeordnetes Netzwerk aufgefasst werden. Die Tracerbewegung und die Reorganisation des Netzwerks finden auf gleicher Zeitskala statt. Dennoch erweist es sich als möglich, einen weiteren Vergröberungsschritt in die Modellierung einzuführen. Hierzu wird die dynamische Perkolationstheorie (DP) herangezogen. Es bietet sich an, die Idee von Duerr et al. aufzugreifen, indem man das komplizierte Problem in zwei einfachere Teilprobleme zerlegt, und zwar i) die Tracerbewegung in einem eingefrorenen polymeren Medium und ii) die Bestimmung einer Wartezeitverteilung für die Reorganisation des Netzwerks aus den lokalen Fluktuationen der Polymerdichte in der Nähe eines festgehaltenen Tracers.Unter Verwendung des Algorithmus von Verdier-Stockmayer haben diese Autoren gezeigt, daß der Tracer-Korrelationsfaktor, berechnet in der DP-Theorie, gut mit dem Ergebnis von Simulationen des Gesamtsystems übereinstimmt. In der vorliegenden Arbeit wird der Fluctuation site-bond Algorithmus (FSB) verwendet. Mit dessen Hilfe ist es möglich, die Polymerdynamik bei sehr hohen Dichten zu beschreiben und somit das DP-Konzept allgemeiner zu testen. Es zeigt sich, dass der Tracer-Korrelationsfaktor bei diesen hohen Dichten zwar stark abgesenkt wird, aber doch noch höher liegt als der aus vollen Simulationen berechnete. Weiterhin wird im zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten innerhalb eines intermediaeren Zeitbereichs ein Potenz-Verhalten gefunden, welches sich mit Experimenten an polymeren Elektrolyten vergleichen läßt.

Von der Langevin-Gleichung ausgehend, entwickeln wir einen Algorithmus für harte Kugel unter Brownscher Bewegung, der die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsdichte reproduzieren kann, die von der Smoluchowski-Gleichung vorgegeben ist. Mit einer binaeren Mischung ist es möglich Systeme mit Dichten jenseits der Kristallisation bis hin zum Glasszustand zu untersuchen. Wir untersuchen ferner Nichtgleichgewichtszustände, indem wir Scherung einführen, und zeigen Methoden, um den stress tensor und die Viskosität zu berechnen.

In this thesis, we present simulation results and analytical calculations for two distinct topics, which are concerned with colloidal systems in equilibrium and in non-equilibrium, respectively.The first part, which is of primarily methodological character, is devoted to the analysis of microscopic strain correlations and the determination of elastic properties of colloidal crystals. We perform classical Monte Carlo simulations in the canonical ensemble to calculate isothermal elastic constants of crystal phases of hard-sphere and of Lennard-Jones systems. The elastic constants are obtained within a single simulation run from the evaluation of the instantaneous particle positions without making any explicit reference tothe particle pair interaction. We use a block-analysis method generalized to three dimensions. This method consists of a systematic coarse-graining analysis of the strain fluctuations for different block sizes of the full system and the comparison of the scaling behavior with the analytic predictions of a finite-size scaling theory. We discuss the importance of finite-size effects, of non-localities of the strain fluctuations, and of the anisotropy of the underlying reference lattice.In the second part of the thesis we report on a variety of ordering and transport phenomena which are induced by the confinement of colloidal particles to microchannels of different geometries and by the application of a constant driving force along the channel. We analyze the particle behavior both under equilibrium and under (stationary) non-equilibrium conditions by means of Brownian dynamics simulations in the overdamped limit. This approach neglects hydrodynamic interactions.In equilibrium a boundary induced global layer structure forms parallel to the confining walls. Under influence of a constant external driving field a density gradient forms along the direction of motion of the particles. A reconfiguration of the ordered structure is observed leading to a reduction of the number of layers along the direction of flow. The particles flow across the positions of the layer reduction which themselves remain fixed in position. Both experiments and simulations show that these layer reductions occur due to the longitudinal density gradient. Additionally, we discuss the influence of single and multiple line barriers transversal to the flow direction on the particle transport. The latter situation of two line barriers, which hinder the particle flow along the channel, leads to similar features as observed for the so-called single electron transistor of mesoscopic systems.Furthermore we present simulation results for channel crossings, where two input channels merge into a single output channel. The particle movement near the intersection region is analyzed for different geometries and simulation parameters. For certain strengths of the driving force we find the formation of vortices and stronger particle mixing than expected for such laminar systems.We predict effects like particle blocking and formation of lanes for two different particle species which are driven in opposite directions within the microchannel.

Soft matter with its structural and elastic properties offers an attractive route to the design of new materials. In this context the importance of structured surfaces or monolayers lies in their promising, versatile technical applicability. Colloidal monolayers have proven to be valuable models in the analysis of such settings. In theoretical studies they are successfully modelled by two-dimensional systems, the interactions with substrates being conveniently modelled by external fields.Particularly with regard to the interest in complex, two-dimensional structures for the design of new materials, the first part of this thesis focuses on structural properties of binary, two-dimensional mixtures and their controlled manipulation. Binary hard-disk mixtures are chosen as a model system. A variety of complex lattice structures are known to maximise the packing of bidisperse hard-disk mixtures in two dimensions. In this thesis it is shown via Monte Carlo simulations in the NpT ensemble, that these lattice structures are thermodynamically stable phases only in a high pressure environment. In surface structuring applications such a high, external pressure will inevitably lead to buckling. An attractive alternative to induce order in such systems offers the controlled manipulation of colloidal systems by external fields. In systematic studies via Monte Carlo simulations in the NVT ensemble of a bidisperse, equimolar hard-disk mixture with diameter ratio 0.414 subjected to an external, one-dimensional, periodic light field new, laser-induced phenomena, as Laser Induced Demixing, fissuring and Laser Induced Coexistence were found. In addition at low number densities, in the Modulated Liquid phase, these systems exhibit an induced structural crossover. The underlying ordering mechanisms and the resulting order differ considerably, depending on the details of the interaction of the components of the mixture with the external potential. On the other hand the simulations show, that slight deviations in the concentration of large particles or the diameter ratio, as they are probable to occur in any experimental realisation, have no impact on the occurrence of the various field-induced phenomena as long as the mixture stays in the relevant regime of the packing fraction. Furthermore the importance of the commensurability of the external potential to the square lattice for the occurrence of field-induced ordering is discussed.In the second part of this thesis the focus is on the elastic properties of soft matter. In colloidal dispersions information on elastic properties can be obtained directly from the microscopic, real space trajectories of the particles. A lattice field theory is set up, which treats the local, microscopic strains as a coarse-grained order parameter field. In consideration of St. Venant's compatibility condition for the strains the Landau free energy functional is formulated and the analytic form of the various strain correlation functions is derived. Knowledge of the strain correlation functions gives not only access to the elastic moduli of the system, but also to the correlation lengths of the strains. These give the length scales on which non-local coupling is relevant in soft matter systems. The strain correlation functions are obtained for a harmonic crystal via Monte Carlo simulations and for an experimental system, a colloidal crystal. A comparison with the analytic predictions reveals the existence and importance of non-affine strains. The analysis of the experimental data shows that topological defects strongly affect the spatial anisotropy of the strain correlation functions of the shear strains.As an application of the developed method to analyse the elastic properties of soft matter, the influence, which the presence of impurities in monolayers has on the strain correlation functions and therefore on the elastic properties, is analysed. To this end a system of monodisperse, hard disks with point-like impurities is studied via Monte Carlo simulations. The system with quenched impurities can be interpreted as a solid with interstitials. For such a system the theory of dielastica applies and a hardening of the monolayer is to be expected. A finite-size scaling analysis of the strain fluctuations in the simulations is in excellent agreement with these expectations. It shows that the insertion of 3% of point-like impurities results in a 5% rise of the bulk modulus and a 25% rise of the shear modulus. The model system can also be interpreted as a system with quenched disordered, as is the case in pinning studies. An analysis along this line, leads to the prediction of a dependence of the shear modulus on the size of the system. This is in accord with the direct analysis of the strain correlation functions obtained from the simulations.

Many applications of ad-hoc networks include intermittent connectivity. Anyone wishing to implement routing into her delay-tolerant network can select from a wide variation of options, but the choice is hard, as there is no strong comparative evidence to the relative performance of the algorithms. Every paper uses a different setting, mostly far from realistic. In our desire to improve the basis for decisions, we simulated a promising selection of DTN routing algorithms in three vastly different scenarios, all based on publicly available real-world traces. Using our open-source DTN simulator, we compare and analyse 11 routing techniques, then provide explanations for the behaviour and give advice for choosing a suitable mechanism. To our own surprise, the results challenge the conventional wisdom gained from synthetic simulations and poses the question whether the world is ready for DTNs.

In dieser Arbeit wurden Solarzellen aus Silizium und III-V-Verbindungshalbleitern experimentell und mit Hilfe von numerischer Simulation analysiert und optimiert.Im ersten Kapitel wurden die optischen und elektrischen Eigenschaften unterschiedlicher Solarzellenrückseiten untersucht und miteinander verglichen. Anhand analytischer Methoden und numerischer Strahlverfolgung konnten die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der Zellen quantifiziert werden und auch der Einfluss der Absorption an freien Ladungsträgern aufgezeigt werden. Die Analyse der elektrischen Eigenschaften zeigte, dass ein Vergleich der effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit nur bei der gleichen, möglichst hohen Basisdotierung sinnvoll ist, um Hochinjektionseffekte zu vermeiden. Die effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten für Zellen mit einem Basiswiderstand von 1 Ohmcm wurden anhand unterschiedlicher Methoden ermittelt und miteinander verglichen. Der Vergleich der unterschiedlichen Rückseiten ergab, dass vor allem hinsichtlich dünnerer Solarzellen die guten optischen und passivierenden Eigenschaften der Zellen mit dielektrisch passivierter Rückseite notwendig sind, um Wirkungsgrade über 20% erreichen zu können.Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war die Analyse und Optimierung von rückseitig sammelnden und rückseitig kontaktierten (RSK) Solarzellen. Zum einen wurden industriell realisierbare n-Typ RSK-Solarzellen für die nicht-konzentrierende Anwendung analysiert. Anhand eines analytischen Modells konnten die passivierenden Eigenschaften eines "Front-Surface Fields" (FSF) analysiert und optimiert werde. Die Analysen zeigten, dass die Passivierungsqualität durch die "High-Low Junction" zu niedrigerer Basisdotierung hin stark zunimmt. Der Vergleich der analytischen und numerischen Berechnungen ergab, dass bei Zellen ohne FSF die Einsammel¬wahrscheinlichkeit durch Hochinjektionseffekte stark beeinflusst wird, wohingegen die Kurzschlussstromdichte bei Zellen mit FSF nahezu keine Injektionsabhängigkeit aufweist. Neben dem oberflächenpassivierenden Effekt des FSF konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das FSF zu einer Erhöhung der lateralen Querleitfähigkeit beiträgt. Somit reduziert ein FSF die Serienwiderstandsverluste in RSK-Solarzellen mit niedriger Basisdotierung drastisch. Eine Analyse der Rückseite ergab, dass vor allem der Basisbereich, welcher nicht mit einem Emitter bedeckt ist, einen starken Einfluss auf die Kurzschlussstromdichte hat. Vor allem bei höherer Basisdotierung wirkt sich eine höhere Emitterbedeckung sehr positiv auf den Wirkungsgrad aus. Zusätzlich zu der Analyse des inneren Zellbereiches wurde auch der Einfluss der Metallisierung und der notwendigen Busbereiche analysiert. Die Untersuchungen ergaben, dass die Busbereiche zu elektrischen Abschattungsverlusten führen, die je nach Polarität von einer Reduktion des Füllfaktors oder der Kurzschlussstromdichte herrühren. Bei Konzentrator-RSK-Solarzellen führt vor allem das Verhalten des Füllfaktors zu einem drastischen Wirkungsgradsverlust der Zelle. Dieser kann jedoch vermieden werden, indem die Busse aus dem aktiven Zellbereich entfernt werden.Zusätzlich zu den untersuchten Silizium-Solarzellen wurden in dieser Arbeit auch Solarzellen aus III-V-Halbleitern analysiert. Für die Simulation von III-V-Mehrfachsolarzellen ist die korrekte Beschreibung der internen Verschaltung der Teilzellen durch die Esaki-Tunneldiode entscheidend. Es konnte gezeigt werden, dass nur unter Verwendung eines nicht lokalen Tunnelmodells der Verlauf des Tunnelstroms im unteren Spannungsbereich der experimentellen Strom-Spannungskennlinie korrekt beschrieben werden kann. Unter Verwendung des nicht lokalen Tunnelmodells konnte eine GaAs/GaAs-Tunneldiode kalibriert werden. Strukturanalysen haben gezeigt, dass der Tunnelstrom sehr stark durch die Dotierhöhe der Tunnelschichten, sowie das Profil am pn-Übergang beeinflusst ist. Das Modell der Tunneldiode wurde abschließend in eine GaInP/GaAs-Tandemsolarzelle implementiert, und damit die Hellkennlinie und die Quanteneffizienz dieser Mehrfachsolarzelle simuliert. Neben der Optimierung und Analyse von Solarzellen, die auf der Erde eingesetzt werden, wurde in dieser Arbeit an der Entwicklung einer strahlungsstabilen Dreifachsolarzelle für den Einsatz im Weltraum mitgearbeitet. Anhand einer umfassenden Simulationsstudie konnten die notwendigen Strukturänderungen wie die Implementierung eines Halbleiterspiegels und die Verringerung der Zelldicke sowie die Verwendung eines Dotiergradienten in der Basis realisiert und evaluiert werden. Eine abschließende Sensibilitätsanalyse ergab, dass die optimierte Mittelzellstruktur in einem stabilen Maximum liegt und somit für die industrielle Produktion bestens geeignet ist.

In the past years, many promising routing algorithms for delay-tolerant networks have been described as well as simulated or even implemented, and also evaluated. Anyone wishing to implement routing into delay-tolerant network can select from a wide variation of options, but the choice is hard, as there is no strong comparative evidence to the relative performance of the algorithms. While each algorithm by itself is exciting and adds to our world s knowledge, one important aspect of research is to understand when to do what. As the algorithm evaluations lack a common basis, comparison between the algorithms is currently impossible: First, most evaluations restrict themselves to comparing against the two extremes, namely direct-contact-only forwarding and flooding; second, each attempt uses a completely different choice of scenario and simulation parameters. In this report, we analyze and evaluate the currently existing algorithm under the common basis in an effort to grasp the strong and weak points of each of them and to see whether its possible to design a hybrid technique that may take advantage of strengths of many techniques.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die numerische Untersuchung der Erzeugung ultrakalter Teilchen-Ensembles und die Manipulation von Wolken aus Bose-Einstein-kondensierten Teilchen (BEK). Ultrakalte Teilchen-Ensembles werden gewöhnlich in mehreren Kühlungsschritten erzeugt, von denen der letzte und effektivste die Verdampfung von Teilchen aus der Falle ist. Unter besonderer Berücksichtigung der Eigenheiten und Probleme, die sich bei den magnetischen Auffang- und Kühlungsprozessen molekularen Sauerstoffs ergeben, wurde ein Simulationsprogramm für den Verdampfungskühlungsprozeß entwickelt.Zusätzlich wurde mit den Mitteln der Quantenchemie eine Potenzialenergiefläche (PES) für den molekularen O2-O2 Kollisionsprozeß berechnet, um verbesserte Daten für die Bestimmung elastischer und inelastischer Kollisionsparameter zu gewinnen. In den quantenchemischen Berechnungen werden die einzelnen Moleküle als starre Rotatoren behandelt und es wird ein ab initio Ansatz gemacht, um die PES numerisch als Funktion des totalen molekularen Spins, des intermolekularen Abstands und der relativen Molekülorientierung zu bestimmen.Für die Implementierung des Programms zur Simulation der Verdampfungskühlung mussten etliche Algorithmen angepaßt und verbessert werden, um das zu untersuchende physikalische Problem korrekt zu simulieren. Insbesondere müssen ein großer anteiliger Teilchenverlust aus der Magnetfalle, sehr starke Dichteinhomogenitäten und ein weites Teilchenenergiespektrum konsistent beschrieben werden. Das Programm wird benutzt, um den Verdampfungskühlungsprozeß in harmonischen und in linearen Quadrupolmagnetfallen zu untersuchen.Zwecks der Simulation topologischer Anregungen wie Wirbel (Vortices) und Solitonen in Bose-Einstein Kondensatwolken nahe der absoluten Temperatur wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das die dreidimensionale numerische zeitliche Entwicklung der quantenmechanischen makroskopischen Materiewellenfunktion auf modernen Arbeitsplatzrechnern erlaubt. Die physikalische Beschreibung des Bose-Einstein Kondensats ist dabei gegeben durch die nichtlineare Gross-Pitaevskii Gleichung. In Zusammenarbeit mit zwei Experimentalphysikgruppen in Oxford/UK und Konstanz wurde eine Anzahl verschiedener Fragestellungen modelliert und bearbeitet.Eine Anwendung ist die Simulation der Reaktion eines Zentralvortexzustands eines Bose-Einstein Kondensats auf äußerliche Störungen. Die Abhängigkeit der kollektiven Anregungsenergien der Kondensatwolke von der Präsenz von Wirbeln wird untersucht, und die resonante Anregung von Kelvin Moden eines zentralen Vortexkerns wird gezeigt. Zusätzlich wird die Abhängigkeit der Expansion einer BEK Wolke in einer räumlichen Richtung besonderer Fallenstärke von der Abbaugeschwindigkeit eines residualen optischen oder magnetischen Fallenfeldes aufgezeigt. Dies ist insofern von praktischer Bedeutung, als die Expansion von BEK Wolken besonders häufig als Standardmethode experimenteller destruktiver Beobachtungstechniken eingesetzt wird.Eine weitere Anwendung unseres BEK Simulationsprogramms ist die Modellierung und Untersuchung der Solitonenbildung in BEK Wolken in periodischen optischen Gitterpotenzialen. In solchen durch stehende Laser-Lichtwellen erzeugten Potenzialen können helle Bandkantensolitonen experimentell präpariert werden. Der Solitonenbildungsprozeß ist grundsätzlich eindimensional, er kann allerdings im dreidimensionalen Raum näherungsweise nachgebildet werden wenn die überzähligen Dimensionen durch ein besonders starkes Fallenpotenzial eingezwängt werden. Die kleinskaligen Details der Solitonenprozesse erfordern eine Abänderung des BEK Simulationsprogramms zur Ausnutzung der radialen Wolkensymmetrie zwecks einer Reduktion der numerischen Komplexität. Diese Entwicklungen erlauben eine quantitative Untersuchung und Modellierung der Experimente, in denen solche Solitonen realisiert werden.

Diese Habilitationsschrift hat den Titel Virtual Biomechanics and its Physics (Virtuelle Biomechanik und deren Physik). Sie beschreibt das Thema Computersimulation in der Biomechanik. Der Schwerpunkt der Darstellung liegt auf der vom Autor entwickelten Realisierung eines Simulationssystems. Die Teilmenge der physikalischen Gesetze, die Voraussetzung für die Realisierung eines Simulationssystems ist wurde bestimmt. Die Liste der physikalischen Gesetze ist das Ergebnis eines rigorosen Prozesses, in welchem die Brauchbarkeit und Notwendigkeit der Gesetze als Basis für ein Simulationssystem untersucht wurde. Newtons Mechanik bildet immer noch die Basis der heutigen Technologie zusammen mit dem, was wir über Signale und Information wissen. Das Wissen über deterministisches Chaos beginnt eine Rolle in biologischen und damit in Simulationssystemen (von biologischen Einheiten) zu spielen. Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie spielen auch weiterhin keine große Rolle in Simulationssystemen. Trotzdem mögen sie wichtige Einblicke, zum Verständnis von Masse, der Funktion von Muskeln auf dem mikroskopischen Niveau und der Funktion des Gehirns (siehe Kapitel 9 Diskussion) erlauben. Wirklich handfeste Erklärungen sind jedoch nicht vorhanden. Wie kann der menschliche Körper in mathematischen Termen repräsentiert werden? Die häufig gebrauchten Starrkörpermodelle (Modelle aus starren Segmenten, welche über Gelenke verbunden sind) und deren Physik werden im Detail besprochen. Erweiterungen des Konzepts sind in der Diskussion zu finden. Das Kapitel Projektentwicklung (project creation) enthält die spezifischen Lösungen und Darstellungen des vom Autors beschrieben Simulationssystems. Segmentvektoren sind definiert und hiermit ist die Kalibrierung erklärt. Die vom Autor entwickelte Kalibrierung ist hier der spezifische Prozess, der es erlaubt aus den Markerkoordinaten die Gelenkkoordinaten zu berechnen. Weiter wird filtern diskutiert, welches inverse Dynamik erst möglich macht. Innerhalb dieser Thematik wird das vom Autor entwickelte F³-Filter detailliert beschrieben. Dieses beseitigt die meisten unerwünschten Frequenzen, ohne dass Daten zeitlich verschoben werden oder dass das Endpunktproblem auftaucht. Die Datenkonvertierung (von kartesischen Gelenkkoordinaten zu Kardanwinkeln) und das aktuelle Modelldesign schließen das Kapitel ab. Die Approximation der Muskelenergie ist von größtem Interesse. Im Starrkörpermodel werden die Gelenke bzw. die umgebenden Muskelgruppen als Energiequellen identifiziert. Dieser Ansatz kommt ohne die Kenntnis über die detaillierte Muskelanatomie aus, weil für eine gegebene Bewegung die Energie geliefert werden muss unabhängig davon wie die Muskeln angeordnet sind. Die Energiemenge kann aus dem Drehmoment des Gelenks und der zugehörigen Winkelgeschwindigkeit ermittelt werden. Der Energietransfer zu und von benachbarten Gelenken wird beachtet. Externe Kräfte, die auf den Körper wirken haben einen großen Einfluss auf die Bewegung und auf Parameter der Dynamik wie Energie, Drehmoment usw. Wenn alle Kraftvektoren und deren Angriffspunkte gemessen werden ist das System genau determiniert. Bei vielen Studien ist es jedoch schwierig die Kräfte zu bestimmen und manchmal ist es sogar unmöglich diese zu messen. In diesen Fällen helfen Kraftaustauschmodelle die unbekannten Kräfte und deren Angriffspunkte anzunähern. Diese vom Autor entwickelten Modelle umfassen das gesamte Bewegungsspektrum mit stehen, gehen, rennen und springen. Das vom Autor realisierte Simulationssystem wird im Detail beschrieben. Es besteht aus der exklusiv vom Autor entwickelten Komponente Human-Builder und der Komponente SD 6.2 von Solid Dynamics. Human-Builder ist ein System das die Simulationsprojekte zur Verwendung in SD 6.2 aufarbeitet. Ein mathematisches Körpermodel mit allen anthropometrischen Daten eines Individuums wird erzeugt. Zusammen mit den gefilterten, konvergierten und kalibrierten Daten der Bewegung bildet dies die Basis für die Simulation, welche nach Kompilierung ohne weitere Programmierung lauffähig ist. Vier ausgesuchte Studien, welche der Autor durchgeführt hat zeigen die Brauchbarkeit und Arbeitsweise des Systems. Viele der in dieser Arbeit vorgestellten Rechnungen können mit Hilfe der vom Autor entwickelten Software Human-Builder und StatFree nachvollzogen werden. Interessierte Leser können die Software im Internet unter http://www.uni-konstanz.de/FuF/SportWiss/vieten/Software/ herunterladen. Zum Beispiel erlaubt StatFree die Berechnung der Beispiele des Abschnittes deterministic chaos auf den Seiten 28-40.

The present work concerns the analysis of high-efficient silicon solar cells using experiments and multi dimensional numerical modeling. One main topic is the characterization of loss mechanisms in high-efficient solar cells, that are made using simplified industrial processing schemes. The potential of thin rear contacted solar cells is evaluated using multi dimensional device simulation. The numerical methods are used further to analyse the impact of local ohmic resistance. In addition, a method for the measurement of local parallel resistance is presented.

Ziel der Arbeit ist, die Computersimulation als Diagnostikmethode beim Gewichtheben zu etablieren, damit der Trainer im Laufe der Saison verschiedene Technikfehler korrigieren und den Trainingsplan für seine Sportler erstellen kann. -Hypothesen:- Wird die für den Athleten individuelle Computersimulation erfolgreich als eine biomechanische Diagnosemethode für das Gewichtheben angewandt?- Welche Beziehung besteht zwischen der Hantelgeschwindigkeit, Körperschwerpunktgeschwindigkeit, dem Hantelgewicht und der Hantelflugbahn sowie der Muskelenergie?- Ist die Effizienz (Beziehung zwischen Muskelenergie und potentieller Energie der Hantel) entscheidend bei der Beurteilung der Technik des Gewichthebers?- Kann Computersimulation sensitiv für intra-individuelle Technikunter-schiede angewendet werden?Methode1. Videoaufnahme von 6 Probanden mit 5 Kameras für die Technik im Reißen.2. Die Filmaufnahmen wurden mit dem APAS-System bearbeitet.3. Anschließend mit dem Programm Human Builder sowie der Software SDS ein Modell für jeden Sportler mit seiner digitalisierten Datei und seinen anthropometrischen Daten erstellt.4. Die durch SDS erhaltenen biomechanischen Variablen wurden mit dem Programm Statistica 5 bearbeitet.Ergebnisse:1. Computersimulation kann als bestimmende Methode für Gewichtheben beim Reißen verwendet werden.2. Darstellung verschiedener signifikanter Korrelationen zwischen ausgesuchten Parametern.3. Durch Computersimulation konnte die Effizienz für jeden Probanden berechnet werden.4. Computersimulation ist eine Methode, die die individuellen Unterschiede zwischen verschiedenen Versuchen mit verschiedenen Leistungen beurteilen kann.

Wie wirken sich verschiedene Feedback-Interventionen auf die Leistung aus? Mit dieser Frage beschäftigt sich die vorliegenden Arbeit anhand von Teilen der von Kluger und DeNisi (1996) entwickelten Feedback-Interverntion-Theory. Diese Theorie wird in Zusammenhang mit den Konstrukten Zielorientierung und dispositionale Selbstaufmerksamkeit gesetzt. Im Rahmen eines Experiments wurde die Wirkung von zwei verschiedenen Feedback-Interventionen auf die Leistung in einer komplexen Computersimulation zu zwei Zeitpunkten überprüft. Dabei sollten die Versuchspersonen ein vorgegebenes Leistungsziel verfolgen. Als Kontrollvariablen wurden unter anderem Zielabweichung und Vorerfahrung betrachtet. Der Vergleich der beiden Experimentalgruppen mit der Kontrollgruppe zeigte in regressionsanalytischen Überprüfungen nach Kontrolle verschiedener Variablen keine signifikanten Unterschiede in Abhängigkeit von der Art der Feedback-Intervention. Die Überprüfung des Einflusses der Persönlichkeitsmerkmale Selbstaufmerksamkeit und Zielorientierung auf die Leistung ergab unabhängig von der Art der Intervention ebenfalls keine signifikante Wirkung, nachdem der Einfluss der Kontrollvariablen herauspartialisiert wurde. Dagegen konnte für die Interaktion zwischen Lernzielorientierung und Leistungszielorientierung eine Auswirkung auf die Leistung gezeigt werden. Abschließend weist ein integrierendes Modell auf Variablen hin, die einen Einfluss auf die Leistung nach Feedback-Interventionen haben können.

Mit der Entwicklung von Verfahren zur Beschreibung der optischen Vorgänge in Strukturen aus III-V Verbindungshalbleitern wurde die Grundlage für die exakte Modellierung von III-V Solarzellen gelegt.Zwei charakteristische Eigenschaften von III-V Solarzellen sind verantwortlich für den Entwicklungsbedarf der Simulationswerkzeuge, die aufgrund der Silicium dominierten Modellierung bisher vernachlässigt wurden: Zum einen kommt es durch den nur wenige Mikrometer dünnen, elektrisch aktiven Bereich der III-V Solarzelle zu optischen Interferenzen in den Schichten. Zum anderen ist der Ladungsträgertransport in und zwischen den Schichten durch den rein optischen Prozess der Emission und Absorption von Photonen (Photon-Recycling) zu berücksichtigen. Für beide Phänomene wurden Verfahren entwickelt, die für beliebige planparallele Schichten anwendbar sind.Zur Beschreibung der Reflexion und Transmission von dünnen planparallelen Schichtsystemen unter Berücksichtigung von Interferenzen wie Antireflexbeschichtungen oder dielektrische Spiegel, ist die Matrixmethode hervorragend geeignet. Die Anwendbarkeit dieser Methode auf III-V Solarzellen wurde mittels Reflexionsmessungen verifiziert. Mit der Erweiterung der Matrixmethode zur Bestimmung des lokalen elektrischen Feldes in den Schichten, wurde die Voraussetzung geschaffen, die ortsaufgelöste optische Generation unter Beachtung von Interferenzeffekten zu berechnen. Als weiterer wichtiger Effekt konnte die Diffusion der Ladungsträger während der Thermalisierung identifiziert werden. Damit kann eine für die elektrischen Simulation zentrale Eingangsgröße, nämlich die Verteilung der optisch generierten Ladungsträger, für III-V Solarzellen exakt beschrieben werden.Die Umverteilung der Ladungsträger durch Emission und Absorption von Photonen wurde bisher nur für einzelne Schichten beschrieben. Mit Hilfe des hier entwickelten Verfahrens kann die Umverteilung für beliebige planparallele Schichtsysteme mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen erfolgen. Um die umfangreichen Berechnungen zu beschleunigen, wurde die Methode der optischen Kopplungsmatrix eingeführt. Damit kann, nach einmaliger Berechnung der für eine Struktur charakteristischen Matrix, die Umverteilung durch eine einfache Matrixmultiplikation bestimmt werden. Erst dieser Geschwindigkeitsgewinn ermöglicht es, das Verfahren in die elektrische Simulation zu integrieren.Ein Anwendungsgebiet der entwickelten Verfahren war die Modellierung von zeitaufgelösten Photolumineszenz Messungen von Doppelheterostrukturen. Durch die orts- und zeitaufgelöste Simulation konnte der Einfluss der optischen Kopplung auf das Minoritätsladungsträgerprofil und den Signalverlauf detailliert untersucht werden.Durch die Integration der entwickelten Verfahren zusammen mit dem kommerziellen Halbleitersimulationspaket IseTcadTools in die Simulationsumgebung PVObjects, konnte ein Werkzeug zur umfassenden Modellierung von III-V Solarzellen etabliert werden. Als erste Teststruktur zur Überprüfung der Simulationswerkzeuge wurde eine GaAs Solarzelle verwendet. Sowohl Reflexion als auch die Hellkennlinienparameter und die Externe Quanteneffizienz konnten mit zufriedenstellender Genauigkeit modelliert werden. Durch die Anpassung der Modellparameter war es möglich, die Einflüsse der Hauptverlustmechanismen und den potenziellen Wirkungsgradgewinn durch ihre Beseitigung für die untersuchte Struktur quantitativ zu bestimmen.Da alle entwickelten Verfahren für beliebige planparallele Schichtsysteme konzipiert sind, ist eine Anwendung auf III-V Tandemsolarzellen problemlos möglich. Zusätzliche elektrische Phänomene, die zum Beispiel zur Beschreibung der Tunneldiode benötigt werden, sind durch das kommerzielle Halbleitersimulationsprogramm DESSIS bereits abgedeckt. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, ist in einem nächsten Schritt eine Intensivierung der Materialcharakterisierung nötig. Eine verbesserte Materialdatenbasis zusammen mit den in dieser Arbeit entwickelten Modellen bilden die Basis für die exakte Modellierung von III-V Solarzellen, Tandemsolarzellen eingeschlossen.

Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung der Kinetik bei Phasenübergängen 1. Art und die damit zusammenhängende Grenzflächendynamik. Dazu werden vorrangig Monte Carlo Simulationen zu spinodaler Ordnungsbildung und spinodaler Entmischung auf der Grundlage des Leerstellenmechanismus vorgestellt, der nur Platzwechsel von Atomen erlaubt, die auf einen unbesetzten Gitterplatz (Leerstelle) führen. Mit Leerstellen (Vacancies = V) als dritte Teilchensorte erhält man das sogenannte ABV-Modell, in dem zur Dynamik nur Platzwechsel zwischen benachbarten A-V- und B-V-Paaren erlaubt sind und nur zwischen den Atomen (A,B) explizite Wechselwirkungen auftreten.Teil 1 der Arbeit behandelt spinodale Ordnungsbildung am Beispiel von fcc-Legierungen des Typs A_3B (z.B. Cu_3Au). Die dort auftretende L1_2-Ordnung ist vierfach entartet, zudem treten zwei unterschiedliche Typen von Antiphasengrenzflächen auf. Schwerpunkt ist hier die Beschreibung von Experimenten zum Übergang von nukleationsgetriebener Ordnungsbildung zu spinodaler Ordnugsbildung sowie der Einfluss freier (001)-Oberflächen.Teil 2 befasst sich mit grundsätzlichen theoretischen Fragen zur spinodalen Entmischung in Gegenwart von Leerstellen am Beispiel zweidimensionaler Quadratgitter. Schwerpunktmäßig werden Unterschiede in der Dynamik untersucht, die auftreten, wenn man anstelle von direktem Atomaustausch den Leerstellenmechanismus verwendet. Das ABV-Modell bietet bei Wahl geeigneter Wechselwirkungen zudem die Möglichkeit, Grenzflächen zwischen einer Legierung und einer leerstellenreichen Phase zu untersuchen, was dem Modell einer freien Oberfläche entspricht.Teil 3 stellt die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TDFT) als analytische Methode vor, die im Prinzip geeignet ist, die Kinetik von Phasenübergängen zu untersuchen. Anhand von eindimensionalen Modellsystemen wird die Leistungsfähigkeit dieser Methode sowie kinetische Mean-Field Theorie im Vergleich zu Monte Carlo Simulationen getestet.

Semitransparente Solarzellen, bei denen ein Teil des eingestrahlten Lichtes transmittiert wird, eröffnen der Photovoltaik neue Möglichkeiten insbesondere in der Architektur, z.B. bei hochwertigen Solarfassaden. Die Eigenschaft, von beiden Seiten eingestrahltes Licht in elektrische Energie umzuwandeln (Bifacialität), steigert die Energieausbeute der Zelle insbesondere bei Montage vor stark reflektierenden Hintergründen.Die vorgestellte, sogenannte bifaciale POWER-Zelle (Polycrysttaline Wafer Engineering Result) erhält ihre Semitransparenz durch winzige (200µm) Löcher in der Zelle. Diese entstehen an den Schnittpunkten von, auf der Front- und Rückseite senkrecht zueinander mittels Präzisionssägen eingebrachten, tiefen Gräben. Sie dienen gleichzeitig zur elektrischen Verbindung des rück- mit dem frontseitigen Emitters.Es wurden industriell umsetzbare Herstellungssequenzen für bifaciale POWER-Zellen entwickelt und verglichen. Die erzielten Wirkungsgrade liegen mit 12 -13 bei einer optischen Transmittanz von 11 -16 wesentlich höher als bei bisherigen semitransparenten Dünnschicht-Solarzellen (ca. 4).Die Zellen weisen trotz ihrer Transmittanz mit über 30 mA/cm² z.T. eine höhere Photostromdichte als vergleichbar hergestellte, opake Referenzzellen auf. Dies begründet sich aus der makroskopischen Oberflächentextur und dem beidseitigen Emitter. Die Zellen leiden unter geringeren offenen Klemmspannungen und Füllfaktoren. Beides ist ein Resultat eines, im Vergleich zu konventionellen Zellen, um etwa 5 - 10 mal größeren Sättigungsstroms. Als Hauptgrund werden, unterstützt durch zweidimensionale Computersimulationen, die jeweils rund um die Löcher an die Oberfläche tretende Raumladungszone identifiziert.Mit der Al-P-Kodiffusion wird ein zum Patent angemeldetes Verfahren vorgestellt, das erlaubt, auf sehr einfache Weise sperrende pn-Übergänge zu erzeugen und damit die Herstellung neuartiger Solarzellen mit verschachtelten p- und n-Typ-Bereichen wesentlich vereinfacht

In dieser Arbeit wird ein numerischer Algorithmus zur Lösung der Maxwellgleichungen beschrieben. Es handelt sich um eine Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich, die die Simulation des Lichtdurchgangs durch räumlich periodische zweidimensionale Strukturen aus beliebigen Materialien bei schrägem Lichteinfall ermöglicht. Desweiteren werden mit dem entwickelten Algorithmus durchgeführte optische Simulationen eines Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektors und einer CCD-Zelle beschrieben. Teilweise werden die die optischen Simulationen durch weitergehende Simulationen der elektronischen Vorgänge in den Halbleiterbauelementen ergänzt.

Bei Wachstumsprozessen an Oberflaechen, wie beispielsweise der Molekularstrahlepitaxie, spielen Nukleation und Keimbildung eine herausragende Rolle. Einzelne Atome des aufzubringenden Materials treffen auf der Oberflaeche auf und fuehren dort thermisch aktivierte Diffusionsprozesse aus. Die kritische Keimgroesse, die Diffusionskonstante(n) sowie die Aufdampfrate bestimmen die Dichte der stabilen Keime. Im sogenannten Submonolagenbereich geringer Bedeckungen wachsen diese Keime diffusiv unter dem Zustrom von Adatomen. Die sich entwickelnde Clustergroessenverteilung weist eine statistische Selbstähnlichkeit auf, was einen dynamischen Skalenansatz ermöglicht. Das Einsetzen der Nukleation der zweiten Lage ist von grosser Bedeutung fuer die entstehende Filmstruktur. Wenn sich stabile Cluster in der zweiten Lage erst nach dem Zusammenwachsen der Inseln in der ersten Lage bilden, wird ein glatter Film entstehen. Geht die Nukleation der zweiten Lage jedoch der Inselkoaleszenz voraus, erhält man eine rauhe Morphologie. Das Nukleationsereignis erfolgt nun stets bei einer charakteristischen Inselgroesse, dem sogenannten kritischen Radius R_c fuer die Nukleation der zweiten Lage. R_c wird entscheidend beeinflusst durch das Vorhandensein von Stufenbarrieren (Ehrlich-Schwoebel-Barrieren), die die Interlagendiffusion behindern. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von kinetischen Monte-Carlo Simulationen die Abhaengigkeit des kritischen Radius von den Prozessparametern (Temperatur, Aufdampfrate, kritische Keimgrösse) sowie der Ehrlich-Schwoebel-Barriere ermittelt. Die Simulationsergebnisse koennen mit einer einfachen Kontinuumsbeschreibung fuer den kritischen Radius nicht in Einklang gebracht werden. Deshalb wird ein neuer analytischer, auf Skalenargumenten basierender Zugang entwickelt. Dabei werden unterschiedliche physikalische Mechanismen sichtbar, die zu einem reichhaltigen Gesamtszenario mit verschiedenen Skalenregimen führen.