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Modulating the phase or rather the optical path difference of a laser beam is a challenging task. Not too seldom limitations in optical path modulation bandwidth and optical path stroke limit the desired application. Approaches to compensate for these restrictions typically trade one parameter for another and vice versa. To avoid this trade off between parameters, an in-place beam folding would be desirable. Here, an approach based on a wedged optical light interference-filter trap (WOLIT) allows the increase of the optical path difference while maintaining a small and fast optical path modulator. We showed that with the WOLIT acting as an opto-mechanical-gearbox, mechanical mirror movements of 10 nm are sufficient to generate an optical path difference greater than 1 µm at a frequency of 100 kHz.

Einleitung: Maligne und benigne Zellen unterscheiden sich nach bisherigen Untersuchungen durch ihre Kern-Plasma-Relation und an Hand ihrer Elastizitat. Zur Messung dieser mechanischen Zelleigenschaft eignet sich die Anwendung eines Rasterkraftmikroskops. Wenn Zellen verschiedener Dignitat ein unterschiedliches Resonanzverhalten zeigen, weil sie eine andere Elastizitat besitzen, ware eine selektive Ablation von spezifischen Gewebearten mittels Ultraschallwellen denkbar. Das Ziel unserer Arbeit ist eine hochselektive Ablation von Tumorgewebe unter Schonung des gesunden Gewebes zu erreichen. Material und Methode: Mittels Rasterkraftmikroskopie wurden Elastizitatsmessungen und eine ortsaufgeloste physikalische Zellcharakterisierung von Tumorzellen (UD-01 Zelllinie) durchgefuhrt. In einem weiteren Schritt wurde ein Ultraschallapplikator unter definierten Bedingungen uber einem Zellrasen positioniert und die morphologischen Veranderungen wahrend der Ultraschallbehandlung bei einer Frequenz von 24 kHz dokumentiert. Ergebnisse: Es zeigten sich verschiedene Elastizitaten auf der Plattenepithelkarzinomzelle, abhangig von der Lage und der untersuchten Lokalisation. Wir konnten bezuglich der Ultraschallanwendung eine maximale Amplitude definieren, bis zu der morphologische Zellveranderungen ausschlieslich durch Ultraschallanregung entstehen, unabhangig von entstehender Erwarmung. Nach Behandlung eines intakten Zellrasens mit fokussiertem Ultraschall konnten Verklumpungen und Ablosungen von der Oberflache beobachtet werden. Zusammenfassung: Das Rasterkraftmikroskop eignet sich zur Bestimmung der individuellen Zellelastizitat mit einer sehr hohen Ortsauflosung. Die ermittelten Daten konnten die Grundlage fur Behandlungsmodalitaten sein, die zu einer superselektiven Schadigung maligner Zellen fuhren.

We show charge-state manipulation of single Au adatoms on 2-11 monolayer (ML) thick NaCl films on Cu surfaces by attaching or detaching single electrons via the tip of an atomic force microscope (AFM). Tristate charge control (neutral, negatively charged, and positively charged) is achieved. On Cu(100) and Cu(111) supports, charge tristability is achieved independently of the NaCl layer thickness. In contrast, on Cu(311), only Au anions are stable on the thinnest NaCl films, but neutral and positive charge states become sufficiently long lived on films thicker than 4 ML to allow AFM-based charge-state-manipulation experiments.

A Soft Molecular Spring In noncontact atomic force microscopy, extremely high resolution has been achieved by attaching a terminal CO molecule to the metal scanning probe tip. This CO molecule can undergo torsional vibrations, and a full understanding of the imaging mechanism requires a measure of this spring constant. Weymouth et al. (p. 1120 , published online 6 February; see the Perspective by Salmeron ) used lateral force microscopy, in which the tip vibrates laterally across the surface, to determine this torsional constant. The stiffness of the isolated CO molecules on the tip was much less than that for CO molecules adsorbed on planar surfaces.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Einzelmolekülmagneten (SMM) $[Mn^{III}_{6}Cr^{III}]^{3+}$ und der Adsorption desselben auf Oberflächen im UHV. Die Präparation des Einzelmolekülmagneten geschah mittels Droplet Technik aus Lösung heraus. Die so präparierten Substrate, darunter HOPG, Glimmer, sowie SiO2 und Si3N4 wurden mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Rastertunnelmikroskopie (STM), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie (KPFM) im Ultrahochvakuum (UHV) untersucht. Der SMM liegt mit drei verschiedenen Gegenionen vor, die zu drei unterschiedlichen Molekülen führen. Zusammen mit den verschiedenen Substraten ergeben sich spezifische Resultate in der Adsorption. Die Kombination des SMM $[Mn^{III}_{6}Cr^{III}]$ (ClO4)3 auf HOPG führt zu zwei Adsorptionscharakteristika, die einzigartig im Vergleich mit anderen $[Mn^{III}_{6}Cr^{III}]^{3+}$ basierten SMMs und Substraten sind. Der SMM zeigt einerseits eine Dekomposition auf der Oberfläche, bei der sich das Molekül in seine Hauptkomponenten zersetzt. Auf der Oberfläche lassen sich intakte und zersetzte Moleküle gleichzeitig beobachten und auch durch die jeweilige Kontaktpotentialdifferenz (CPD) unterscheiden. Das zersetzte Molekül wurde modelliert, wodurch sowohl die Ausrichtung des intakten als auch des zersetzten Moleküls auf dem Substrat beschrieben werden kann. Andererseits gibt es Bereiche in denen intakte Moleküle geordnet auf dem Substrat adsorbieren. Dies resultiert in Strukturen mit großer Symmetrie auf der Oberfläche. Die Fourieranalyse zeigt zweizählige Strukturen und solche, die ebenfalls zweizählig, aber einer vierzähligen Symmetrie sehr ähnlich sind. Ein hierzu entwickeltes Modell ist in der Lage die Abstände und Winkel der Moleküle untereinander, sowie relativ zum Substrat zu beschreiben.

Im ersten Teil der Arbeit werden Graphen sowie von Monolagen von auf Nanometer großen Graphenen basierenden Hexa-peri(Dodekyl)-Hexabenzocoronen-Molekülen (HBC-C12), adsorbiert auf Graphen, mit Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie an der Fest-Flüssig-Grenzfläche untersucht. Nanographen-Moleküle selbstaggregieren epitaktisch zu hochgeordneten Monolagen. Die Einheitszellen der Moleküllagen auf Monolage Graphen, Bilage Graphen und auf Graphit sind ununterscheidbar. Die Strukturen der Moleküllagen auf gewellten und flachen Teilen des Graphens stimmen überein. Strom-Spannungs-Kennlinien an Nanographen auf Graphen und auf Graphit weisen auf sehr ähnliche elektronische Eigenschaften hin. Zusammengefasst sind strukturelle sowie elektronische Eigenschaften der Nanographenlage homogen, stabil und definiert. Graphen erweist sich als bestens als Substrat und gleichzeitig als Elektrode für hochgeordnete Lagen von Nanographen-Molekülen geeignet. Im zweiten Teil der Arbeit wird Graphen mit der Sonde eines Rasterkraftmikroskops im Kontaktmodus mechanisch manipuliert. Es wird gezeigt, dass Graphen in nur einem Manipulationsschritt zu Streifen und Spalt geschnitten werden kann. Dieses Verhalten wird mit einem klassischen Modell des Biegens theoretisch erklärt. Das Schnittverhalten liegt in der 2-Dimensionalität des Graphens sowie in dessen Faltbarkeit auf Grund hinreichender Elastizität begründet. Durch mechanische Manipulation mit der Sonde des Rasterkraftmikroskops im Kontaktmodus unter atmosphärischen Bedingungen wird eine Flüssigkeitsschicht zwischen Graphen und dem Siliziumdioxidsubstrat nachgewiesen, welche eine mögliche Erklärung des stark kraftabhängigen Materialkontrasts zwischen Graphen und Siliziumdioxid im Amplitudenmodulationsmodus des Rasterkraftmikroskops darstellt. Weiter wird gezeigt, dass das Falten des Graphens durch mechanische Manipulation eine geeignete Methode zur Herstellung nicht epitaktisch aufeinander gestapelter Graphene darstellt. In the first part of the thesis graphene as well as monolayers of hexa-peri(dodecyl)-hexabenzocoronene molecules (HBC-C12) based on nanometer sized graphenes adsorbed on graphene is investigated by scanning tunnelling microscopy and tunneling spectroscopy at the solid-liquid interface. The nanographene molecules self-assemble on graphene epitaxially to form highly ordered monolayers. The unit cells of the molecular layers on monolayer graphene, bilayer graphene and on graphite appear identical. The structures of the molecular layers occur equal on corrugated and on flat parts of graphene. Current-voltage-characteristics show that the electronic properties of nanographene on graphene and on graphite are very similar. Summarized, structural as well as electronic properties of the nanographene layer are homogeneous, stable and defined. Graphene proves to be excellently qualified for simultaneously being substrate as well as electrode for highly ordered layers of nanographene based molecules. In the second part of the thesis graphene is mechanically manipulated in air in contact mode of a scanning force microscope. It is shown that a single manipulation process can lead to a stripe cut out of graphene. This behaviour is theoretically explained by a classical bending model. The cutting behavior originates from the 2-dimensionality of graphene and its folding ability because of sufficient elasticity. A liquid layer between graphene and the silicon dioxide substrate is verified by mechanical manipulation in contact mode of a scanning force microscope. Hence a possible explanation could be found for the strongly force dependent material contrast between graphene and silicon dioxide in amplitude modulation mode of the scanning force microscope. Further, it is demonstrated that folding graphene by mechanical manipulation is a proper method for the production of graphene stacked on each other non-epitaxially.

Die Kontrolle von Reibung auf kleiner Skala ist von fundamentaler Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf die fortschreitende Miniaturisierung von mechanischen Bauteilen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hochaufgelöste Experimente zur Reibung in ultrasauberen Flüssigkeiten durchgeführt, um so die Möglichkeiten der Kontrolle von Reibungskräften auf Gold in wässrigen Elektrolyten und ionischen Flüssigkeiten auf atomare Mechanismen zurückführen zu können. Die Kombination der Rasterkraftmikroskopie mit elektrochemischen Methoden erlaubt es, die Oberflächeneigenschaften reversibel und in situ zu variieren. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Reibungskraft mit der atomaren Oberflächenrauigkeit skaliert. Auf reinen, rekonstruierten Goldoberflächen ist die Reibung sehr gering und nur schwach von der Normalkraft abhängig. Mit der Modifikation der Oberfläche durch Aufhebung der Rekonstruktion, durch Oxidation oder durch ionische Adsorbate wird eine signifikante Zunahme der Reibungskraft beobachtet. Die Prozesse sind reversibel und erlauben eine aktive Kontrolle und Schaltbarkeit der Reibung. Ionische Flüssigkeiten werden genutzt, um das effektive elektrochemische Fenster zu vergrößern. Es wird gezeigt, dass die Reibung über das Verhalten eingeschlossener ionischer Schichten anstatt durch die Modifikation der Oberfläche an sich geschaltet werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen eine breite Anwendbarkeit des Konzepts der elektrochemischen Kontrolle von Reibungskräften. The control of friction at small scales is of utmost importance, particularly due to the continuing miniaturization of mechanical devices. Within this thesis, high-resolution friction experiments in ultra-clean liquids have been performed to attribute the possibilities of a control of friction forces on gold surfaces in aqueous electrolytes and ionic liquids to atomistic mechanisms. Combining atomic force microscopy and electrochemical methods allows one to reversibly change the properties of the surfaces in situ. This thesis will demonstrate that friction forces scale with the surface roughness. Friction on clean and reconstructed gold surfaces is extremely low and depends only weakly on normal loads. A modification of the surface resulting from a lifting of the reconstruction, an oxidation or by the adsorbtion of ionic species yields in considerably higher friction forces. These processes are reversible and allow for an active control and switchability of friction. Ionic liquids are used to increase the effective electrochemical window. It will be demonstrated that friction can be controlled by confined ionic layers rather than by a modification of the underlying surface itself. The results of this thesis confirm a wide applicability of the concept of an electrochemical control of friction.

In atomic force microscopy (AFM) high-performance and high precision control of the scanning-system is crucial. At high imaging speeds the dynamic behaviour of the scanner may cause imaging artefacts limiting the maximum imaging rate. This contribution discusses recent improvements for faster imaging by utilizing modern mechatronic and control engineering methods.

The ageing of microporous layers (MPL) of fuel cell gas diffusion layers has been analyzed using a special atomic force microscopy technique. The mean local adhesion force on the surface as well as the energy dissipation on the same area has been used as a measure for changes of surface properties corresponding to ageing of the MPL. The samples have been studied before and after fuel cell operation. In all cases, the changes due to operation are stronger on the cathode compared to the anode. The results from measurements under comparably dry and wet conditions are consistent with an increased loss of polytetrafluoroethylene (PTFE) at the cathode which leads to a hydrophobicity loss.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Erkenntnisse gewonnen, die die Strukturierung von Purpurmembranen auf festen Substraten ermöglichen. Dazu zählen die Erforschung der Morphologie von PM auf unterschiedlichen Substraten, die Orientierung der Membranen und die Fusion von PM zur Gewinnung von ausgedehnten PM-Monolagen. Die Krümmung der BR-Mutanten D85N und D85T in alkalischen Lösungen wurden mittels AFM und Kraftspektroskopie untersucht. Dabei konnte die Theorie bestätigt werden, nach der die Membrankrümmung auf die Konformationsänderung des BR während des Photozyklus zurückzuführen ist. Durch Kraftspektroskopie wurde die Biegungsrichtung der D85X-Membranen identifiziert und gezeigt, dass die Kräfte, die zur Biegung der Membranen führen größer sind als die Kräfte zwischen PM und Oberfläche. Eine neue Methode zur orientierten Immobilisierung von PM auf einer Oberfläche wurde in dieser Arbeit entwickelt. Die BR-Mutante Q3C wurde auf Goldsubstraten angebunden. Q3C-PM konnte nur mit seiner extrazellulären Seite eine Bindung zur Goldoberfläche eingehen, da der N-Terminus nur von dieser Seite zugänglich war. Die entgegengesetzt liegenden PMs konnten entfernt werden, so dass eine orientierte PM-Monolage erhalten wurde. Durch Einzelmolekül Kraftspektroskopie konnten die Seiten der angebundenen Q3C-PM identifiziert werden. Die Ergebnisse ließen auf einen hohen Grad an Orientierung der PMs schließen. Die an BR-Q3C aufgenommenen Kraftkurven zeigten einen zusätzlichen Peak, der durch die Gold-Cystein-Bindung verursacht wurde. Die Entfaltung der Helix A konnte so erstmals kraftspektroskopisch analysiert werden. Ein weiteres Ergebnis ergab sich aus der Analyse der Kraftkurven: Bei einem Teil der BR-Monomere wurden die α-Helices nicht paarweise entfaltet. Diese Kraftkurven resultierten aus dem Entfalten der Helices A-C in einem simultanen Prozess. Zur Fusion von PM auf Oberflächen wurde der Einfluss verschiedener Substrate auf die Morphologie der PM untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass Glimmer große Auswirkungen auf die adsorbierten Biokomponenten hat. Es zeigte sich bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen eine fortschreitende Denaturierung der PMs von ihren Rändern aus. Diese Denaturierung kann auf Wechselwirkungen mit dem Substrat zurückgeführt werden, da PM in Suspension unter denselben Bedingungen stabil ist. Die Denaturierung konnte mit molekularer Auflösung und zeitaufgelöst beobachtet werden. Durch Modifikation der Glimmeroberfläche mit Polyasparaginsäure konnte die Denaturierung verringert werden. Auch die Substrate Gold und Silicium hatten einen geringeren denaturierenden Effekt. Sowohl der modifizierte Glimmer als auch Gold und Silicium waren nur spärlich mit PM belegt. Die auf die PM wirkenden Kräfte können einerseits zur Denaturierung der Probe führen, sind aber andererseits notwendig, um die PM auf der Oberfläche zu halten. Es zeigte sich, dass nur auf unbehandelten Glimmeroberflächen ein Belegungsgrad mit PM erreicht wurde, der eine Fusion der Purpurmembranen zu einer durchgehenden Monolage ermöglicht. Gebleichte Purpurmembranen wurden auf Glimmer abgeschieden und mit Retinal regeneriert. Diese Vorgehensweise führte zu einer polykristallinen Monolage. Die kristallinen Bereiche wurden durch AFM-Untersuchungen mit molekularer Auflösung abgebildet. Dabei zeigte sich, dass die Bereiche zueinander verdrehte Orientierungen ihrer Kristallstruktur aufwiesen. Zeitaufgelöste Analysen zeigten die Beweglichkeit der Bereiche innerhalb der Membran. Verbesserte Methoden zur Regeneration von PM auf Glimmeroberflächen wurden entwickelt, indem mehrere Faktoren, die auf die Regeneration der Membranen einwirkten untersucht wurden. Es stellte sich heraus, dass das Ethanol, das als Lösungsmittel des Retinals verwendet wurde, einen denaturierenden Effekt auf die Membranen hatte. Die Regeneration ohne Retinalzugabe führte zu kristallinen Bereichen mit einer Ausdehnung von mehreren hundert Nanometern. Durch die verbesserte Regeneration wurde ein Anteil an regenerierten Bereichen von ca. 2/3 der mit PM belegten Fläche erreicht. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse sind für viele Anwendungen von BR relevant, in denen eine Orientierung von PM oder ein Kontakt von PM-Monolagen mit einem Substrat nötig ist. Ein Lösungsansatz für das Problem der Denaturierung von PM wurde durch die Beeinflussung der Oberflächenwechselwirkungen gefunden. Neben der Denaturierung sind jedoch auch der Belegungsgrad und die Desorption der Membranen zu beachten. Generell muss für Schnittstellen zwischen Biomolekülen und herkömmlicher Technik ein geeignetes Substrat gewählt werden, indem alle diese Faktoren berücksichtigt werden. Weitergehende Untersuchungen der komplexen Wechselwirkungen an Oberflächen sind für viele Bereiche der Biotechnologie von Interesse – auch eine weitere Verbesserung der Fusion von PM könnte von den gewonnenen Erkenntnissen profitieren., In this disputation techniques were elaborated which allow the structuring of purple membranes on solid substrates. Particularly the morphology of PM on different substrates was investigated and the orientation of the membranes and the fusion of PM to produce extended PM-monolayers were realized. The bending of the Bacteriorhodopsin mutants D85N and D85T in alkaline solutions were examined by means of atomic force microscopy and single molecule force spectroscopy. The results confirm the model that M-state formation during the photocycle of BR causes an opening of the cytoplasmic half-channel which induces large scale bending of the membranes. The bending direction of the D85X membranes was identified by single molecule force spectroscopy and it was shown that the forces, which cause the bending of the membranes, are stronger than the interactions between PM and surface. A new method to immobilize PM on surfaces in an oriented way was developed in this work. Genetically modified BR-Q3C which contains a thiole group in the N terminus was bound on ultrasmooth gold substrates. Because the N-terminus of BR-Q3C was accessible only from the extracellular membrane side, the membranes could be bound with their extracellular side covalently to the gold surface. The unspecifically bound oppositely oriented PMs could be removed, so that a highly oriented PM-monolayer was received. The side of the bound PM could be identified by single molecule force spectroscopy. The results concluded a high degree of orientation of the PMs on the gold surface. The force curves taken on BR-Q3C showed an additional Peak which was caused by the gold-Cysteine connection. The unfolding of the Helix A could be analyzed for the first time with force spectroscopy experiments. Another result arose from the analysis of the force curves: The transmembrane α-Helices of some BR-monomers were not unfolded pairwise. These force curves resulted from unfolding the Helices A-C in a simultaneous process. To fuse purple membranes on surfaces the influence of different substrates on the morphology of the membranes was examined. Surprisingly it was found that PM seems not to be structurally stable in general when adsorbed to a surface. On mica, which is used for most of the AFM imaging experiments with PM, time- and temperature-dependent denaturation was observed. The progression of the denaturation could be observed with molecular resolution. The denaturation could be reduced by adjusting the interactions between PM and the support. Polyaspartic acid-coated mica and the substrates gold and silicon had a lower denaturating effect. The modified mica as well as gold and silicon were covered only sparsely with PM. The attractive and repulsive forces which take effect on adsorbed PM on surfaces are discussed in chapter 3.3.1. On the one hand these forces can lead to the denaturation of the sample; on the other hand they are necessary to hold the PM on the surface. It became apparent that only on untreated mica surfaces a sufficient high degree of coverage with PM was reached which allows the fusion of the purple membranes to a continuous monolayer. Bleached purple membranes were adsorbed on mica and were regenerated with retinal. This approach led to a polycrystalline monolayer. 50-100 nm sized crystalline areas were imaged by AFM investigations with molecular resolution. Thereby the crystal structures of the ordered membrane parts were found to be distorted in comparison to each other. Time-dependent analyses showed the mobility of the areas within the membrane. Improved methods to regenerate PM on mica surfaces were developed, while several factors, which had an effect on the regeneration of the membranes, were examined. It turned out that the ethanol which was used as a solvent of the retinal had a denaturating effect on the membranes. The regeneration without addition of retinal led to crystalline areas with a diameter of several hundred nanometers. With the improved methods approx. 2/3 of the surface occupied with PM could be regenerated. The results obtained in this work are relevant for many applications of Bacteriorhodopsin in which an orientation of PM or a contact of PM-monolayers with a substrate is necessary. A solution for the problem of the denaturation of PM was found by influencing of the surface interaction. Nevertheless, beside the denaturation the degree of coverage and the desorption of the membranes have to be considered. In general a suitable substrate must be chosen for interfaces between biomolecules and established technology, while all these factors are regarded. Further investigations of the complex interactions on surfaces are of interest to many areas of biotechnology - also proceeding improvement of the fusion of native PM could benefit from the knowledge gathered here.

Ausgangspunkt dieser vorliegenden Arbeit waren bisherige Untersuchungen unseres Arbeitskreises zum Memb-ranverankerungsverhalten (Phospholipidmembranen, LUV) von Nukleosiden und Oligonukleotiden, welche einen lipophilen Anker an der 5-Position der Pyrimidin- oder an der 8-Position der Purinbase tragen. Diese Nukleolipide ankern gut in der Membran, stehen aber nicht mehr für eine Watson-Crick-Basenpaarung an der Phasengrenzfläche zu Verfügung. Demnach wurde durch die Verwendung unterschiedlicher Reaktionen (Veresterung, Thioetherbildung, Carbamoylverknüpfung oder „Clickreaktion“ zu Triazolen) und verschiedener funktioneller Gruppen (Hydroxy, Thiohydroxy, Azid, Amin) an die 2´-Position der Nukleoside eine Reihe von lipophilen Resten (Alkylketten, Cholesterol, Pyren) eingeführt. Diese Konjugate verankerten ebenfalls gut in den Membranen und es zeigten sich erste Hinweise, dass durch die Einführung eines Spacers zwischen dem Nukleosid und dem lipophilen Anker, eine Basenpaarung an der Phasengrenzfläche möglich ist. Weiterhin zeigte es sich, dass Nukleolipide mit nur einem lipophilen Rest nicht stabil in Membranen verankern, vor allem, wenn dieser nicht verzweigt ist. Bei der Anwendung von Oligonukleotiden zum Ankern in Membranen ist es unbedeu-tend, an welcher Stelle der lipophile Rest am Nukleotid vorkommt, denn zum einen geht das entsprechende Nukleolipid selbst keine Basenpaarung ein und zum anderen erfolgt keine Basenpaarung über dieses hinweg. Für biotechnologische Anwendungen konnte mit Hilfe dieser synthetisierten lipophilen Oligonukleotide gezeigt werden, dass zwei vesikelmembranverankerte Oligonukleotide, welche komplementäre Enden tragen, eine Doppelhelix miteinander bilden und so diese beiden Vesikel auf einen definierten Abstand halten können. Da Nukleolipide einen amphiphilen Charakter aufweisen, sollte unter dem AFM untersucht werden, ob diese supramolekulare Strukturen zeigen. Dies wurde in der Tat auch beobachtet. Ebenso konnten mittels der LB-Technik LB-Schichten aus Nukleolipiden dargestellt werden. The starting point of this work was found in our previous studies about anchoring behaviour of lipidated nucleo-sides and oligonucleotides in biocompatible phospholipid membranes (LUV). That nucleosides and oligonucleotides bear a lipophilic anchor at the 5-position of pyrimidine or at the 8-position of purinbases. This nucleolipi-des anchor well in such membranes, but were not longer available for a Watson-Crick base pairing at the interface to water. Therefore lipophilic groups (alkyl chain, cholesterol, Pyren etc.) were now connected to the 2''-position of nucleosides by several reactions (esterification, thioether binding, carbamoyl binding or "click reaction") and various functional groups (hydroxy, thiohydroxy, azide, amine) to the 2´-position of nucleosides. These nucleolipides also well anchored in the model membranes, and gave first evidence that by introducing a spacer between the nucleoside and the lipophilic anchor a base pairing at the interface to water is possible. However, only one anchor is not sufficient for a stable anchoring in the phospholipid membranes, especially if they are not branched. It was found out that it is insignifacant for the application of oligonucleotides in membrane anchoring, at which position of nucleotide the lipid is attached, because on the one hand, the corresponding nucleolipid can not form a pair with a corresponding nucleobase and secondly, there is no base pairing in the nucleotides situated between two lipidated positions. For biotechnology applications it might be interesting that two different vesicles each of it furnushed with a complementary lipidated oligonucleotide could be kept together in a defined distance by forming double strand DNA. Since nucleolipide possess amphiphilic character, there abillity to form supramolecular structures was investigated by atomic force microscope (AFM). In addition formation of LB-layers could be achieved by LB-technology.

Due to magnetic interactions between magnetic field inducing bodies, force effects occur on the materials. The numerical computation of those occuring forces with respect to a subsequent structural analysis of a deformable material is still a topic of interest in research. In this paper a comparison between several existent force calculation methods regarding the total force is given for an example with two magnetic cubes. Furthermore, differences are shown concerning the local force densities on the magnetic coating of a magnetic force microscope., Die numerische Berechnung entstehender Kraftwirkungen auf Körper aufgrund magnetischer Wechselwirkungen zwischen diesen, ist in Bezug auf die mechanische Deformation dieser Körper ein noch nicht vollständig gelöstes Problem. In dieser Arbeit wird ein Vergleich vorhandener Kraftberechnungsmethoden hinsichtlich der totalen Kraft anhand eines analytisch berechenbaren Beispiels vorgestellt, sowie Unterschiede der lokalen Kraftdichten dieser Methoden in Anwendung auf die magnetische Beschichtung eines magnetischen Rasterkraftmikroskops aufgezeigt.

Modern numerical methods for field calculations are having problems dealing with singularities correctly. This paper provides two alternative methods that are able to handle electric fields including singularities in tip-like configurations. These configurations occur in atomic force microscopes. Another focus will be the suitability of coupling the presented methods with usual numerical methods., Mit Hilfe von weitverbreiteten numerischen Methoden wie BEM/FEM lassen sich Singularitäten im Feldverlauf nur bedingt berücksichtigen. Es sollen daher zwei alternative numerische Feldberechnungsmethoden vorgestellt werden, die sich insbesondere für Spitzengeometrien eigenen, wie sie bei Rasterkraftmikroskopen eingesetzt werden. Dabei soll ein weiteres Augenmerk auf die Eignung der Kopplung der vorgeschlagenen Methoden an andere Feldberechnungsmethoden gerichtet werden.

In der Arbeit wurden makromolekulare Proteinkomplexe in verschiedenen funktionellen Zuständen mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Um die Abbildung von biologischen Einzelmolekülen in Lösung zu verbessern, wurde das kommerzielle Gerät um eine Regelungseinheit ergänzt. Diese ermöglichte eine präzisere Kontrolle der bei der Abbildung wirkenden Kräfte. Das Hauptstudienobjekt war das Chaperonin GroEL aus Escherichia coli, das im Komplex mit GroES und Substraten abgebildet werden konnte. Daneben wurde das 20S-Proteasom aus Thermoplasma acidophilum, eine Proteinabbaumaschinerie, sowie das SMC-Protein aus Bacillus subtilis, das für die Packung der DNA zuständig ist, untersucht. The aim of the present work was to investigate the functional states of macromolecular protein complexes. This was realized using Atomic Force Microscopy (AFM) on single molecules. In order to improve imaging of biological molecules in solution an additional control loop was installed to the commercial device. Thereby better control over acting forces was enabled. The attention was focused on the chaperonin GroEL from Escherichia coli which could be imaged together with GroES and its substrates. Besides, both the 20S proteasome from Thermoplasma acidophilum, a protease complex, and the SMC complex from Bacillus subtilis, which is responsible for DNA packaging, have been investigated.

In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte zur Rasterkraftmikroskopie (AFM) in fluider Umgebung vorgestellt. Sämtliche Experimente wurden im sog. TappingMode durchgeführt, der sich durch sehr hohe laterale Auflösung und dabei sehr geringe Beeinflussung der Probe durch die AFM-Spitze auszeichnet. Im ersten Teil dieser Arbeit wird in systematischen Messreihen untersucht, wie sich die relative Luftfeuchtigkeit auf Amplituden-Phasen-Distanz (APD)-Kurven auswirkt. Es wird gezeigt, dass bei hydrophilen Si- oder Glimmer-Oberflächen ein deutlicher Effekt auftritt, der bei hydrophobisierten Substraten komplett ausbleibt. Dies lässt sich mit der Ausbildung eines Wasser-Meniskus zwischen der AFM-Spitze und dem Substrat erklären. Numerische Simulationsrechnungen, die ein Modell eines eben solchen Meniskus verwenden, reproduzieren die experimentellen Beobachtungen sehr gut. Im zweiten Teil der Arbeit werden AFM-Messungen in wässriger Umgebung an Poly(N-Isopropyl Acrylamid-co-Vinyl Essigsäure)-Mikrogel-Partikeln vorgestellt. Diese Partikel weisen bei T = 32 ° C einen Volumen-Phasenübergang auf. Sie sind für T < 32 ° C in Wasser löslich und zeigen eine gequollene Struktur. Für T > 32 ° C sind sie hingegen wasserunlöslich und liegen als kollabierte "Globule" mit deutlich kleinerem Volumen vor. Die hier vorgestellten Messungen zeigen zum ersten Mal, wie sich derartige PNIPAM-basierte Partikel verhalten, wenn sie an Oberflächen adsorbiert sind. Es wird zum einen der Volumenphasenübergang quantitativ verifiziert, zum anderen werden die mittels Kraftspektroskopie gewonnenen elastischen Eigenschaften des gequollenen und des kollabierten Zustands untersucht. Abschließend werden in der Arbeit noch erste Ergebnisse zweier neuartiger Messmethoden erläutert, bei denen ein Rasterkraftmikroskop im TappingMode mit einem dazu synchron gepulsten Laser kombiniert wird. Ein solches "Laser-AFM" kann u.a. verwendet werden, um die Dynamik lichtinduzierter Konformationsänderungen zu untersuchen.

Die Rasterkraftmikroskopie und speziell der Pulsed Force Mode ermöglicht durch die simultane Messung von Topographie, Adhäsion und Steifigkeit das Studium der mechanischen Eigenschaften von Polymeren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Adhäsionsuntersuchungen an UV-belichtetem Polybutylenterephtalat durchgeführt. Mit zunehmender Belichtungszeit verstärkten sich die gemessenen Adhäsionskräfte, gleichzeitig bildeteten sich auf der Oberfläche kleine, pustelförmige Ablagerungen. Diese wiesen eine niedrige Adhäsion auf und bestehen vermutlich aus niedermolekularen, durch die UV-Strahlung erzeugten Abbauprodukten. An zwei weiteren Polymersystemen (Ethylen-Vinylacetat bzw. Polyacrylat mit Harzbeimischung) wurden Steifigkeitsmessungen durchgeführt. Zusätzlich zum Materialkontrast wurde dabei die Eindringtiefe der Spitze in die Probe bestimmt, woraus sich unter Zuhilfenahme eines Sneddon-Modells der Elastizitätsmodul der Probe berechnen läßt. Die so ermittelten Moduln wurden mit Werten aus Verstreckexperimenten bzw. DMTA-Messungen verglichen. Weiterhin wurde im Falle des EVA die Schichtdicke eines dünnen Polymerfilms auf einem Glassubstrat variiert. Hier zeigte sich, daß die Steifigkeitsmessungen erst dann vom darunterliegenden Substrat unbeeinflußt sind, wenn die Filmdicke mehr als dem zehnfachen der Eindringtiefe der Spitze in die Probe entspricht.

1981 entwickelten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer bei IBM in Zürich das "Scanning Tunneling Microscope". Damit wurde erstmalig das lokal hochaufgelöste Erfassen (bis in den atomaren Auflösungsbereich) von Objekteigenschaften im Nahfeld inerter Oberflächen möglich. Dies und insbesondere die Weiterentwicklung der Technologie und die spätere (1986) Etablierung der Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy - AFM), die diese Auflösungsmöglichkeiten der Rastersondenmikroskope auch an Non-Konduktoren (nicht leitende Untersuchungsoberflächen) realisieren konnte, stellte die Geburtsstunde einer neuen mikroskopischen Ära auf dem Gebiet der biomedizinischen Grundlagenforschung dar (Kapitel 1.3). Das Studium der umfangreichen Literaturquellen zu diesem Thema und der direkte wissenschaftliche Kontakt und Erfahrungsaustausch mit anderen AFM- Arbeitsgruppen ließen im Initialstadium dieser vorliegenden Arbeit bereits erkennen, dass in der kardiovaskulären Grundlagenforschung zunehmend rasterkraftmikroskopische Versuchsansätze bearbeitet und kardiologisch interessante Fragestellungen mittels dieser Methode begleitend untersucht wurden (Kapitel 1.4). Das Ziel dieser vorliegenden Arbeit bestand darin, kardiovaskulär relevante Zellen und Einzelproteine in vivo und interventionelle Materialien (Stents) rasterkraftmikroskopisch zu untersuchen, wobei die Etablierung und technisch aufwendige Optimierung dieser neuen mikroskopischen (Kapitel 3.1) und der zellspezifisch präparatorischen Methoden (Kapitel 3.2) an diesen Untersuchungsobjekten im Mittelpunkt stehen sollte. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten endothelialen Zellen und H9C2-Myozyten stammten aus, in unserem Forschungslabor etablierten, immortalen Kulturzelllinien. Die adulten und Kardiomyozyten neonataler Ratten, die kardial- fibrozytären Zellen sowie die Thrombozyten wurden primär isoliert und als Primärkulturzellen kultiviert (Kapitel 3.2.3 und 3.2.4). Außerdem wurden vitale aortale Endothelzellen unterschiedlicher Tiere (Ratte, Meerschwein, Kaninchen) im Gewebsverband der thorakalen Aorta untersucht (Kapitel 4.2). Die Zellen wurden initial, im Rahmen der Etablierungsphase mittels unterschiedlicher Methoden fixiert und nachfolgend rasterkraftmikroskopisch untersucht und dargestellt. Der Etablierungsprozess der Methodik begann mit der Abbildung luftgetrockneter Zellen (Kapitel 4.1.1) unter Raumbedingungen und setzte sich über verschiedene Modifikationen der Zellpräparation (z.B. Glutardialdehydfixation, Cryofixation), des Abbildungsmodus (Contact-, Non-Contact-, Tapping-Mode) und der Abbildungsbedingungen (Raumbedingungen, zellphysiologische Umgebung) fort, so dass schließlich die Abbildung vitaler Zellen (Kapitel 4.1.2 und Kapitel 4.2 - 4.5) in ihrer strukturellen und funktionellen Umgebung (z.B. aortale Endothelzellen im Gewebsverband) etabliert werden konnte und routinemäßig reproduzierbar war. An stabilen oder künstlich stabilisierten Strukturen der o.g. vitalen Zellen wurden erste orientierende Messungen der bioelastischen Eigenschaften (Kraft-Abstands-Kurven, Kapitel 4.1.2.1) durchgeführt. Außerdem haben wir im Einzelfall, wenn technisch und apparativ möglich, andere hochauflösende strukturanalytische Verfahren (z.B. TEM) als mikroskopische Referenzuntersuchungen herangezogen (Kapitel 4.1.2; 4.4.1; 4.6), wobei z.T. erstaunliche Übereinstimmung zwischen den AFM- Daten und den strukturanalytischen Daten der Referenzmethoden nachweisbar waren. Ein strukturell durch Elektronenmikroskopie und Röntgendiffraktionsanalyse sehr gut beschriebenes komplexes Funktionsprotein, das 20-S-Proteasom, wurde mittels der Rasterkraftmikroskopie abgebildet und vermessen und die so gewonnenen strukturanalytischen Daten mit den bekannten strukturellen Abmessungen des Proteins verglichen (Kapitel 4.6). Die hierbei detektierten dimensionalen Abweichungen zwischen den AFM- assoziierten Daten und den bekannten strukturanalytischen Daten der Elektronenmikroskopie wurden im Kontext der funktionellen Integrität des Proteins und hinsichtlich möglicher methodischer Fehlereinflüsse (Kapitel 3.1.4.3) diskutiert. Interventionelle Materialien (Stents), die in der täglichen kardiologischen Praxis Anwendung finden, sind hinsichtlich ihrer Ultrastruktur mittels dieser hochsensitiven Abbildungsmethode im Nahfeld von Objektoberflächen untersucht worden. Bezüglich ihrer nativen Oberflächenbeschaffenheit und ihrer mechanischen Alteration durch den Ballon- Dilatationsprozess wurden die Stents sehr detailliert qualitativ und quantitativ (Kapitel 4.7) beschrieben, wobei Prädilektionsstellen der prozedural- assoziierten mechanischen Beanspruchung der Stents durch die hier beschriebene, oberflächensensitive AFM- Methode sehr genau diskriminiert werden konnten. Die präparierten Stents wurden weiterführend mit humanen Thrombozytenkonzentraten inkubiert und die Zell- Stentoberflächenkontakte sowie mögliche Stentoberflächen- induzierte Veränderungen der Thrombozyten sind morphologisch ausführlich beschrieben worden. Letztendlich wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit die spezifische Aktivierung der vitalen Thrombozyten durch pharmakologische Stimulantien (z.B. ADP) mit der, durch den AFM-Abbildungsprozess induzierten Thrombozytenaktivierung (Kapitel 4.5) unter AFM-Bedingungen verglichen und diskutiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen, dass mit der AFM-Technologie und objektorientiert optimierten Mess- und Präparationsmethoden ein neues mikroskopisches Analyseverfahren vorliegt, dass zum einen real-dreidimensionale morphologische Bildgebung bis in den submolekularen Auflösungsbereich an vitalen Zellen und präparierten Proteinkomplexen, zum anderen aber gleichermaßen Funktionsanalytik in Form von Messungen zelldynamischer Prozesse wie Migrationsbewegungen und Kontraktionen sowie visko- elastische Quantifizierung von Zellmembranen erlaubt. Der Vorteil gegenüber den meisten gegenwärtig verfügbaren mikroskopischen Methoden liegt in der neu eröffneten Möglichkeit der seriellen, wiederholten und stabil reproduzierbaren Messung an vitalen Zellen und zellulären Substrukturen. Insofern könnte in Zukunft diese neue Technologie eine methodische Bereicherung der mikroskopisch-morphologisch und funktionell orientierten Analysetechnik darstellen. In 1981 Binnig and Rohrer invented the "Scanning Tunneling Microscope". Thereby it became feasible to high-resolution record the surface-properties of specimens (up to atomic resolution) at the nearfield of inert surfaces. This and in detail the further development of this technology and the establishment of "Atomic Force Microscopy" (1986), that allows implementation of this resolution capabilities in non-conductors or insulating materials represent the birth of a new microscopic era in the field of biomedical basic research (chapter 1.3). The promise of atomic (scanning) force microscopy (AFM) for cardiovascular research is enormous. The perusal of the extensive literature concerning this topic and scientific contact with other researchers reveals initial the capabilities of this method in cardiovascular basic research. Intriguing questions of cardiology may investigate concomitantly with help of scanning-force-micoscopic approaches (chapter 1.4). The aim of this study was to investigate relevant cardiovascular cells and single proteins in-vivo and specific materials (coronary artery stents) with scanning-force-micoscopic setup. The establishment and expensive optimization of this new microscopic method (chapter 3.1) and of the cell specific preparatory methods (chapter 3.2) represented the center of interest of our inevestigations. The endothelial cells and H9C2-myocytes stem from established imortal cell culture lines. The adult cardiomyocytes and cardiomyocytes of neonatal rats, the fibrocytes and the thrombocytes were primarily cultivated (chapter 3.2.3 and 3.2.4). In addition we investigated aortic endothelial cells of intact aortic tissue of different animals (rat, guinea pig, rabbit - chapter 4.2). During the establish experiments cells underlied different methods of cell-fixation. The primary investigations was performed using air-dried cells (chapter 4.1.1) analyzed in room ambient conditions and were continued by different modifications of cell-preparation. (e.g. glutardialdehyde-fixation, cryo-fixation), of microscopic mode (contact-, non-contact-, tapping-mode) and of cell-specific environmental conditions (from room ambient to cellphysiological medium and temperature). As result we became enabled to investigate (reproducible and routinely) vital cells (chapter 4.1.2 and chapter 4.2 - 4.5) embedded in physiological normal structural und functional ambient conditions (e.g. endothelial cells of intact aortic tisue in-vivo). Additionally, we performed measurements of bio-elastic properties of stable or artificial stabilized structures of named cells (force-distances-curves - chapter 4.1.2.1). If posibble, depending of available technical equipment, we compared our microscopic results with other high-resolution analytical procedures of reference (e.g. TEM - Kapitel 4.1.2; 4.4.1; 4.6) and detected astonishing congruence between the data. Furthermore we analyzed the well-described (electron-microscopy and x-ray-diffraction data) complex 20-S-proteasome using a specific atomic force microscopic setup. Analytical and structural data of these AFM-scans and abovementioned methods were likened (chapter 4.6). The deviations concerning the detected proportions were discussed regarding functional integrity of the protein and with respect to potential methodically determined artifacts. (chapter 3.1.4.3). Assaying (qualitative and quantitative) the surface roughness properties of coronary artery stents, we found significant alterations of stent material induced by balloondilatation. We suppose, that changes in roughness of inner surface of coronary artery stents might induce clinical problems like acute stent-thrombosis and in-stent-restenosis. Finally these stents were coated with human thromboytes to investigate cell-stent-surface interactions. Surface-roughness correllated triggering of thrombocyte adhesion was evaluated by morphological analysis of AFM-scans. Finishing, we have investigated and concluding discussed the specific activation of vital thrombocytes by pharmacological substances (e.g. ADP) and by mechanical stimulation (due to AFM-associated tip-surface-interaction). The results of this work demonstrate, AFM-technology using optimized microscopic setup and object-specific adjusted measurement- and preparation- methods, is an new, powerful, microscopic technique, that allow real-3-dimensional morphological mapping up to submolecular range of resolution in vital cells and protein complexes. Moreover, this technology opens new dimensions in functional analytic of cell migration processes or cellular contractions and in evaluation of visco-elastic quantification of cell membranes. The advantage owed to the most currently available microscopic methods is the option of serial and reproducible measurement of vital cells and subcellular structures. In this respect, this new method might represent a methodical enrichment of the microscopic-morphological and functional oriented analysis-technique in future.

The atomic force microscope (AFM) and optical tweezers are tools that allow single biomolecules to be imaged and manipulated. Progress in instrumentation, sample preparation, and image acquisition conditions make novel applications of these tools possible. Biological membranes can be imaged in their native state at a lateral resolution of 0.4–1 nm and a vertical resolution of 0.1–0.2 nm. Function-related conformational changes are resolved to a similar resolution, complementing atomic structure data acquired by other methods. The unique capability of the AFM to observe single proteins directly allows the interaction of proteins forming functional assemblies to be assessed. Single molecule force spectroscopy combined with single molecule imaging provides unprecedented possibilities to analyze intra- and intermolecular forces. Optical tweezers expand the range of measurable forces to those produced by molecular motors. Combined with fluorescence measurements, optical tools give insights into fundamental biological processes such as the molecular conversion of chemical into mechanical energy.

While living matter is composed of a large number of biological nanomachines, it has been recognized early in the history of nanotechnology that medicine could be a prime field for application. Now that nanotechnology has gone beyond its infancy, its mature arsenal of tools, methods and materials is ready for applications outside physics. While true clinical applications of nanotechnology are still practically non-existent at the current time, a significant number of promising medical projects is at an advanced experimental stage. Tools based on the atomic force microscope will not only allow improved imaging of living matter but can also serve as functional probes and will even serve as sensitive sensors for a broad range of molecules of medical interest. New immunological tests based on microcontact printing and microfluidics will significantly improve medical laboratory diagnosis. New materials, including nanotubes and fullerenes, nanocontainers and other self-assembled structures may improve mechanical properties and biocompatibility of implants and will allow new approaches in drug targeting.

Die Herstellung von verspannten Schichten mittels Heteroepitaxie gewinnt in der aktuellen Festkörperphysik zunehmend an Bedeutung, insbesondere wenn es gelingt, Schichten mit unterschiedlichen Gitterparametern in hoher kristalliner Perfektion, wie sie für die Herstellung elektronischer Bauelemente notwendig ist, aufeinander abzuscheiden. Der Einsatz verspannter Schichtsysteme erlaubt es, bestimmte Materialeigenschaften, wie die Ladungsträgerbeweglichkeiten und den Bandabstand, gezielt zu beeinflussen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die frühe Phase der Relaxation von dünnen verspannten metastabilen Silizium-Germanium-Mischkristallschichten auf (001)-Siliziumsubstrat untersucht. Derartige metastabile Schichten bilden bei Temperaturbehandlung sogenannte Fehlanpassungsversetzungen aus. Die Ausbildung dieser Versetzungen in makroskopischer Ausdehnung in nahezu perfekt kristallinen Materialien setzt einen Nukleationsvorgang und die Ausbreitung durch Gleiten bzw. Klettern voraus. Diese Vorgänge wurden am o.g. Materialsystem systematisch untersucht. Die Untersuchung außerordentlich geringer Versetzungsdichten erfolgte mittels in-situ und ex-situ Röntgentopographie sowie ergänzender Messungen mittels hochauflösender Röntgendiffraktometrie. Die Plane-view-Transmissionselektronenmikroskopie sowie Atomkraftmikroskopie ergänzten die Experimente auf der damit möglichen Längenskala insbesondere für die Beurteilung des Verhaltens von sich kreuzenden Versetzungen. Es wurden Versetzungsgleitgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von verschiedenen Fremdstoffkonzentrationen und Epitaxieverfahren gemessen. Ein signifikante Einfluß dieser Verfahren auf die Gleitgeschwindigkeit konnte nicht nachgewiesen werden, jedoch veringert der Sauerstoffgehalt einiger Proben die Versetzungsgleitgeschwindigkeit. Eine Kohlenstoffdotierung von 0,1% führt bei Einbau auf Gitterplätzen zu keinem messbaren Einfluß auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Fehlanpassungsversetzungen. Der Prozess der Nukleation von Versetzungen wurde durch die heterogene Nukleation an Einzeldefekten, deren Vorhandensein stark vom Epitaxieverfahren abhängt, dominiert. Dies wurde an einer Vielzahl von Proben verifiziert. Die Aktivität der einzelnen Nukleationszentren ist sehr unterschiedlich und lässt sich nur durch ein "Spektrum" von Nukleationszentren unterschiedlicher "Stärke" erklären. Starke Nukleationszentren können bis ca 100 Versetzungen, die zusammen Versetzungsbündel bilden, induzieren. Die Nukleationszentren werden sequentiell aktiviert. Es wurde gezeigt, dass Laserbeschuss schwache Zentren "aktiviert" und eine damit eine sehr gleichmäßige Relaxation von Schichten möglich wird. Durch in-situ-Beobachtungen konnte erstmals röntgentopografisch der Prozess des Versetzungsblockierens und des Quergleitens an sich kreuzenden Versetzungsbündeln über einen großen Skalenbereich verfolgt werden.Es konnte gezeigt werden, dass die Zweikristall-Röntgentopografie ein geeignetes Verfahren zur Untersuchung großer teilrelaxierter Proben mit extrem geringem Relaxationsgrad darstellt. The deposition of metastable layers by means of heteroepitaxy is gaining more and more in importance in current solid state physics, especially if it is possible to deposit layers with rather different lattice parameters in perfect quality, necessary for the fabrication of electronic devices and semiconductor technology. The use of such layer systems enables to controlling specific material properties, for example the mobility of charge carriers and the energy gap. Within the framework of this work the early stages of the relaxation of very thin strained silicon-germanium layers deposited onto (001)silicon substrates were investigated. Such metastable layers create so-called misfit dislocations at annealing. The formation of dislocations in nearly perfect materials as silicon in macroscopic extension presumes a nucleation process and the propagation by means of gliding and/or climbing of the threading segments. These processes were investigated systematically at silicon-germanium-films on silicon substrates as a modelsystem. Very low densities of dislocations were investigated by in-situ and ex-situ X-ray topography as well as high resolution X-ray diffractometry. Plane-view transmission electron microscopy and atomic force microscopy complemented the experiments in order to study the behavior at the dislocation crossings at smaller length scale. Dislocation glide rates were measured at different concentrations of impurities (e.g. carbon) in the sample and for different growth techniques. There was no significant influence of the epitaxial method on the glide velocities but a very low amount of oxygen decreases the the velocity effectively. A low density of carbon (0,1%) wich occcupy silicon or germanium lattice sites had no significant influence on the propagation of dislocations. The process of nucleation is dominated by heterogeneous nucleation as was verified at a large number of samples and varies in detail for different epitaxial depostion methods. The activity of single nucleation centers is rather different and can interpreted with a "spectrum" of centers of different strength. A strong center can induce as many as 100 dislocations. These dislocations form bunches of dislocations as was observed with X-ray topography. The centers are sequentially activated. This was demonstrated at samples where a pretreatment with an excimer laser "activated" weak centers thereby inducing a comparatively homogeneous distribution of dislocations. By means of in-situ synchrotron radiation experiments the prozesses of propagation, blocking and crossslip could be observed for the first time in large areas of samples. The double crystal X-ray topography is a suitable method to observe these processes in comparatively large samples with a very low degree of relaxation.

True atomic resolution of conductors and insulators is now routinely obtained in vacuum by frequency modulation atomic force microscopy. So far, the imaging parameters (i.e., eigenfrequency, stiffness and oscillation amplitude of the cantilever, frequency shift) which result in optimal spatial resolution for a given cantilever and sample have been found empirically. Here, we calculate the optimal set of parameters from first principles as a function of the tip–sample system. The result shows that the either the acquisition rate or the signal-to-noise ratio could be increased by up to two orders of magnitude by using stiffer cantilevers and smaller amplitudes than are in use today.

Metallhaltige amorphe Kohlenwasserstoffschichten (Me-C:H) sind aufgrund ihrer ausgezeichneten mnechanisch-tribologischen Eigenschaften, sowie ihrer über 12-14 Größenordnungen einstellbaren elektrischen Leitfähigkeit, ein für industrielle Anwendungen besonders interessantes Schichtsystem. Während der Herstellung in einem Sputter-CVD-Prozess kommt es zu einer Kondensation des Metalls in kleine, einige Nanometer große Partikel, die in eine dreidimensional vernetzte Kohlenwasserstoffmatrix eingebettet sind. Für das Verständnis der mechanischen und elektrischen Eigenschaften ist es notwendig, diese Nanostruktur zu verstehen, insbesondere Abstände und Größenverteilungen der metallhaltigen Partikel als Funktion des Metallgehaltes zu bestimmen. Dazu wurden als unabhängige Methoden die Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie (STM/AFM), sowie die anomale Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) angewandt. Beide Methoden zeigen qualitativ übereinstimmende Ergebnisse und geben quantitative Informationen über die Verteilung der Partikelradien. In einigen Fällen zeigen die SAXS-Messungen Hinweise auf bimodale Radienverteilungen.