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Der Verschleiß und Abrieb von Oberflächen stellt in praktisch allen Bereichen eine große Herausforderung dar und führt zu Energieverlusten, verkürzter Nutzungsdauer von Materialien sowie eventuell sogar zu materiellen und personellen Schäden. Betroffene Anwendungsgebiete stellen etwa Komponenten in Luft- und Raumfahrt sowie Automobilbau, in Windkraftanlagen, in mikro- und nano-elektromechanischen Systemen, in Messgeräten wie Rasterkraftmikroskopen oder in biomedizinischen Geräten dar. Es wird geschätzt, dass sich durch die Entwicklung neuer, innovativer, abriebfester Materialien in den nächsten 10-15 Jahren Energieverluste durch Reibung und Abrieb um etwa 40 % reduzieren lassen könnten. Im Artikel werden verschiedene Ansätze dazu beschrieben.

Seit der Entdeckung des Graphens besteht ein großes Interesse an den außergewöhnlichen mechanischen, elektronischen, optischen sowie chemischen Eigenschaften weiterer zweidimensionaler (2D) Materialien wie den MXenen, die im Artikel näher beleuchtet werden. Als Ausgangsmaterial für MXene dienen MAX-Phasen, deren Schichtstrukturen aus Übergangsmetallen (M) bestehen, die von Kohlenstoff oder Stickstoff (X) koordiniert werden, und einem dazwischenliegenden Element der 3. oder 4. Hauptgruppe (A). Seit dem ersten Bericht über zweidimensionales Titancarbid liegt der Schwerpunkt noch immer auf der Erforschung der MXene selbst, aber zahlreiche Kombinationen mit Polymeren, Keramiken, Metallen und kohlenstoffbasierten Materialien (z. B. Nanoröhren (CNT), Graphen) rücken zunehmend in den Fokus. Solche MXen-Nanokomposite werden für eine enorme Bandbreite an möglichen Anwendungen synthetisiert, sie reichen von der Energiespeicherung, Sensoren, Katalyse, EMI-Abschirmung und Tribologie bis hin zum großen Bereich der Biomedizin.

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021; Aachen : RWTH Aachen University 1 Online-Ressource : Illustrationen (2021). = Dissertation, RWTH Aachen University, 2021, In the 1980s quasicrystals were first observed in intermetallic phases. Several quasicrystals have been discovered in metals by now. Quasicrystals are characterised as being non-periodic in at least one dimension. In addition, they have rotational symmetries which are prohibited in crystallography. Although their structure appears unorganised, the atoms in quasicrystals share regular distances that lead to distinctive scattering images comparable to crystals. Latest research found even quasicrystals and quasicrystalline structures in the field of soft matter, e. g. a dendritic assembly, a star polymer, a mesoporous silica assembly, a block copolymer melt and a lyotropic phase from micelles made of block copolymers. Only a few examples were described so far. The aim of this work was to find new quasicrystals in soft materials. Quasicrystals are only stable when two intrinsic length scales exist. Core-shell particles have two length scales. In this work two systems, both relating to the type of core-shell particles, were used: block copolymer micelles and polymer-coated nanoparticles. The micelles consist of polyisoprene-polystyrene (PI-PS) block copolymers and the nanocomposites consist of iron oxide nanoparticles coated with polystyrene. In rheo-SAXS experiments (oscillatory shearing) dodecagonal quasicrystals occurred in both systems, each in concentrated solution (solvent: diethylphthalate), depending on the temperature. The formation of the quasicrystal by micelles was observed at the synchrotron in time resolution. Besides the general existing of two intrinsic length scales, the proportion of the core radius to the total radius of the core-shell particle is essential to find quasicrystals. Before the anionic polymerisation the polymer length of the polystyrene (nanocomposites) was chosen as assumed proportion to achieve the formation of quasicrystals. Both for the micelles and nanocomposites the proportion was determined by SAXS and SANS. Furthermore, when choosing the concentration of the solutions the following was considered: The core-shell particles need to start assembling themselves while still enough space remains among the particles. During the rheo-SAXS measurements the stability of the quasicrystals (nanocomposites) was investigated. After temperature-dependent rheology measurements (amplitude sweeps) of the concentrated solutions of both systems the intersection point of the elastic and the loss modulus was determined. The strains, identified in the range of the intersection point, decisively supported the successful formation of the quasicrystal during the rheo-SAXS and rheo-SANS experiments. There is a clear correlation between shear conditions and structure formation which occurs in the non-linear range of rheology., Published by RWTH Aachen University, Aachen

Within the scope of this work, it was accomplished to produce (bio-) nanocomposites/hybrids based on synthetic layered silicates. These can be used in various low- and high-tech applications due to their versatile characteristics. The main focus was on the barrier properties of these polymeric layered silicate nanocomposites/hybrids. In addition to the determination of suitable manufacturing processes and the research of multi-functional properties, which are of interest for a wide range of applications, a deeper understanding of the influence of layered silicates as fillers on various resulting (composite/polymer) properties was gained. The solvent route used in this work initially made it possible to produce delaminated layered silicate lamellae, polymeric dispersions. These dispersions can then be further processed by doctor blading or spray coating. In the course of this work, a combined production process of electrospinning and filtration was developed to reduce the production time and increase the drying efficiency. By creating a sandwich structure and subsequent hot pressing, it was possible to produce transparent nanocomposite membranes with improved mechanical and barrier properties. As already mentioned, spray coating represents a further processing option. This was used in another project to produce a biopolymer layered silicate nanocomposite barrier coating. Especially in the field of food packaging, barrier properties play an important role in terms of food shelf life. Biopolymers, which are considered environmentally friendly alternatives for current petro-based commercial packaging materials, often do not show the desired properties. In this thesis, a water-based thin biopolymer nanocomposite coating was successfully produced, which makes the biopolymer-substrate a competitive sustainable alternative due to the resulting competitive barrier and optical properties, the predominant flexibility and the anti-colonization potential. However, barrier properties do not only play a major role in the field of food packaging. Highly diffusive gases such as hydrogen, or even helium, are particularly important in the aerospace industry. A water-based high-barrier nanocomposite liner against helium and hydrogen has been developed, which can be used as a barrier coating in lighter-than-air vehicles or space technology. Additionally, the flexibility and competitive barrier properties even outperform high barrier polymers. The developed system is particularly convincing due to its low application weight, which is of enormous relevance especially in lightweight construction applications. In many fields of application, it is necessary that the above-mentioned barrier properties are maintained even at high humidity levels. For this purpose, copolymers with varying hydrophobic components are often used to control the swelling behavior and thus the barrier properties. Fillers can also change this swelling behavior. Within the scope of this work, a perfectly structured polymer hybrid was produced, which served as a model system to work out a detailed relationship between the filler content, the dependence of the barrier properties on the humidity and the impact of the confinement effect due to high filler contents. But not only the impermeability of the layered silicates has a positive influence on the barrier properties. Crystalline areas in polymers are also considered impermeable to gases and water vapor. Using a water-based polymer, the interplay of the nucleation and confinement effect based on the filler content of the layered silicates could be worked out. By varying the filler content, it was thus possible to produce nanocomposites with tailor-made crystallinity. The present work is a cumulative thesis. Therefore, all results are presented in the attached publications.

Die effiziente Isolierung von Gebäuden ist sowohl aus ökonomischer als auch ökologischer Sicht besonders wichtig, da sich durch die Reduzierung der zur Erzeugung von Raumwärme benötigten Energie Heizkosten sparen und die Emission von Treibhausgasen reduzieren lassen. Gegenwärtig werden hauptsächlich poröse Schaummaterialien verwendet, deren geringe Wärmeleitung durch den isolierenden Effekt der in den Poren enthaltenen ruhenden Gase erzeugt wird. Aufgrund dieser hochporösen Strukturen ist die mechanische Stabilität solcher Materialien jedoch sehr gering. Im Rahmen dieser Arbeit sollten Nanokomposite entwickelt werden, die sowohl eine geringe Wärmeleitfähigkeit als auch ansprechende mechanische Eigenschaften besitzen. In diesem Zusammenhang sollte die Stabilität der Materialien durch den Einsatz von Polymermatrices erzeugt werden. Um die Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe zu verringern, sollten möglichst viele Grenzflächen innerhalb des Werkstoffes erzeugt werden. Dazu wurde ein Gemisch aus drei verschiedenen Sorten von Nanopartikeln durch Solution-Blending in unterschiedliche thermoplastische Polymere integriert. Dabei zeigte sich, dass aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften des hydrophilen Füllstoffes und der hydrophoben Matrix starke Agglomerate innerhalb der Komposite entstehen. Diese Agglomerate stellen Wärmebrücken und Sollbruchstellen dar, wodurch die Eigenschaften der Werkstoffe bezüglich der Stabilität und der Wärmeleitfähigkeit negativ beeinflusst werden. Um die Bildung von Agglomeraten zu vermeiden, wurden die Oberflächeneigenschaften der Füllstoffe so modifiziert, dass diese nun ebenfalls hydrophob waren und polymerisierbare Gruppen trugen. Des Weiteren wurde ein Zwei-Stufen-Prozess entwickelt, der es ermöglicht, die modifizierten Nanopartikel agglomerationsfrei für eine Emulsionspolymerisation zu präparieren. Die Komposite, die so hergestellt wurden, zeigten eine geringfügig verringerte Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig eine Verbesserung der mechanischen Stabilität im Vergleich zum reinen Polymer. Da die Wärmeleitfähigkeit jedoch nur geringfügig verringert werden konnte, musste eine gewisse Porosität in die Komposite eingeführt werden. Um dabei die mechanischen Eigenschaften nicht zu verlieren, wurde diese Porosität durch die Integration hohler modifizierte Nanopartikel erzeugt. Diese Partikel wurden durch verschiedene Verfahren mit Polystyrol als Matrix verbunden. Am vielversprechendsten zeigte sich dabei die Herstellung durch Massenpolymerisation mit Styrol. Die Wärmeleitfähigkeit der hergestellten Materialien konnte dabei auf Werte von unter 0,100 [W/(m∙K)] reduziert werden. Des Weiteren wurden verschiedene Tests zur Ermittlung der mechanischen Stabilität dieser Komposite durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass sowohl die Druckfestigkeit, als auch die Härte (nach Vickers), das E-Modul und die Bruchzähigkeit im Vergleich zu reinem Polystyrol erhöht werden konnten und somit deutlich über den entsprechenden Kennwerten der Schaumisolationsmaterialien liegen., The efficient insulation of buildings is important from an economic and ecological point of view, since the reduction of the energy required to generate space heating saves cost and reduces the emission of greenhouse gases. At present, mainly porous foam materials are used for building insulation, whose low thermal conductivity is caused by the insulating effect of the gas containing pores. Due to these highly porous structures, the mechanical stability of these materials is low. In the context of this work, nanocomposites were supposed to be developed which have both low thermal conductivity and improved mechanical properties. The stability of the materials was to be generated by the use of polymer matrices. In order to reduce their thermal conductivity, as many interfaces as possible were to be generated within the material. For this purpose, a mixture of three different types of nanoparticles was integrated into different thermoplastic polymers by solution blending. It was found that, due to the different properties of the hydrophilic filler and the hydrophobic matrix, strong agglomerates within the composites were built. These agglomerates represent thermal bridges and predetermined breaking points, which negatively affect the properties of the materials in terms of stability and thermal conductivity. In order to avoid the formation of agglomerates, the surface properties of the fillers were chemically modified so, that they were hydrophobic, and carried polymerizable groups. Furthermore, a two-step process was developed, which allows the modified nanoparticles to be prepared without agglomeration for emulsion polymerization. The composites showed a slightly reduced thermal conductivity and, concurrently, an improvement in mechanical stability compared to the pure polymer. Since the thermal conductivity was only slightly reduced, some porosity had to be introduced into the composites. To maintain the enhanced mechanical properties, this porosity was generated by the integration of hollow modified nanoparticles. These particles were connected by various methods with the polystyrene matrix. The most promising approach was the production by mass polymerization of styrene. The thermal conductivity of the produced materials could be reduced to values below 0.100 [W/(m∙K)]. Furthermore, various tests were carried out to determine the mechanical stability of these composites. It became apparent that the compressive strength, the hardness (according to Vickers), the E-modulus and the fracture toughness could be increased in comparison to pure polystyrene. These values are significantly higher than the corresponding characteristic values of the foam insulation materials.

Die folgende Arbeit beschreibt die Herstellung und Untersuchung von elastomeren Schichtsilikat-Nanokompositen unter Verwendung des „Continuous Dynamic Latex Compounding (CDLC)“. CDLC ist eine neuartige Methode zur Herstellung von Kompositen und Nanokompositen aus Latices. Dabei wird ein Latex mit einem gequollenen Füllmaterial vermischt und unter Druck in einer Dehnströmung koaguliert. Die Nanokomposite aus den SBR-, NR- und X-SBR-Latices werden in ihren mechanischen Eigenschaften charakterisiert und daraus Rückschlüsse auf den Exfolierungsgrad der Schichtsilikatplättchen sowie den Zusammenhang zwischen Fällmethode und Exfolierungsgrad gezogen. Weiter wird die Auswahl des Schichtsilikattyps eingegrenzt. Der Einfluss des Fällmittels, und der Zusammenhang zwischen Fällmittel und Vulkanisationsverhalten werden untersucht. Es zeigte sich, dass der Auswahl des Schichtsilikats besondere Bedeutung zukommt. Die Montmorillonite mit den Bezeichnungen „Na+Cloisite“ und „Nanocor PGN“ wirken in Kautschuk-Nanokompositen bei Verwendung der Latexmethode am höchsten verstärkend in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften. Montmorillonit mit einem geringem Anteil an Erdalkalimetallkationen, Carbonatanionen und hohem Anteil oktaedrisch koordinierter Aluminiumatome in der Schicht ist für die Verwendung in Nanokompositen aus unpolaren Kautschuken unter Verwendung der Latexmethode am Besten geeignet. Die sehr starke organische Base Diphenylguanidin (DPG) kompensiert teilweise auftretende negative Nebeneffekte in der Vulkanisation durch im Kautschuk verbliebene eher sauer wirkende Bestandteile des Fällmittels. Es wurden Nanokomposite aus selbst hergestellten Sekundärlatices präpariert. Es zeigt sich, dass die Verstärkungswerte der über das Latexmischverfahren hergestellten Komposite denen von mechanisch eingemischten Schichtsilikaten weit überlegen ist. Auf diese Weise lassen sich auch Kautschuke zu einem Nanokomposit verarbeiten, die normalerweise nicht als Latex vorliegen.

Zur Herstellung von Quarzglas wurden Nanokomposite entwickelt, welche polymerisiert werden können. In einem Entbinderungs- und Sinterschritt entsteht ein transparentes Quarzglas. Die Nanokomposite können sowohl mittels Stereolithographie gefertigt aber auch mittels replikativer Verfahren strukturiert werden. Es wurden PMMA Präpolymere entwickelt, welche lithographisch in wenigen Sekunden strukturiert werden können. PFPEs wurden für die Stereolithographie etabliert.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Dehnungsmessstreifen können Carbon nanotube (CNT)-basierte Komposite zusätzlich eine ausgeprägte Druck-abhängigkeit des Widerstandes aufweisen. Deshalb können Drucksensoren aus CNT-Nanokomposite ohne den Einsatz von Verformungskörpern wie z. B. Biegebalken aufgebaut werden. Die möglichen Anwendungsgebiete für diese direkt messenden Sensoren wurden in der vorliegenden Arbeit bei drei industriellen Anwendungen wie z. B. bei Robotergreifarmen gezeigt. Die Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Sensors aus CNT-Nanokomposite. Unter Verwendung von Multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-Epoxidharz und interdigitalen Elektroden soll der Sensor auf wenigen Quadratzentimetern Drücke im Megapascal-Bereich und somit Kräfte im Kilonewton-Bereich messen können. Durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe und die Modellierung mit der Finite Element Methode wurde der Sensorentwurf durchgeführt sowie der Messbereich abgeschätzt. Die Herstellung der MWCNT-Epoxidharz-Dispersion erfolgte durch mechanische Mischverfahren. Anschließend wurden aus der Dispersion druckempfindliche Schichten mit der Schablonendrucktechnik hergestellt. Dabei wurden die Herstellungs-parameter und besonders der Füllstoffgehalt der MWCNTs variiert, um deren Einflüsse auf das mechanische, thermische und elektrische Verhalten zu untersuchen. Die Charakterisierung der mechanischen Kenngrößen erfolgte mit Zugversuchen und dynamisch-mechanischer Analyse. In den Untersuchungen zeigen die MWCNT-Komposite eine signifikante Steigerung der Zugfestigkeit und eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur gegenüber reinem Epoxidharz. Die Abhängigkeiten der Druckempfindlichkeit und der Temperaturempfindlichkeit vom Füllstoffgehalt wurden untersucht. Eine besonders hohe Druckempfindlichkeit, aber auch Temperaturempfind-lichkeit wurde bei Proben mit geringem Füllstoffgehalt (1 wt% und 1,25 wt%) festgestellt. Es ist also wichtig, die richtige Materialkombination für diese Art Sensor zu finden. Die realisierten Sensoren liefern zuverlässige Antwortsignale bei wiederholten Belastungen bis zu einer Belastung von 20 MPa (entspricht 2 kN). Zusätzlich wurde der Temperatureinfluss in einem Bereich von −20 °C bis 50 °C durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung kompensiert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine zuverlässige Druckmessung mit einer Temperaturmessabweichung von 0,214 MPa/10 K gewährleistet werden kann. In contrast to conventional metallic strain gauges, carbon nanotube (CNT) composites have an additional pressure sensitivity. Therefore, deformation elements such as bending beam is not needed by using pressure sensors, which are based on CNT nanocomposite. The possible areas of application for these pressure direct measured sensors were showed in three industrial application such as robot gripper. The focus of this work is the development and characterization of a new sensor manufactured from CNT nanocomposite. By using multi-walled carbon nanotube (MWCNT) epoxy and interdigital electrodes the sensor, which has a dimension of few square centimetre, should measure a pressure in mega Pascal range and hence a force in kilo newton range. By the selection of suitable materials and the modelling using finite element method, the sensor design as well as the measurement range were carried out. The MWCNT epoxy dispersion is manufactured by using a mechanical mixing process. Subsequent, the dispersion is used to fabricate pressure sensitive layers by stencil printing methods. Thereby, the fabrication parameters and especially the filler content of the MWCNTs were varied for the mechanical, thermal and electrical investigation. The characterization of the mechanical characteristic values were carried out by using tensile test and dynamic mechanical analysis. The results show a significant increasing of the tensile strength and glass transition temperature in comparison to neat epoxy. Additionally, the influence of the filler content to the pressure and thermal sensitivity were investigated. A highly pressure sensitivity but also a highly thermal sensitivity are obtained for samples with lower filler contents (1 wt% and 1.25 wt%). Therefore, a suitable material combination has to be chosen. The fabricated sensors show reliable response signals by repeated excitations up to 20 MPa (meets to 2 KN). Moreover, the temperature influence ranged from -20 °C to 50 °C was compensated with a Wheatstone bridge. This work demonstrate a direct pressure sensitive sensor with reliable response signals by a thermal deviation of 0.214 MPa/10K.

Das Ziel der Promotionsarbeit ist es optisch transparente, nanoskalige Strontiumfluorid- und Ytterbiumfluorid-Sole hoher Konzentration für mögliche Anwendung in der Dentalmedizin zu synthetisieren. Über die fluorolytische Sol-Gel-Synthese ist es gelungen nanoskalige MFn-Sole (M=Sr, Yb) erfolgreich herzustellen. Die Umsetzung der Metallpräkursoren mit alkoholischer HF-Lösung im organischen Lösungsmittel führt zu transparenten, niedrig viskosen Solen. Mittels DLS, XRD und TEM wurden die Sole hinsichtlich ihrer Partikelgröße und ihres Alterungsverhaltens untersucht. Mittels WAXS-Messungen wurde das Alterungsverhalten der SrF2-Sole analysiert. Mit Hilfe der XRD und 19F-MAS-NMR-Spektroskopie wurde eine fluorhaltige, kristalline Spezies als Intermediat in der fluorolytischen Sol-Gel-Synthese des SrF2 nachgewiesen. DLS-Untersuchungen an Ytterbium-Solen zeigen eine Bildung von Partikeln im unteren Nanometerbereich sowie eine konzentrationsabhängige Partikelgrößenverteilung der Solpartikel. Die erhaltenen Xerogele sind röntgenamorph. Zudem konnten neue Yb(III)-Komplexe isoliert und strukturanalytisch charakterisiert werden. Die vorliegende Arbeit zeigt eine Möglichkeit, wie Kompositmaterialien auf Basis von nano-MFn (M=Sr, Yb) hergestellt werden können. Ausgehend von transparenten Solen konnten transparente Komposite mit einem großen Anteil an anorganischen Komponenten synthetisiert werden. Des Weiteren wurde die fluorolytische Sol-Gel-Synthese auf die Synthese von Nanopartikeln im System SrF2-YbF3 übertragen. Die Untersuchungen mittels DLS und TEM zeigen die Bildung von monodispersen Partikeln mit Partikelgrößen im unteren Nanometerbereich. Die nichtstöchiometrischen Phasen Sr1-xYbxF2+x sind durch einen weiten Homogenitätsbereich (bis ca. 50 mol-% Yb) charakterisiert und zeigen Anwendungspotential auf den Gebieten der Medizin, Zahnmedizin und Optik. The focus of this thesis is the synthesis and characterization of nanoscopic metal fluorides for dental applications. Nanoscopic metal fluorides MFn (M = Sr, Yb) have been successfully synthesized via the fluorolytic sol-gel synthesis. The reaction of the metal precursors with alcoholic HF solution in organic solvents yields in transparent sols of high concentrations and low viscosity. DLS, TEM and XRD confirmed the formation of sol particles in the lower nm range and were used to characterize the particles as well as the aging behavior of the sols. Mechanistic insights were gained by following the reaction progress. A fluorine-containing crystalline species was detected by XRD and solid state 19F MAS NMR spectroscopy indicating the formation of an intermediate phase during the fluorolysis reaction. The investigation by DLS and TEM revealed the existence of ytterbium fluoride sol particles with diameter of approximately 5 nm. Additionally, DLS studies show a concentration dependency on particle size. XRD revealed total amorphousness of the product. In addition, new ytterbium(III) complexes were isolated and structurally characterized by X-ray analysis. Furthermore, the fluorolytic sol-gel synthesis has been modified for the preparation of transparent nanocomposite bulk materials. Large amounts of nanoscopic metal fluorides MFn (M=Sr, Yb) can be embedded in the organic polymer matrix commonly used in dentistry without facing loss of visual optical transparency. A new approach to prepare nanoparticles in SrF2-YbF3 systems via the fluorolytic sol-gel synthesis is presented. The investigations by DLS and TEM revealed the presence of monodisperse solid particles with sizes in the lower nm range. The Sr1-xYbxF2+x nonstoichiometric fluorite phases are characterized by a wide range of homogeneity (up to approx. 50 mol % Yb) and show promise of a wide range of applicability in the areas of medicine, dentistry and optics.

[no abstract]

The collaborative research center (SFB 855 "Magnetoelectric Composites - Future Biomagnetic Interfaces") aims to develop biomagnetic sensors with the capability of a precise detection of signals in the Femtotesla regime. Novel ME composites are the material of choice and include strain mediated 2-2, 0-3, and 1-1 designs. Such composites are accompanied in many instances with complex structural features. As functionality and property optimization of the materials are based on the minute understanding of such phenomena, structural characterization becomes indispensable particularly at the nanoscale. Within the scope of this work methods of transmission electron microscopy (TEM) were applied to obtain detailed information of the real structure from SFB relevant (magnetostrictive and piezoelectric) materials and ME composites provided by other cooperation partners. The emphasize is placed on the uncovering of the chemical and structural details of the materials, e. g. their morphology, defects and interfaces. Defects strongly affect the physical properties of materials, e. g. twin boundaries in piezoelectric materials. Quantitative structural models can be designed allowing the interpretation and simulation of high resolution contrast and the dynamic simulation of electron diffraction patterns for any zone axis. These models were created for SnO2 with the coherent twin boundary {1 0 1}, AlN with a stacking mismatch boundary caused by total displacement vector of 1/2 [1 0 -1 1], ZnO showing a superposition twinning supported by a nanospike texture along the [2 -1 -1 3] zone axis, and (Ba0:7Ca0:3TiO3)0.5 - [Ba(Zr0:2Ti0:8)O3]0.5 (BCZT) exhibiting a superposition contrast, which can be related to twinning with the twin plane {1 1 1}. Further, investigations on the ferroelectric BCZT exhibited a considerable difference between bulk and thin film samples. Only for the latter a considerable appearance of twin defects and modulations were observable. With a modulation vector of 1/7 a first interpretation as 7L polytype was provided. The growth behavior on different substrates and an [0 0 0 1] (c-axis) oriented texture was investigated for piezoelectric AlN thin films by applying advanced TEM methods. Measurements with the automated crystal orientation mapping (ACOM) system enabled a direct correlation with piezoelectric property measurements. In the progress of developing 0-3 nanocomposites, Co nanoparticles were incorporated into such AlN thin films. Electron diffraction methods showed a significant perturbance of the c-axis oriented growth of AlN. This pivotal result supports the statement of 0-3 nanocomposite for being unsuitable as base for highly sensitive ME materials. A magentostrictive multilayer system composed of repetitive sequences of Ta/ Cu/ Mn70Ir30/ ferromagnet (F) (Fe50Co50 or FeCoSiB) exhibits epitaxial growth between the seed bilayer (Ta, Cu) and the antiferromagnetic (AF) Mn70Ir30 layer on the (1 1 1) planes. Due to the direct interface of the AF and the F layers, an exchanged bias coupling can be established. In the case of Fe50Co50, the F layers are polycrystalline with a textured growth along the [1 1 1] direction. This texture characteristic for the F layers decreases from the multilayer-substrate interface to the surface of the specimen. A 2-2 demonstrator was created by depositing the multilayer on the rough surface of an AlN thin film. Electron tomography was applied to investigate the roughness propagation and evolution within the multilayer. Using FeCoSiB, these amorphous F layers contain crystalline filaments. Ex- and in-situ annealing processes were applied for this sample at different temperatures (250 °C and 350 °C). At the lower temperature, no substantial change in the real structure was detected. At 350 °C crystallization processes were present. The soft magnetic properties of the system were not significantly affected by the second annealing step. Der Sonderforschungsbereich (SFB 855 "Magnetoelektrische Verbundwerkstoffe - biomagnetische Schnittstellen der Zukunft") verfolgt das ambitionierte Ziel biomagnetische Sensoren zu entwicklen, die eine Detektion von neurologischen Signalen bis in einen Femtoteslabereich ermöglichen. Grundbaustein für solche Sensoren sollen ME Komposite darstellen, welche ihrerseits ein hohes Maß an Gestaltung erlauben; darunter fallen 2-2, 0-3 sowie 1-1 Konzeptionierungen. In vielen Fällen zeigten sich komplexe Strukurphänomene in diesen Materialien. Um eine Optimierung der Funktionalität und der Materialeigenschaften zu erreichen, ist ein präzises Verständnis der Charakteristika jener Phänomene unabdingbar, welches sich im Besonderen auf die nanoskaligen Strukturmerkmale bezieht. Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden der Transmissionselektronenmikroskopie angewandt, um relevante Erkenntnise der Mikro- und Nanostruktur SFB spezifischer Materialien zu sammeln und quantitativ zu interpretieren. Einen besonderen Akzent wird auf die Analyse folgender Materialdetails gelegt: Morphologie sowie die atomare Struktur von Defekten und Grenzflächen. Defekte innerhalb von kristallographischen Strukturen können zu einer Beeinflussung und Modifizierung von physikalischen Eigenschaften führen, ein Beispiel in diesem Zusammenhang stellen Zwillingsgrenzen innerhalb von Piezoelektrika dar. Basierend auf hochauflösenden Abbildung und Elektronenbeugungsbildern, können Strukturmodelle erstellt werden, die ihrerseits eine Interpretation sowie eine Simulation der experimentellen Resultate, ebenfalls unter Einbeziehung der dynamischen Theorie, erlauben. Solche Strukturmodelle wurden für eine kohärente Zwillingsgrenze {1 0 1} innerhalb des Materials SnO2, einer stacking mismatch boundary mit dem Verschiebungsvektor 1/2 für AlN, einem Überlagerungszwilling mit der Zwillingsgrenze [2 -1 -1 3] für ZnO sowie für einen Überlagerungskontrast innherlab von (Ba0:7Ca0:3TiO3)0 5 - [Ba(Zr0:2Ti0:8)O3]0.5 (BCZT), welches einer Verzwillingung gemäÿ der Zwillingsebene {1 1 1} zuzuschreiben ist, erstellt. Weiterführende Untersuchungen am BCZT offenbarten erheblich Unterschiede zwischen Bulk- und Dünnschichtproben. Ausschließlich im letzteren Fall wurde das Vorhandensein von Zwillingsdefekten und Modulationseffekten, die einen Modulationsvektor von 1/7 aufwiesen und in Form einer Erstinterpretation als 7L Polytyp identifiziert worden sind, beobachtet. DasWachstumsverhalten und die Texturierung von AlN Körnern entlang der [0 0 0 1] Richtung (c-Achse) wurde für die, im Rahmen des SFB hergestellten, Dünnfilmschichten mittels moderner TEM Methoden analysiert. Durch Messungen mit dem automated crystal orientation mapping (ACOM) System konnte eine Korrelation zwischen Realstruktur und den piezoelektrischen Eigenschaften aufgezeigt werden. Im Entwicklungsprozess von 0-3 ME Kompositen sind Co Nanopartikel in AlN Dünnfilme hineingebracht worden. Entsprechende Daten, die durch Methoden der Elektronenbeugen erhoben worden sind, zeigten eine signifikante Verschlechterung des geforderten Wachstumsverhaltens des AlNs, welches wiederum keine nennenswerte Funktionalität erlaubt. Dieses Strukturresultat ist ein wesentlicher Faktor für eine negative Bewertung von 0-3 Kompositen als geeignete Kandidaten für hochsensitive ME Materialien. Ein magnetostriktives Vielschichtsystem, bestehend aus einer repetitiven Schichtsequenz von Ta/ Cu/ Mn70 Ir30/ Ferrogmaneten (F) ((Fe50Co50 oder FeCoSiB)), zeigt eine epitaktische Beziehung von der Startschicht (Ta, Cu) und der antiferromagnetischen (AF) Mn70Ir30 Schicht entlang der (1 1 1) Ebenen. Aufgrund der direkten Grenzfläche der AF und der F Schichten, kann sich eine exchange bias Kopplung einstellen. Wird Fe50Co50 als F Schicht genutzt, so beobachtet man ein polykristallines Verhalten jener Schichten mit einer Texturierung entlang der [1 1 1] Richtung. Die Ausprägung dieser Textur verringert sich von der Grenzfläche des Substrat-Vielschichtssystems hin zur Oberfläche der magnetostriktiven Phase. Ein 2-2 Demonstrator wurde durch die Abscheidung des Vielschichtsystems auf einen AlN Dünnfilm hergestellt. Aufgrund der rauen Beschaffenheit der AlN Oberfläche, ergaben sich zusätzliche Rauigkeitseffekte innerhalb des Vielschichtsystems. Die Ausbreitung und die Entwicklung jener wurde mittels Elektronentomographie studiert. Bei der Verwendung von FeCoSiB als armorphe F-Schicht, wurden innerhalb dieser Schicht kristalline Filamente endteckt. Ex und in situ Heizexperimente wurden für dieses Material bei verschiedenen Temperaturen (250 °C und 350 °C) vollzogen. Für die niedrigere Temperatur wurden keine substantiellen Änderungen der Realstruktur beobachtet. Bei 350 °C wurden Kristallisationprozesse festgestellt. Weichmagnetische Eigenschaften dieses Systems wurden durch die unterschiedlichen Temperaturbehandlungen nicht entscheidend beeinflußt.

[no abstract]

In dieser Arbeit wurde die Verwendung von Polymer-Metall-Nanokompositen zur Anwendung als Sensoren für organische Dämpfe untersucht. Dabei wurde das Schwellverhalten der Polymersubstrate genutzt, deren Ausdehnung eine Änderung der Abstände und damit der Tunnelwiderstände durch die quasi 2-dimensionale Metallclusterschicht an der Polymeroberfläche hervorruft. Des Weiteren wurden photoschaltbare Moleküle untersucht, welche in Polymerfilmen gelöst wurden. Durch die Änderung der Konformation dieser Moleküle durch Bestrahlung mit Licht definierter Wellenlängen wurde hier ebenfalls eine Volumenänderung der organsichen Dünnfilme hervorgerufen, welche wieder eine Widerstandsänderung in den Metallclusterfilmen zur Folge hatten. Diese Komposite bieten dadurch die Möglichkeit zum Einsatz als photoschaltbare Kondensatoren, Bragg-Reflektoren oder elektrische Schalter.

In der heutigen Gesellschaft spielt der mobile Kommunikations- und Datenverkehr eine immer größere Rolle. Mit diesem massiv wachsenden Markt geht ein dementsprechender Entwicklungsbedarf im Bereich der dazugehörigen, technologischen Komponenten einher. So ist es ein Entwicklungsziel, die induktiven Komponenten, wie sie z.B. in MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuit) integriert sind, immer weiter zu verkleinern, während gleichzeitig ebenfalls ihre Hochfrequenzeigenschaften verbessert werden sollen. Integrierte Mikroinduktoren bestehen beim heutigen Stand der Technik in den meisten Fällen aus planaren Spiralen ohne einen magnetischen Kern, welche eine relativ große Oberfläche auf einem Chip belegen. Die Verwendung von Mikroinduktoren mit einem weichmagnetischen Kernmaterial führt durch die Erhöhung der Induktivität und des Gütefaktors zu einer erwünschten Verkleinerung bei gleichzeitiger Verringerung von Streufeldern. Neben den Geometrien der Mikroinduktoren selbst ist die Entwicklung geeigneter weichmagnetischer Dünnfilme von entscheidender Bedeutung. Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz zur Herstellung solcher weichmagnetischer Schichten besteht in der Verwendung von Metall/Polymer Nanokompositen. Diese wurden über eine Abscheidung von weichmagnetischen Legierungen zusammen mit Fluorpolymeren mittels Vakuum-Gasphasenabscheideverfahren realisiert. Die Abscheidung der beiden Komponenten erfolgte sowohl gleichzeitig als auch abwechselnd, wodurch verschiedene Nanostrukturen des Komposits realisiert wurden. Die Filme wurden hinsichtlich der Struktur und Zusammensetzung der Komposite und auch hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften charakterisiert. Nanostrukturierte FeNiCo/PTFE-Multilagenfilme, bei denen während der Abscheidung eine Anisotropie über ein statisches Magnetfeld induziert wurde, weisen eine Resonanzfrequenz von fr = 4,8 GHz und eine Hochfrequenzpermeabilität µ’ ≈ 60 bei 100 MHz auf. Es treten keine signifikanten Verluste bei Frequenzen < 1,5 GHz auf, und es ergibt sich ein sehr guter Gütefaktor Q = 20 bei 2 GHz für diese Kompositfilme. Diese Eigenschaften sind eine exzellente Grundlage für den Einsatz der Filme als Kernmaterial in Mikroinduktoren. Die Integrierbarkeit der Metall/Polymer Nanokompositfilme in standard-CMOS Prozessverfahren wurde anhand eines toroidförmigen Mikroinduktors erfolgreich umgesetzt. Weiterhin wurde ein faszinierender, neuer und selbstorganisierter Wachstumsprozess untersucht. Beim Co-Verdampfen einer FeNiCo Legierung mit Teflon AF entsteht bei geeigneten Prozessparametern ein Nanokomposit, bestehend aus magnetischen Nanosäulen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern und hohem Aspektverhältnis, eingebettet in einer isolierenden Polymermatrix. Dieser Wachstumsprozess und die magnetischen Eigenschaften solcher Nanosäulen-Kompositfilme wurde im Verlauf dieser Arbeit genauer untersucht.

Die Nanokomposite auf der Basis von harten und stabilen Übergangsmetallnitriden sind eine neue Gruppe thermisch hoch stabiler Materialien mit hoher Härte. In dieser Arbeit wurde eine neue, auf einer Kombination von reaktiver Magnetronzerstäubung und plasmainduzierten chemischen Gasphasenabscheidung basierende Methode zur Darstellung von TiN / Si3N4 - Nanokomposite untersucht und die dargestellten Schichten charakterisiert. Zusätzlich wurden Schichten mit einer reaktiven Zerstäubung von einem Zweikomponenten-Target dargestellt und charakterisiert. Hard and stable transition metal based nanocomposites pose a new group of high hardness materials with a high thermal stability. In this work, a new method, based on a combination of reactive magnetron sputtering and plasma induced chemical vapour deposition, was explored and the films produced were characterized. Furthermore, films were produced by reactive magnetron sputtering with a dual component target and characterized.

Die oben genannte Arbeit beschäftigt sich mit der Darstellung und Charakterisierung von superharten Nanokompositen bestehend aus nc-TiN/a-nc-TiSix/a-Si3N4. Für die Darstellung der superharten Schichten wurde neben einem bestehenden P CVD (´Plasma Chemical Vapour Deposition´) Prozess zusätzlich eine Apparatur für reaktive Zerstäubung aufgebaut und verwendet. Die Charakterisierung erfolgte in chemischer sowie auch in physikalischer Hinsicht. Bei der chemischen Analyse wurde insbesondere der Einfluss von Sauerstoffverunreinigungen in den Schichten auf deren Eigenschaften untersucht. Aufgrund geringster Sauerstoffkonzentrationen in den Schichten wurde eine erhebliche Abnahme der plastischen Härte fesgestellt. Zudem wurde in der Arbeit die thermische Stabilität der dargestellten Nanokomposite eingehend untersucht. In the PHD-work named above is worked out the production and characterization of superhard nanocomposites out of nc-TiN/a-nc-TiSix/a-Si3N4. For the production of the superhard layers was beside an existing P CVD (´Plasma Chemical Vapor Deposition´) an equipment for reactive sputtering built and additionally used. The characterization took place in chemical as well as also in physical sense. With the chemical analysis, the influence of oxygen-impurities was especially examined in the layers for their qualities. On the basis of lowest oxygen-concentrations in the layers, a considerable decrease of the plastic hardness was observed. Moreover, the thermal stability of the represented nanocomposites was examined and worked out in detail.

In dieser Arbeit wurden Polymer-Metall-Nanokomposite durch gleichzeitiges Sputtern von Silber und Polymeren aus zwei unabhängigen Magnetron-Sputterquellen hergestellt. Durch die vernetzte Struktur und die dielektrischen Eigenschaften eignet sich PTFE zur Verwendung als Matrixmaterial. Der Metallgehalt der Kompositfilme wurde über die Messung von EDX-Intensitäten ermittelt. Die Größe der Nanopartikel wurde mit Hilfe von TEM und XRD bestimmt und liegt im Bereich von 10 nm. Die Kompositmaterialien zeigen an der Perkolationsgrenze einen schlagartigen Übergang der Eigenschaften vom polymer- zum metallähnlichen Verhalten. Der spezifische Widerstand fällt in einem Bereich zwischen 35 und 40 % Silbergehalt um mindestens neun Größenordnungen ab. Die optischen Eigenschaften ändern sich mit dem Metallgehalt. Die durch Plasmonenresonanz verursachte Absorption, die bei kleinen Füllgraden bei ca. 400 nm ihr Maximum hat und eine intensive gelbe Farbe des Kompositmaterials zur Folge hat, verschiebt sich mit zunehmendem Silbergehalt zu längeren Wellenlängen. Die Unterschiede im optischen Verhalten der Nanokomposite und der reinen Polymere lässt sich bei der Herstellung von Bragg-Reflektoren ausnutzen. Leichte Änderungen im Metallgehalt können bei den Polymer-Silber-Nanokompositen im Bereich der Perkolationsschwelle also eine drastische Änderung in den Eigenschaften bewirken, wodurch Anwendungen als Sensoren denkbar sind.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von kolloidalen Fluorapatiten und Nanokompositen. Die Abhandlung gliedert sich in einen materialwissenschaftlichen und einen analytischen Teil. Der materialwissenschaftliche Teil der Arbeit stellt verschiedene Strategien zur Herstellung kolloidaler Fluorapatitpartikel mit definierter Morphologie und unterschiedlicher Teilchengröße durch Fällungsreaktion von CaCl2 mit Na2HPO4 und KF vor. Ziel der durchgeführten Synthesen war es, Kristallite im Nano- und Mikrometerbereich (zwischen 20 nm und 200 µm ) herzustellen. Die Charakterisierung der Syntheseansätze erfolgte durch Pulverdiffraktometrie, FT-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDAX), Thermogravimetrie und Differenz-Thermoanalyse (TG/DTA), N2-Gasadsorptionsmessungen, CHN-Analyse, Atomabsorptionsspektroskopie (AAS), Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) und Elektronenmikroskopie (ELMI; TEM; REM). Aus den Fluorapatitpartikeln wurden in weiteren Syntheseschritten durch Einkapselung mit einem Monomer (Phosphorsäure-HEMA-Ester) und anschließender Polymerisation bzw. mit einem Polymer (PMMA+) organisch/anorganische Nanokomposite hergestellt. Im analytischen Teil sollte die chemische und molekulare Wechselwirkung zwischen Apatit und verschiedenen organischen Reagenzien untersucht werden. Durch Anwendung chemischer und physikalischer Untersuchungsmethoden, insbesondere durch FT-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR), 13C, 31P Festkörper-Kernresonanz-Spektroskopie (MAS-NMR), Rasterröntgenmikroskopie (STXM), Röntgenabsorptionsspektroskopie (XANES) wurde die chemische und molekulare Wechselwirkung zwischen Apatit und verschiedenen organischen Carbonsäuren untersucht.