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Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist es, die Nukleation von Blei und Zinn (nukleirende Schicht) auf Kupfer, Silber sowie auf Kupfer-Silber-Legierungen (Basisschicht) zu untersuchen. Dazu werden konventionelle Mikroskop-Objektträger durch DC-Magnetron-Sputtern mit einer 1 μm dicken Basisschicht beschichtet, auf der nominal 10nm der nukleirenden Schicht deponiert werden. Durch Rasterelektronenmikroskopie wird überprüft, ob für die verschiedenen Materialkombinationen aus nukleirender Schicht und Basisschicht Inselwachstum der nukleirenden Schicht vorliegt. Bei Inselwachstum wird eine softwarebasierte Auswertung von Oberflächenbildern vorgenommen, durch welche die Inseldichte und die Größen der Inseln vermessen werden. Im Zuge dessen wird eine standartisierte Klassifizierung von Elektronenmikroskopie-Aufnahmen zur Bestimmung der Inseldichten und -größen vorgestellt.Durch Variation der Substrattemperatur während der Beschichtung wird die Temperaturabhängigkeit der Inseldichte analysiert. Der untersuchte Temperaturbereich entspricht den homologen Temperaturen TH der nukleirenden Schicht von 0,705 bis 0,904. Für Blei wird weiters die Depositionsrate der nukleirenden Schicht variiert. Außerdem wird untersucht, welchen Einfluss eine Änderung der Zusammensetzung der Basisschicht auf die Inseldichte hat.Die experimentell ermittelten Inseldichten werden in die Ratengleichungen eingesetzt, welche das Inselwachstum theoretisch beschreiben. Aus der Abhängigkeit der Inseldichte von Substrattemperatur und Beschichtungsrate wird mittels eines Programmes auf Kondensationsregime und Wachstumsmodus der nukleirenden Schicht geschlossen und offene Parameter werden bestimmt. Dazu zählen die Bindungsenergie der Inseln, die Desorptionsenergie der nukleirenden Schicht und die kritische Keimgröße. Weiters wirddurch energiedispersive Röntgenspektroskopie der Anteil der nukleirenden Schicht an der Probe ausgewertet.Bei der Nukleation von Blei wird sowohl auf Kupfer als auch auf Silber für den gesamten betrachteten Temperaturbereich Inselwachstum beobachtet. Eine Mischung von Kupfer und Silber führt zur Reduktion der Inseldichte von Blei im Vergleich zu den Reinkomponenten. Bei der Nukleation von Zinn wird nur bei TSn H = 0, 705 Inselwachstum auf Silber beobachtet. Auf Kupfer tritt im betrachteten Temperaturbereich kein Inselwachstum von Zinn auf., The aim of this diploma thesis is to investigate the nucleation of lead and tin (nucleating layer) on copper, silver, and copper-silver alloys (base layer). For this purpose, conventional microscope glass slides are coated with a 1 μm thick base layer by DC magnetron sputtering. A nucleating layer with nominal thickness of 10nm is deposited onto the base layer. Scanning electron microscopy is used to verify whether island growth of lead or tin occurs for the different material combinations of nucleating and base layers. If island growth is observed, a software-based evaluation of surface images is carried out to calculate the island density and size. For this purpose, a standardized classification of electron microscopy images for determining island densities and sizes is presented.By varying the substrate temperature during the sputter deposition, the temperature dependence of the island density is analyzed. The temperature range examined corresponds to the homologous temperatures TH of the nucleating layer from 0.705 to 0.904. For lead, the deposition rate of the nucleating layer is also varied. In addition it is investigated, if the composition of the base layer influences the island density.The experimentally determined island densities are inserted into the rate equations that theoretically describe island growth. Based on the dependence of the island density on substrate temperature and deposition rate, the condensation regime and growth mode of the nucleating layer are assessed. Furthermore, essential parameters are determined, including the binding energy of the islands, the desorption energy of the nucleating layer and the critical nucleus size. The proportion of the nucleating layer in the sample is then evaluated by energy-dispersive X-ray spectroscopy.For the nucleation of lead, island growth is observed on both copper and silver for the entire temperature range considered. A mixture of copper and silver leads to a reduction in island density of lead compared to the pure components. For the nucleation of tin, island growth on silver is observed only at TSn H = 0.705. No island growth of tin is observed on copper in the total temperature range considered.

Zirkoniumdioxid (ZrO2) ist ein wichtiges Material f��r viele Anwendungen, wie z.B. Festoxidbrennstoffzellen oder Sauerstoffsensoren. Es ist daher von gro��em Interesse, die atomare Struktur der Oxidoberfl��che sowie seiner Grenzfl��che zu Metallen zu untersuchen. Da ZrO2 ein isolierendes Material ist, kann das Oxid nur als d��nner Film auf einem leitenden Substrat untersucht werden. Deshalb wurden 5���6 ML dicke ZrO2-Filme auf einem Rh(111)-Einkristall pr��pariert und durch Rastertunnelmikroskopie (STM), R��ntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) untersucht. Zr 3d 5/2 wurde bei einer Bindungsenergie von 183.2 eV gemessen, nachdem die Probe in Sauerstoff auf 650 ��C geheizt wurde. Somit konnte die Bildung von ZrO2 in tetragonaler Phase festgestellt werden, welche bis zu einer Temperatur von bis zu 700 ��C stabil ist. F��r diese Phase wurde eine (2��1) Struktur (bezogen auf kubisches ZrO2) beobachtet. Bei h��herer Temperatur transformiert ZrO2 zur monoklinen Phase, welche eine (2��2) Struktur im STM und LEED aufweist und dessen Zr 3d Linien bei einer Bindungsenergie von 181.5 eV liegen. Der zweite Teil der Arbeit besch��ftigt sich mit Nukleation von Metallen auf 5���6 ML dicken ZrO2-Filmen in beiden Phasen. Dabei wurde das Wachstum, die Fl��chendichte und Gr����e von Fe, Ag, Au und Rh-Clustern mit STM untersucht, welche folgenden Trend zu h��heren Metall-Oxid-Bindungen zeigen: Ag���Au, Due to the importance of zirconia (ZrO2) for many applications, such as solid oxide fuel cells or oxygen sensors, it is of big interest to study the material and its metal interfaces at atomic scale. This is only possible by preparing thin oxide films on a conductive substrate, since ZrO2 is an electronic insulator. Therefore, 5���6 ML thick ZrO2 films were prepared on a Rh(111) single crystal by sputter deposition in ultra-high vacuum (UHV). The growth and phase transformation of the films are studied in the first part of this work. Investigations by scanning tunneling microscopy (STM), low-energy electron diffraction (LEED) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) reveal the formation of a (2��1) row structure (w.r.t. cubic ZrO2) and that the Zr 3d 5/2 is located at a binding energy of 183.2 eV (after post-annealing in O 2 atmosphere at 650 ��C), which is both confirming ZrO2 in tetragonal phase. ZrO2 is stable in the tetragonal phase up to a temperature of 700 ��C. Above this temperature it transforms into monoclinic ZrO2, which can be seen in STM and LEED due to the formation of a (2��2) structure (w.r.t. cubic ZrO2) whose domains are rotated with respect to each other. Moreover, XPS reveals peak shifts of Zr 3d and O 1s to lower binding energies, with respect to the peaks in tetragonal phase. The Zr 3d 5/2 peak is then positioned at 181.5 eV. The second part of this work deals with the investigation of metal nucleation on both ZrO2 phases. Fe, Ag, Au, and Rh were deposited on the 5���6 ML thick ZrO2 films by evaporation. The growth mode, the cluster density, and the cluster sizes were examined by STM and the following trend could be determined: The metals showed different strengths of metal-oxide bonding: Ag���Au

Schnell fortschreitende Entwicklungen in der Elektronikindustrie hinsichtlich erh��hter Leistung und Miniaturisierung f��hrt zu einer vergr����erten Nachfrage nach neuen Materialien mit immer besseren elektronischen Eigenschaften. Nanostrukturen des Gruppe-IV Elements Germanium sind in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse, da sie ��berdurchschnittlich hohe Ladungstr��germobilit��ten aufweisen. F��r gew��hnlich werden Germanium-Nanodr��hte mittels Gold-unterst��tztem Wachstum hergestellt. Diese Methode hat jedoch mehrere Nachteile. Zum Beispiel, dass in den Nanodraht eingebaute Goldatome die Halbleitereigenschaften des Materials verschlechtern. Aus diesem Grund werden alternative Materialien als Wachstumskeim f��r elongierte Germanium-Nanostrukturen untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird das Blei-unterst��tzte Wachstum von Germanium-Nanodr��hten beschrieben. Nanodr��hte wurden mit Hilfe von fl��ssigen Bleikeimen auf Siliziumsubstraten, in ��berkritischem L��sungsmittel, sowie mittels chemischer Gasphasenabscheidung synthetisiert. Die erhaltenen einkristallinen Dr��hte zeigten Durchmesser um 15 nm und wiesen keinen Einbau von Bleiatomen auf. Des Weiteren wurde das Nanodrahtwachstum mittels festen Bleikeimen unter ��berkritischen Bedingungen untersucht. Zu diesem Zweck wurden Germanium- und Bleiamid Vorstufen eingesetzt, die sich bei den vorherrschenden niedrigen Temperaturen bereits ausreichend zersetzen. Ein weiterer Abschnitt der Dissertation befasst sich mit der Niedertemperatursynthese von Germanium Nanost��bchen und Nanodr��hten. Dazu wurden Keime aus Gallium in situ durch die Thermolyse von Pentamethylcyclopentadienyl Gallium(I) in Toluol erzeugt, die das Nanodrahtwachstum initiieren. Die Wachstumstemperatur der Nanostrukturen konnte auf Grund der katalysierten Zersetzung der Germaniumvorstufe durch die Galliumkeime auf bis zu 170 ��C verringert werden, was zum heutigen Zeitpunkt die niedrigste Temperatur f��r Germanium-Nanodrahtwachstum mittels CVD darstellt. Die er-haltenen Nanodr��hte zeigten trotz der niedrigen Wachstumstemperatur eine sehr hohe Kristallinit��t. Des Weiteren konnte ein Einbau von bis zu 3.6 % Gallium in die Germaniumstrukturen beobachtet werden. Eine elektrische Charakterisierung von Einzeldr��hten ergab aus diesem Grund eine, im Vergleich zu reinen Germaniumdr��hten, stark erh��hte Leitf��higkeit. Im letzten Teil wird die Kontrolle ��ber die Kristallstruktur von Germanium-Nanodr��hten mit Hilfe von Defekttransfer fester Silberkeime auf Germanium-Nanodr��hte untersucht. Zu diesem Zweck wurden verzwillingte Silberbipyramiden mittels der Polyolmethode hergestellt und anschlie��end als Wachstumskeime f��r Germanium-Nanodr��hte verwendet. Durch das in der Polyolmethode verwendete Tensid kam es zu einem stark erschwerten Wachstumsprozess, der sich in einer verschlechterten Nukleation, sowie dem Auftreten von defektreichen Dr��hten, die viele Wechsel der Wachstumsrichtung aufweisen ��u��erte, was die Untersuchung des Defekttransfers stark erschwert. Trotzdem konnten Indizien f��r einen erfolgten Defekttransfer gefunden werden, The fast progress in the electronic industry regarding enhanced performance and miniaturisation leads to an increased demand for new materials exhibiting superior electronic properties. Elongated nanostructures of the well-known group IV element germanium stay in focus of intense research efforts due to the high charge carrier mobility���s, achievable with this material. Usually, germanium nanowires are grown via the gas-phase on substrates or in solution using a gold-assisted growth process. However, the usage of gold as growth promoter leads to many drawbacks, such as decreasing semiconducting properties due to incorporation of seed atoms into the nanowire material. Therefore, various metals have been investigated as alternative growth promoters, nevertheless some interesting elements have not been examined yet. In the first part of this thesis, the application of lead as an alternative growth promoter for germanium nanowires is investigated. Nanowire growth is conducted via liquid-seeded growth in the vapour phase and under supercritical fluid conditions. Obtained single crystalline nanowires with approx. 15 nm in diameter exhibit no seed material incorporation. Additionally, solid-seeded growth in the supercritical regime is investigated. Therein, metal-amide precursors are used, to achieve sufficient thermolysis at lower growth temperatures. In another study, low temperature growth for germanium nanorods and nanowires is examined. Gallium seeds, which induced nanowire growth, are generated in situ by the thermal decomposition of pentamethylcyclopentadienyl gallium (I) in toluene. Gallium seeds seem to catalyse the decomposition of the germanium precursor, which enables decreasing the growth temperature as low as 170 ��C, which is the lowest reported temperature for germanium nanowire grown via CVD. The obtained nanostructures exhibited a high crystallinity, despite low growth temperatures. Elemental maps obtained from STEM EDX measurements exhibit an incorporation of up to 3.6 % gallium into the nanowire matrix. Ga incorporation in germanium is known to result in a p-doping effect of the material. Electrical characterisation of single nanowires revealed a very high conductivity compared to pristine germanium nanowires. Lastly, the defect transfer from solid silver seeds to germanium nanowires is used to gain control over the nanowires��� crystal structure. Silver bipyramids exhibiting a defined twin structure are synthesised via the polyol-method and used to promote nanowire growth via a solid-seeded mechanism. Unfortu-nately, nucleation as well as nanowire growth is strongly inhibited, which is related to the capping agent, used for the polyol method. Large fractions of the obtained nanowires exhibit strong kinking or diameters not matching to the synthesised silver seeds. Nevertheless, hints towards a successful defect transfer are found.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Design und Aufbau eines Experiments zur Untersuchung der Unterk��hlung und Nukleation von Phasenwechselmaterialien f��r thermische Speicher. Weiters sollen auf Grundlage der T-History Methode kalorimetrische Messungen erm��glicht werden, die die Phasenwechselenthalpie und spezi sche W��rmekapazitat des Material bestimmen k��nnen. Der Bau dieses Messger��tes ist notwendig, da die zu vermessenden Probenmassen eine weitaus gr����ere Masse besitzen, als die in einem dynamischen Differenzkalorimeter (DSC) verwendeten. Dadurch kann der Grad der Unterk��hlung, der von der Masse abh��ngt, f��r thermische Speicher genau bestimmt werden. Anhand eines Vorexperiment konnten wichtige Informationen f��r die Konzeptionierung des Messger��tes gesammelt werden. So entstanden die ersten ��berlegungen zur Temperaturerfassung und zum Design des Probenraumes. Anhand einer Dymola-Simulation konnten wichtige Fuid- und thermodynamische Parameter berechnet werden. Diese geben Aufschluss ��ber das thermische Verhalten der Probe w��hrend einer Messung, dessen Schmelzdauer und wie viel Leistung notwendig ist, um die Luft auf eine vorgegebene Temperatur zu erw��rmen. Au��erdem wurden Berechnungen angestellt f��r eine Lochplatte, zur Erzeugung eines Druckabfalls und einer homogenen Str��mung im Probenraum. Das Ergebnis war, dass diese Platte f��r einen gen��gend gro��en Druckabfall zu wenige und zu kleine L��cher hatte - die Stromung wurde nicht gleichma��ig in den Probenraum flie��en. Deswegen wurde ein Fluidisierungskissen gew��hlt, das einen vorgegebenen Druckverlustbeiwert besitzt. Aufbauend auf den Erkenntnissen durch das Vorexperiment und den errechneten Parametern in der Dymola-Simulation wurden die einzelnen Komponenten des Messger��tes und der allgemeine Aufbau pr��sentiert. Da die Messwertaufzeichnung einen wichtigen Bestandteil des Messger��tes darstellt, wurden die Eigenschaften einer Temperaturaufzeichnung und dessen Programmierung besprochen. Testmessungen und Untersuchungen gaben die M��glichkeit, Fehler in der Konstruktion bzw. bei der Temperaturaufzeichnung festzustellen. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Temperaturaufzeichnung durch die Infrarot-Sensoren, die Verteilung der Probenraumtemperatur und dem Rauschen in der Aufzeichnung gelegt. Messungen an den Zuckeralkoholen Erythrit und Mannit, die sowohl aktiv als auch passiv gek��hlt wurden, gaben erste Einsicht in die Unterk��hlung der Phasenwechselmaterialien. Weiters wurde der Einfluss der thermischen Strahlung auf eine kalorimetrische Messung besprochen. Anhand den Testmessungen werden Verbesserungsvorschlage f��r die auftretenden Fehler und einem optimalen Messprozess aufgez��hlt. Das Messger��t eignet sich sehr gut zur Untersuchung der Unterk��hlung, der Schmelzdauer und Temperaturerh��hung durch die Kristallisationsw��rme. F��r eine kalorimetrische Messung m��ssen noch die im Kapitel Verbesserungsvorschl��ge erw��hnten Probleme ausgebessert werden. F��hrt man dies durch, so erh��lt man wichtige Informationen ��ber die Phasenwechselenthalpie und spezi sche Warmekapazit��t f��r inhomogene gro��e Massen., This thesis deals with the design and construction of an experiment for the investigation of the cooling and nucleation of phase-change materials for thermal storage. Furthermore, calorimetric measurements, based on the T-history method to determine the phase-change enthalpy and specific thermal capacitances of the material, should be able. The construction of this measuring instrument is necessary, since the sample masses to be measured have a much larger mass than those in a dynamic Differential scanning calorimetry (DSC). As a result, the degree of subcooling, which depends on the mass, can be exactly determined for thermal storage. On the basis of a preliminary experiment, important information for the conception of the Measuring instruments were optained. Thus, the first considerations about the temperature detection and the design of the sample chamber were developed. By means of a Dymola simulation, important fluid and thermodynamic parameters could be calculated. These provide information on the thermal behavior of the sample during a measurement the melting time and how much power is necessary to heat the air to a predetermined temperature. In addition, calculations were made adjusted for a perforated plate, for generating a pressure drop and a homogeneous flow in the sample chamber. The result was that this plate had too few and too small holes for a sufficiently large pressure drop - the flow would not flow smoothly into the sample chamber. Therefore, a fluidization cushion was selected, which had a predetermined pressure loss coefficient. Based on the findings of the preliminary experiment and the calculated parameters in the Dymola simulation, the individual components of the measuring instrument and the general design were presented. Since the recording of the measured value is an important component of the measuring instrument, the characteristics of a temperature recording and its programming were discussed. Test measurements and examinations gave the possibility of establishing errors in design and temperature recording. Particular attention was paid to the temperature recording by the infrared sensors, the distribution of the sample chamber temperature and the noise in the recording. Measurements on the sugar alcohols Erythritol and Mannitol, both active and passive cooled, showed significant subcooling for the phase-change material. Furthermore, the influence of the thermal radiation on a calorimetric measurement was discussed. On the basis of the test measurements, improvement suggestions for the occurring errors and an optimal measuring process are enumerated. The measuring device is very well suited for the investigation of subcooling, the melting time and the temperature increase by the crystallization heat.

Primäre Zink-Luft-Knopfzellen werden bereits erfolgreich in Hörgeräten eingesetzt. Für Anwendungen in portablen Geräten, sowie im Rahmen der Elektromobilität und der Energiewende, werden allerdings elektrisch wiederaufladbare Energiespeicher benötigt, weshalb an sekundären Zink-Luft-Zellen geforscht wird. Diese haben allerdings zum aktuellen Stand der Forschung noch eine sehr geringe Lebensdauer. In dieser Arbeit stellen wir ein thermodynamisch konsistentes, eindimensionales Modell für die Transportvorgänge in Zink-Luft-Knopfzellen, unter Berücksichtigung der Reaktionen und porösen Elektroden, auf. Die Modellgleichungen diskretisieren wir mit der Finite-Volumen-Methode und implementieren diese in Matlab und erhalten so eine Simulation der Zelle. Wir rechtfertigen unsere Ortsdiskretisierung durch eine Fehlerabschätzung, die auf Dreiecksgittern auch in zwei Dimensionen gilt. Die Zeitschritte berechnen wir mit dem Solver ode15i. Um dieses Verfahren numerisch zu validieren, berechnen wir die experimentelle Konvergenzordnung an Hand der Wärmeleitungsgleichung als Testproblem. Wir untersuchen das Entladeverhalten von Zink-Luft-Knopfzellen bei konstanter Stromstärke experimentell und vergleichen die Resultate mit denen unserer Simulation. Durch die Analyse der Ergebnisse erhalten wir einen guten Einblick in die Prozesse beim Entladevorgang in der Batterie. Außerdem untersuchen wir die Selbstentladung der Zelle durch die Wechselwirkung mit Kohlendioxid aus der Luft experimentell und führen eine entsprechende Simulation durch. Die Ergebnisse stimmen qualitativ gut überein und liefern eine Aussage über die Lebensdauer der Zelle.

Dünne Filme aus konjugierten Molekülen werden vermehrt in der organischen Optoelektronik, Bio-Sensorik und Oberflächenmodifikationen eingesetzt. Jedoch steckt das nanoskopische Verständnis von elementaren Prozessen bzgl. des molekularen Wachstums, der Film-Stabilität und thermisch-mechanischer Eigenschaften noch in den Kinderschuhen. Im ersten Teil dieser Arbeit nutzen wir Echtzeit in situ spekulare und diffuse Röntgenstreuung in Kombination mit Kinetik-Monte-Carlo Simulationen, um die Nukleation und das Multilagen-Wachstum von C60 zu studieren. Wir quantifizieren einen konsistenten Satz von Energieparametern, die die Oberflächenprozesse während des Wachstums beschreiben: eine effektive Ehrlich-Schwoebel Barriere von EES = 110 meV, eine Oberflächendiffusions-Barriere von ED = 540 meV und die Bindungsenergie von EB = 130 meV. Durch die Analyse der Teilchendynamiken finden wir, dass die laterale Diffusion ähnlich derer von Kolloiden ist, jedoch weist die Stufenkanten-Diffusion eine atom-ähnlichen Schwoebel-Barriere auf. Außerdem haben wir für die erste Monolage ein thermisch-aktiviertes Dewetting nach dem Wachstum von C60 auf Mica mit einer effektiven Aktivierungsbarriere von (0.33 ± 0.14) eV für die Aufwärts-Diffusion beobachtet. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir die thermomechanischen Eigenschaften der supra-molekularen Anordnung von dem organischen Halbleiter PTCDI-C8. Temperaturabhängige GIXD-Experimente decken einen außergewöhnlich großen positiven und negativen thermischen Expansionskoeffizienten der Kristallstruktur auf. Die Moleküle vollführen kooperative rotierende Bewegungen als Reaktion auf die Temperaturänderung, die zu dieser anomalen thermischen Expansion führen. Unsere Beschreibung der Bewegungen einzelner adsorbierter Moleküle während des Wachstums und der kooperativen Bewegungen einzelner Moleküle in supra-molekularen Ensembles auf der molekularen Skala wird die weitere Arbeit auf dem Weg zu funktionalen molekularen dünnen Filmen beleben. Thin films of conjugated molecules are increasingly used in organic optoelectronics, biosensing and surface modification. However, nanoscopic understanding of elementary processes regarding the molecular film growth, the stability of these films and regarding the thermal and mechanical properties of supra-molecular assemblies are in its infancy. In the first part of this thesis we use real-time in situ specular and diffuse X-ray scattering in combination with kinetic Monte Carlo simulations to study C60 nucleation and multilayer growth. We quantify a consistent set of energy parameters, which describe the surface processes during growth, yielding an effective Ehrlich-Schwoebel barrier of EES = 110 meV, a surface diffusion barrier of ED = 540 meV and a binding energy of EB = 130 meV. Analysing the particle-resolved dynamics, we find that the lateral diffusion is similar to colloids, but step-edge crossing is characterized by an atom-like Schwoebel barrier. Furthermore, a thermally-activated post-growth dewetting for C60 on mica has been observed for the first monolayer with an effective activation barrier for upward interlayer transport of (0.33 ± 0.14) eV. In the second part we investigate the thermomechanical properties of the supra-molecular assembly of the organic semiconductor PTCDI-C8. Temperature-dependent Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXD) experiments reveal extraordinary large positive and, surprisingly, negative thermal expansion coefficients of the thin film crystal structure. The molecules perform temperature-controlled cooperative rotational motions leading to the change of the molecular crystal structure at different temperatures. We hope that our molecular scale picture of the movement of single ad-molecules during growth and the cooperative motions of single molecules in supra-molecular ensembles will stimulate further work towards the optimized, rational design of functional molecular thin films and nanomaterials.

Diese Arbeit beschreibt das MBE-Wachstum und die Charakterisierung von Gruppe-III-Nitrid-Nanostrukturen. Die Arbeit beginnt mit dem katalysatorfreien Wachstum von GaN-Nanowires (NW) auf Si(111) mittels MBE. Es wird gezeigt, dass GaN NW als sph\"arische Inseln nukleieren und im weiteren Wachstum in eine NW-Geometrie übergehen. Die amorphe Zwischenschicht führt zum Verlust der epitaktischen Ausrichtung und somit zu gekippten Säulen und Koaleszenz. Diese Koaleszenz führt zur Enstehung von Versetzungen und Stapelfehlern in den Nanosäulen, welche einen starken Einfluss auf die optischen Eigenschaften haben: Während Versetzungen die Säulen optisch passivieren, haben Stapelfehler charakteristische Emissionen. Durch Kombination von Elektronenmikroskopie und Cathodolumineszenz wird die charateristische Wellenlänge eines Stapelfehlers gemessen. Epitaktisches Wachstum von GaN auf Si(111) kann durch die Verwendung einer AlN-Pufferschicht erreicht werden. Die Nukleation von GaN auf AlN/Si geschieht als linsenförmige Inseln. Im weiteren Verlauf des Wachstums erfolgen mehrere charakteristische Formübergänge, bei denen Facetten gebildet werden, um die Verspannung durch Gitterfehlanpassung elastisch zu relaxieren. Bei einer kritischen Inselgröße (und damit bei einem kritischen Spannungszustand) tritt eine platische Relaxation ein und es wird eine Versetzung an der AlN/GaN-Grenzfläche gebildet. Daraufhin tritt ein Übergang zur NW-Geometrie ein. Der dritte Teil dieser Arbeit beschreibt das Wachstum von (In,Ga)N/GaN NW Heterostrukturen. Mit MBE werden GaN NW mit zwei (In,Ga)N-Einschlüssen gewachsen. Die chemische Zusammensetzung wird mittels einer Kombination von hochauflösender Röntgenbeugung und einer Gitterverzerrungsanalyse von hochaufgelösten transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen bestimmt. Die Strukturanalyse zeigt, dass die (In,Ga)N-Einschlüsse vollkommen in die GaN-Matrix eingebettet sind, und dass keine plastische Relaxation stattfindet. This work covers the MBE growth and characterization of group III-nitride nanostructures. The work begins with the catalyst-free growth of GaN nanowires (NWs) on Si(111) by plasma-assisted MBE. The importance of substrate preparation and the formation of an amorphous SiN interlayer are described. GaN NWs are shown to nucleate as spherical islands and to furhter undergo a shape transition towards the NW geometry. The amorphous interlayer leads to a loss in epitaxial alignment and thus to NW tilt and coalescence. Coalescence leads to the formation of dislocations and stacking faults (SFs) in the NWs which greatly affect their optical properties. Dislocations are shown to have a detrimental effect on the optical quality, whereas SFs are shown to have a characteristic emission wavelength. Epitaxial growth of GaN on Si(111) can be achieved by using an AlN buffer layer. The nucleation and growth GaN NWs on AlN-buffered Si(111) is shown to happen via the pseudomorphical nucleation of spherical islands. As these islands grow, they undergo several characteristical shape changes, with the formation of facets in order to elastically relieve the lattice-mismatch induced strain. At a critical island size (and thus strain level), plastic relaxation happens by the formation of a misfit dislocation at the AlN/GaN interface. A subsequent transition to the NW geometry is observed, driven by the anisotropy of surface energies. The third part of this work covers the growth of (In,Ga)N/GaN NW heterostructures. GaN NWs with two stacked (In,Ga)N insertions are grown by MBE. The chemical composition is assessed by combining synchrotron-based HRXRD and a geometrical phase analysis of HRTEM micrographs. The structural analysis reveals that the (In,Ga)N insertions are embedded in the GaN matrix and that no plastic relaxation happens. The In content is shown to vary within a single insertion: The top region is more In rich due to In segretation during growth.

Calcium silicate hydrates (C-S-H), the main components of hydrated cement, are known for being responsible of its cohesion. In this respect, they act as "glue" for the other solid components of mortar or concrete and thus strongly influence the mechanical properties of the outcoming material. One major disadvantage of cementitious materials though are their poor tensile strengths which can lead to crack formation. Inspired by Nature, which demonstrates in a huge variety of different biomaterials like bone or nacre the highly advantageous implementation of soft organics into brittle minerals to overcome this drawback, we provide here a route for the formation of inorganic-organic mesocrystalline C-S-H.Given the scarce knowledge about the formation mechanisms and the influence of polymers on the growth and nucleation of C-S-H, a first part of this work focuses on the investigation of ongoing processes in the pre- and postnucleation stage of C-S-H precipitation and how these processes can be tuned by polymers. Although a huge panoply of additives were tested and proven to alter the nucleation outcome of C-S-H at various conditions, a phage display assay was performed to identify highly selective binding motifs on C-S-H to get closer to perfectly structured additives for C-S-H adsorption. With proper co-polymers that mimic the desired features that were proposed from the phage display, colloidal stabilization of C-S-H in solution could be achieved. Subsequent destabilization resulted in the formation of ordered inorganic-organic hybrid superstructures in three dimensions. Regarding mechanical properties, these so-called mesocrystals were proven to exhibit much more flexibility than pure C-S-H which is highly desired in construction materials. Thus, the outcome of this work can be seen as a first step towards the formation of new construction hybrid materials using bio-inspired approaches.

In the present work, high resolution Scanning Tunneling Microscopy has been used to investigate the morphology of InAs nanostructures grown by Molecular Beam Epitaxy, close to the thermodynamic equilibrium regime. A thorough characterization of the structures at the nanometer scale was performed, with the aim to decode the relation between the observed features, the underlaying growth mechanisms and to certain extent to their dependance on the growth conditions.

Das Wachstum des bimetallischen Systems von Pt auf Ru(0001) wurde mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) im Submonolagenbereich und für Multilagen (n < 10 ML) untersucht (Gitterfehlanpassung 2.5%). In Abhängigkeit der Wachstumsparameter wurde die Morphologie der gebildeten Pt-Inseln sowie deren bevorzugte Nukleationsplätze bestimmt. Unter optimalen Wachstumsbedingungen ist die Präparation pseudomorpher Pt-Schichten bis zur vierten Lage möglich; bei größeren Filmdicken bildet sich ein quasiperiodisches Versetzungsnetzwerk, was auf Relaxationsprozesse im Pt-Film zurückgeführt werden kann. Die chemischen Eigenschaften der Pt/Ru(0001)-Schichten unterscheiden sich für geringe Dicken (1-2 ML) erheblich von denen des Ru-Substrats oder einer Pt(111)-Oberfläche: Chemisorption von atomarem Sauerstoff auf 1 ML Pt/Ru(0001) ist nicht mehr möglich.Pt-Deposition auf mit Sauerstoff vorbedeckte Ru(0001)-Oberflächen führt zu Veränderungen hinsichtlich Inselmorphologie und Oberflächeninseldichte. Je nach Wachstumstemperatur werden die Sauerstoff-Schichten überwachsen oder zu dichteren Phasen komprimiert. The growth of bimetallic Pt/Ru(0001) layers has been studied by Scanning Tunneling Microscopy (STM) in the submonolayer regime as well as for multilayers (n < 10 ML). Depending on the growth parameters the morphology of growing Pt islands and their preferential nucleation sites have been determined. Under perfect growth conditions the formation of pseudomorphic Pt layers (2.5% lattice mismatch) is observed up to four monolayers. A quasi-periodic network of misfit lines forms for thicker layers which is ascribed to strain relaxation processes within the Pt film. The chemical properties of thin bimetallic layers (1-2 ML) differ drastically from the bare surfaces of Ru(0001) and Pt(111): On 1 ML Pt/Ru(0001) chemisorption of atomically oxygen is not possible.Pt deposition onto oxygen precovered Ru(0001) surfaces yields an altered morphology of Pt islands and a strongly increased surface island density. Depending on the growth temperature the oxygen adlayers are overgrown or compressed into denser oxygen phases.

We have studied the nucleation kinetics of charged colloidal model systems under salt free conditions crystallizing in bcc structure covering a wide range of particle number densities $18\phantom{\rule{0.3em}{0ex}}\mathrm{\ensuremath{\mu}}{\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}3}\ensuremath{\le}n\ensuremath{\le}66.3\phantom{\rule{0.3em}{0ex}}\mathrm{\ensuremath{\mu}}{\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}3}$. We employed direct video-microscopic observation of individual nucleation events to obtain time resolved nucleation rate densities. Polarization microscopy and static light scattering on the resulting solids in combination with Avrami theory is used to determine the steady state nucleation rate at high undercoolings. The final nucleation rate densities $J$ from different methods are observed to be consistent with each other. By increasing the difference in the chemical potential between melt and crystal $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}\mathrm{\ensuremath{\mu}}$ about one order of magnitude $J$ increases from ${10}^{9}\phantom{\rule{0.3em}{0ex}}{\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}3}{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}$ to ${10}^{17}\phantom{\rule{0.3em}{0ex}}{\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}3}{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}$ over approximately seven orders of magnitude. The data can be well analyzed and interpreted using classical nucleation theory (CNT) leading to a linearly increasing melt-crystal surface tension. Surprisingly, the reduced surface tension is about one order of magnitude larger compared to other system (metals; hard sphere colloids). The critical radius of the crystal nuclei is decreasing down to a very small value of 1.5 coordination shells. The determined kinetic prefactors are up to 10 orders of magnitude smaller than the prefactor calculated by CNT.

Die in dieser Dissertation vorgestellten Untersuchungen erforschen Phasenübergänge in dünnen Isopropanolfilmen auf Siliziumwafern vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Das absorbierende Substrat wird durch einen Laserpuls erhitzt und aufgrund von Wärmeleitung verdampft die Flüssigkeit im Bereich nahe der Grenzfläche. Die Untersuchung des Phasenübergangs erfolgt mittels Streulicht- und Reflektometriemessungen. Der dazu verwendete optische Aufbau besitzt eine räumliche Empfindlichkeit im Bereich weniger Nanometer in senkrechter Richtung zum Substrat und eine zeitliche Auflösung von etwa 200 ps.Die Experimente zeigen, dass der Flüssigkeitsfilm durch den Phasenübergang an der Grenzfläche als intakte Schicht von der Oberfläche abgehoben wird. Für die anschließende Analyse wird die Trajektorie des Films als empfindlicher nanomechanischer Sensor verwendet, um den Phasenübergang zu untersuchen. Die Ergebnisse bieten vielfältige Einblicke in den Verdampfungsprozess unter anderem in Bezug auf die charakteristischen Zeitskalen, die erreichbare Überhitzung, den entstehenden Druck und die Abhängigkeit des Phasenübergangsmechanismus von der Heizrate.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der turbulente Austausch sowie die Bildungs- und Wachstumsdynamik atmosphärischer Aerosolpartikel über einem Fichtenbestand experimentell untersucht. Zur direkten Bestimmung turbulenter Vertikalflüsse von Aerosolpartikeln wurde zunächst ein Eddy-Kovarianz-System bestehend aus einem Ultraschallanemometer und zwei Kondensationspartikelzählern aufgebaut. Mit diesem System fanden im Sommer 2001 und 2002, eingebunden in das Forschungsprojekt BEWA 2000, mehrwöchige Feldmessungen im nördlichen Fichtelgebirge statt. Die Messungen wurden auf einem Messturm über einem Fichtenbestand durchgeführt. Gleichzeitig wurde die Entwicklung von Partikelgrößenverteilungen mit einem Differentiellen Mobilitäts-Partikelgrößen-Analysator (DMPS) im Bereich von 3 - 900 nm Durchmesser untersucht, um Partikelneubildung zu identifizieren und das Wachstumsverhalten der neu gebildeten Partikel zu analysieren.

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.

We discuss the potential of heat-spreading films with respect to improving the performance of thermally limited high-power high-frequency GaN-FET devices and report on successful diamond deposition on GaN-FETs. Detailed conditions for process compatibility with GaN-FET technology are discussed and shown to be satisfied by the low-temperature deposition process developed.

Für vier verschiedene Glassorten (K5, F6, SF6 und Floatglas) mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften wurden die Ausbreitung von Wellen und Zerstörungen bei Impakt mit zylindrischen Stahlprojektilen qualitativ und quantitativ untersucht. Die Zerstörungsgeschwindigkeiten wurden als Funktion der Impaktgeschwindigkeit gemessen und die Nukleationsschwellen bestimmt. Alle vier Gläser zeigen ein ähnliches Verhalten. Die Zerstörung der Proben erfolgt bei niedrigen Belastungen mit maximaler Rißgeschwindigkeit, bei Einsetzen der Nukleation mit transversaler Wellengeschwindigkeit Ct und bei sehr hohen Belastungen mit longitudinaler Wellengeschwindigkeit CL. Dieses Verhalten wurde unabhängig von der Dicke der Proben beobachtet. Ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Nukleationsschwelle (sowohl bezüglich der Impaktgeschwindigkeit als auch bezüglich des Impulses, der von der Druckwelle pro Zeiteinheit auf das Target übertragen wird) und der Dicke der Platten konnte nicht festgestellt werden. Die dargestellten Untersuchungen beziehen sich auf die Zerstörung des Targets von dem Eindringen des Projektils. The propagation of waves and damage at impact of cylindrical steel projectiles was investigated qualitatively and quantitatively for four different types of glass (K5, F6, SF6 and float glass). The damage velocities were measured as a function of impact velocity and the threshold for the nucleation of cracks were determined. All four glasses reveal a similar behaviour. The damage velocity equals terminal crack velocity at low loadings, rises to transversal wave velocity when nucleation occurs and approaches longitudinal wave velocity with very high loadings. This behaviour was observed independent of the thickness of the target plates. A functional relation between the thickness of the plates and the threshold of nucleation could not be established, neither with respect to impact velocity nor with respect to the momentum transferred to the target by the pressure wave . The investigations reported here refer to the damage before the projectile penetrates the target.

Diamond films were deposited by microwave plasma chemical vapor deposition onto single-crystal (111), (110) and (100) silicon wafers. The deposition was preceded by an in situ bias pretreatment to enhance the nucleation. The effects of this substrate bias voltage on the nucleation density, orientation of the nuclei, and crystal quality of the diamond films were investigated. The influence of the hydrocarbon fraction of the gas mixture and the substrate temperature on the diamond nucleation under constant bias voltage was also studied.