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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.

In this work self-assembled Ge islands grown on Si(001) are investigated by means of selective wet chemical etching and scanning probe microscopy.By means of selective wet chemical etching and atomic force microscopy the compositional profile of free standing islands, which are grown by deposition of Ge on Si(001) at various temperatures and growth rates, is investigated. It is shown that for low growth temperatures (560-600oC) Si is mainly located at the periphery of the islands. At higher temperatures also the center of the islands has a higher Si content. The experiments furthermore demonstrate, that by increasing the islands growth rate their Si content is decreasing. By performing simple simulations the obtained experimental results can be reproduced and it is shown that the compositional profiles of the islands can be explained by means of a simple kinetic model, which is based just on surface diffusion processes.While for as-grown islands there is a four-fold symmetry in their compositional profile, this is not any more true for annealed islands. The islands are not any more etched symmetrically; instead, one side is etched faster. This is the result of a lateral motion, taking place during post-growth annealing and which is driven by an energetically favorable intermixing between Si and Ge. Ge-rich material diffuses from one side of the island towards the other, where it gets intermixed with Si arriving from the substrate. During this lateral motion the islands become bigger and Si-richer.Furthermore, by scanning tunneling microscopy the shrinking of islands, on as-grown as well as on post-growth annealed samples, is investigated. Islands shrink by following the inverse path observed during their growth, demonstrating thus that the island shape is thermodynamically determined.By means of selective etching also Ge islands, which were capped by Si are investigated. The removal of the Si cap allows the investigation of both the morphology and the composition of the buried islands. It is shown that the morphology of the Si cap does not always correspond to that of the buried islands. Furthermore, it is shown that the compositional profile of the islands, which are capped at the temperature range 300-450oC is the same as that of the as-grown islands. For islands, which are overgrown at 580oC it is shown that although their morphology is changing drastically, the Ge-rich part does still exist. This indicates that at least up to 580oC no bulk diffusion is taking place.

In dieser Arbeit befassen wir uns mit elektrostatischen Effekten an geladenen flexiblen Membranen. Zunächst untersuchen wir die Verformung einer homogen geladenen Membran in einem wässrigen Elektrolyten unter Einfluss eines gegennamig geladenen Kolloids. Die Problemstellung der elektrostatisch induzierten Kolloidadsorption ist vor allem für Transportprozesse in die Zelle von Bedeutung, bei denen die Membran das zu transportierende Material umfließt und sich zu einem Bläschen (Vesikel) schließt, das nun durch die Zellen diffundiert (Endozytose). Durch numerische Minimierung der mittleren freien Energie des KolloidMembran-Systems finden wir abhängig von der Größe des Kolloids und der Salzkonzentration unterschiedliche Morphologien der Membran. Wir charakterisieren die verschiedenen Adsorptionszustände mit Hilfe der Höhe bis zu der die Membran sich um das Kolloid legt. Dabei benutzen wir ein vereinfachtes Skalenmodel um die Phasengrenzen zwischen den Adsorptionzuständen analytisch zu bestimmen. Wir finden eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den analytischen Resultaten und den Ergebnissen, die wir durch die numerische Minimierung der freien Energie gewonnen haben. Die Lipiddoppelschicht ist in der Regel kein homogenes System, sondern vielmehr ein Gemisch aus unterschiedlichen Lipidsorten. Daher verallgemeinern wir das Skalenmodel für den Fall, dass die Membran aus einem Gemisch von geladenen und neutralen Lipiden besteht. Es zeigt sich, dass die Abhängigkeit der Phasengrenzen von der Salzkonzentration und der Kolloidgröße lediglich für kleine Kolloide und geringe Salzkonzentrationen verändert ist gegenüber dem Fall der homogen geladenen Membran. In vielen Experimenten wird die Adsorption von Kolloiden auf Membrane nicht an einem einzelnen Kolloid untersucht, sondern mit Vesikeln, die sich in einer kolloidalen Suspension befinden. Wir erweitern daher das Skalenmodel für den Fall vieler adsorbierter Kolloide, um die gegenseitige Beeinflussung der geladenen Kolloide beim Absorptionsprozess zu studieren. Es stellt sich heraus, dass vor allem bei kleinen Salzkonzentrationen die Phasengrenzen zwischen den Adsorptionzust?anden verschoben werden. Im Vergleich zu dem Fall eines einzelnen Kolloids sind nun bereits geringere Kolloidladungen ausreichend um ein vergleichbares Umfliessen der Kolloide durch die Membran zu erreichen. Die Flexibiltät der Lipiddoppelschicht ermöglicht nicht nur den Transport von großen Molek?ulen in die Zelle, sondern führt auch zu thermisch angeregten Formfluktuationen von Membranen. Wir untersuchen daher in einem weiteren Teil dieser Arbeit den Einfluss der Formfluktuationen auf die Gegenionenverteilung in der Nähe der geladenen Membran. Dazu verwenden wir feldtheoretische Methoden, um analytische Ausdrücke in den Grenzfällen gering geladener sowie stark geladener Oberflächen zu erhalten. Mittels Monte-Carlo Simulationen können die asymptotischen Ausdrücke f?ur die Gegenionendichte bestätigt werden. Im Vergleich zu einer steifen Oberfläche führen die korrelierten Fluktuationen von Membran und Gegenionen zu einer veränderten Gegenionenverteilung. Unsere Ergebnisse werden sich bei der Analyse von Streuexperimenten an Membranstapeln als nützlich erweisen. Im letzten Teil der Arbeit untersuchen wir den Einfluss von lateraler Ladungsunordnung auf die Gegenionenverteilung an einer steifen Membran. Die Unordnung wird durch die laterale Beweglichkeit der geladenen Lipide innerhalb der Membran, bestehend aus einem Gemisch von geladenen und ungeladenen Lipidmolekülen, oder durch pH-Wert abhängige Ladungsdissoziation verursacht. Dadurch sind die Ladungen auf der Oberfläche nicht regelmäßig angeordnet, sondern bilden zufällige Muster. Wir erhalten analytische Ergebnisse für die Gegenionenverteilung an einer schwach geladenen Oberfläche mit beweglichen Ladungen, welche wir durch Monte-Carlo Simulationen bestätigt finden. Unsere Ergebnisse zeigen eine deutliche Erhöhung der Ionendichte in der Nähe der geladenen steifen Membran, die durch die Korrelation der Gegenionenfluktuation mit der Ladungsunordnung an

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Konstruktion und Charakterisierung einer neuartigen Elektrospray-Ionisations-Quelle zur in-vacuo Deposition empfindlicher (thermisch labiler) Analyte. Hierbei bezeichnet Elektrospray-Ionisation die elektrohydrodynamische Darstellung freier Analytionen der Gasphase, die aus einer verdünnten polaren Spraylösung freigesetzt werden.Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der technologischen Herausforderung die ionisierten Analytmoleküle von Atmosphäre ins Ultrahochvakuum zu überführen, wobei 13 Größenordnungen im Druck zu überwinden sind. Das komplexe differentielle Pumpsystem sowie die elektrostatischen und elektrodynamischen Elemente werden beschrieben, welche die Analytionen von der Expansion ins Vakuum bis zu ihrer kontrollierten Deposition auf der Oberfläche des Substrats führen. Besonderes Augenmerk wird dabei der Hauptkomponente des Ionen-Führungs-Systems gewidmet, welche aus zwei aufeinanderfolgenden Quadrupolen besteht, die bei unterschiedlichen Hintergrunddrücken arbeiten, und die Formung eines räumlich und energetisch wohl definierten Ionenstrahls erlauben.Um eine zerstörungsfreie Deposition der Analytionen zu erreichen, wird eine abbremsende Potentialdifferenz vor der Substratoberfläche angelegt. Die mittlere kinetische Energie und die energetische Verbreiterung sind somit fundamentale Parameter des Ionenstrahls. Durch eine sorgfältige Untersuchung der Ionenstrahl-Definition wurden diese Parameter näher charakterisiert, und ihre Einstellmöglichkeit durch die passende Wahl des Hintergrunddrucks im Bereich des ersten Quadrupols demonstriert.Die Durchführbarkeit der in-vacuo Elektrospray-Deposition wird an Hand mehrerer empfindlicher organischer und inorganischer Analyte gezeigt. Die Morphologie der resultierenden ultra dünnen molekularen Filme wurde mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht. Spezielles Augenmerk wird dabei auf die Deposition von Bovine Serum Albumin auf Graphit gerichtet. Eine bevorzugte Adsorption der Proteinmoleküle entlang der Stufenkanten und die Ausbildung verzweigter Inseln auf den Terrassen des Substrats ist zu beobachten. Diese Strukturen werden als das Ergebnis einer zerstörungsfreien Deposition der Analytmoleküle, ihrer Diffusion auf der Substratoberfläche, als auch ihrer starken gegenseitigen Wechselwirkung interpretiert.Im Unterschied zu herkömmlichen Molekularstrahltechniken, die auf der thermischen Sublimation des Analytes basieren, kann diese neuartige Elektrospray-Methode für die zerstörungsfreie Deposition eines viel größeren Bereichs an Analyten verwendet werden, der nun empfindliche (biologische) Substanzen mit einschließt.

In dieser Diplomarbeit wurde die Partikelentfernung von Silizium-Wafern durch Steam Laser Cleaning (SLC) untersucht. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Flüssigkeit auf die zu reinigende Oberfläche aufgebracht. Anschließend wird die Flüssigkeit durch einen Laserpuls überhitzt und es kommt zu einem explosiven Verdampfungsprozess. Dabei entsteht eine Druckwelle, durch die Schmutzpartikel mit Durchmessern weit unterhalb eines Mikrometers entfernt werden können.Im Unterschied zu bisher durchgeführten Arbeiten zum Thema SLC wurde besonderer Wert darauf gelegt, die Flüssigkeitsmenge auf der Probe zu kontrollieren. Bildeten sich Filme auf der Oberfläche, so konnte deren Dicke mit einer Auflösung im Nanometerbereich bestimmt werden. Eine Entfernung der Partikel wurde beobachtet, sobald die Laserfluenz einen Schwellwert überstieg. Diese Reinigungsschwelle wurde für verschiedene Partikelgrößen gemessen, wobei alle durchgeführten Experimente eine universelle größenunabhängige Schwelle ergaben. Außerdem wurde der Einfluss unterschiedlicher Flüssigkeitsschichtdicken untersucht. Experimente zum laserinduzierten Verdampfen der Flüssigkeit zeigten, dass die hierzu mindestens benötigte Fluenz mit der Reinigungsschwelle im SLC übereinstimmt. Im Anschluss an die Partikelentfernung wurde die gereinigte Oberfläche mit einem Rasterkraftmikroskop auf Veränderungen untersucht. Hierdurch wurde nachgewiesen, dass durch Feldverstärkung an den Partikeln Schäden mit Ausdehnungen im nm-Bereich entstehen können. Allerdings konnte auch gezeigt werden, dass es mit SLC möglich ist, eine defektfreie Reinigung für einen großen Bereich verschiedener Partikelgrößen zu erreichen.

Die evaneszente Lichtstreumikroskopie (engl. Total Internal Reflection Microscopy, kurz TIRM) wurde Ende der achtziger Jahre von Prieve et al. eingeführt. Mit ihr ist es möglich, den Abstand eines sphärischen mikroskopischen Teilchens (mit einem Durchmesser zwischen drei und 30 ?m) in einem Lösungsmittel und einer glatten transparenten Oberfläche zu messen. Bei der Methode wird das Streulicht des Teilchens bei evaneszenter Beleuchtung gemessen. Die Intensität des gestreuten Lichts ist dabei exponentiell abhängig vom Abstand des Partikels zur Wand. Aus diesen Streudaten lassen sich dann Wechselwirkungspotentiale zwischen Partikel und Wand bestimmen. Seitdem hat sich TIRM zu einem leistungsfähigen Werkzeug zur Untersuchung von kolloidialen Teilchen in der Nähe von Oberflächen entwickelt.Ein solches Teilchen vor einer Wand kann dann z.B. als Modellsystem eines Blutkörperchens vor einer Zellmembran dienen.Die evaneszente Lichtstreumikroskopie war bisher auf Glasoberflächen oder transparente Oberflächen beschränkt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird gezeigt, dass sich diese Methode auch für goldbeschichtete Oberflächen eignet. Ein großer Vorteil von Goldoberflächen ist, dass sie sich leicht chemisch strukturieren lassen. Organische Moleküle oder Proteine können als selbstorganisierte Monolagen auf einem Goldfilm adsorbiert werden. Dadurch lassen sich biologische Systeme und Substanzen mit TIRM untersuchen, aber auch die Oberflächeneigenschaften verändern, z.B. die Benetzungseigenschaften oder die Oberflächenladungsdichte. Durch Mikrokontakt-Stempeln lassen sich mit geringem Aufwand Strukturierungen aufbringen. Dies verändert auch die Wechselwirkung der Oberfläche mit dem Partikel, was TIRM auf Goldoberflächen interessant macht.Im Rahmen dieser Arbeit werden zum ersten Mal TIRM-Messungen mit fluoreszierenden Teilchen durchgeführt.

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

In dieser Arbeit wurde das Schmelzverhalten von Indium-Nanostrukturen auf der (0001)-Oberfläche des Schichtgitterhalbleiters WSe2 untersucht. Die Nanostrukturen wurden durch thermisches Verdampfen im Ultrahochvakuum erzeugt. Hierbei entstehen auf der Substratoberfläche durch Selbstorganisation trigonale, stark facettierte Nanokristallite. Die Bestimmung der Inselgrößenverteilung erfolgte in situ mittels eines Tunnelmikroskops, das Schmelzverhalten der Nanostrukturen wurde mit der Methode der gestörten Winkelkorrelation charakterisiert. Hierbei werden radioaktive Sondenatome in die zu untersuchenden Inseln eingebracht, die es ermöglichen, das mit dem Phasenübergang einhergehende Verschwinden der kristallinen Ordnung zu detektieren.Aus den durchgeführten Experimenten geht hervor, daß das Schmelzverhalten dieser facettierten Kristallite signifikant von jenem abweicht, das man für Indiuminseln findet, die eine (thermodynamisch stabile) Halbkugelform aufweisen. Zwar tritt auch bei den hier untersuchten Nanostrukturen der Effekt der Schmelzpunkterniedrigung auf, er wird jedoch durch die anisotrope Inselform stark modifiziert. Die im Rahmen dieser Arbeit experimentell bestimmten Schmelzpunkterniedrigungen sind, insbesondere für kleine Inselradien (r < 20 nm), deutlich reduziert. Diese Beobachtung läßt sich auf die starke Facettierung und die damit verbundene Änderung der Oberflächenenergie der Kristallite zurückführen.

This diploma thesis shows the influence of substrates on the physical properties of epitactically grown films on the basis of two examples:the high temperature modification gamma-Mn has been stabilized on Pt(111)at room temperature by means of molecular beam epitaxy (MBE). The structural examinations have been performed with RHEED and XRD. The fcc-unit cell is tetragonally distorted, due to the lattice mismatch. Magnetization measurements could not prove a theoretically predicted, ferromagnetic ordering for distorted Mn.The second example is the stabilization of magnetic CoPt_3 nanostructures on WSe_2. Below the coverage of one monolayer the adatoms form statistically distributed, hexagonal, facetted and single-cristalline islands. At deposition temperatures of 150°C or higher the islands are in addition chemically ordered. The magnetic properties of CoPt_3 films are of great interest for technical applications. The films consist of 10nm-sized clusters with perpendicular magnetic anisotropy at deposition temperatures below 100°C. Both, the cluster size and the perpendicular magnetic anisotropy, promise a drastical enhancement of the data storage density. Moreover, the production process of such storage material is extremely simple as only one production step is necessary with the deposition temperature being at room temperature.

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