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Positionsempfindliche Siliziumdetektoren werden seit mehr als 40 Jahren in Experimenten der Teilchenphysik eingesetzt. Technologische Fortschritte haben es möglich gemacht, großflächige Silizium-Tracker mit Millionen von Kanälen zu bauen. Als Sensortechnologie für das Silicon Tracking System (STS) des Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiments an der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) wurden doppelseitige Silizium-Mikrostreifen-Detektoren ausgewählt. Das Ziel des CBM-Experiments ist es, die Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie bei hoher Baryonendichte in relativistischen Schwerionenkollisionen zu untersuchen. Dabei ist die Herausforderung die Messungen mit Wechselwirkungsraten von bis zu 10 MHz durchzuführen. Dies wird den Zugang zu extrem seltenen Observablen wie multi-seltsamen Hyperonen oder Hadronen mit Charm-Quarks ermöglichen. Innerhalb der Detektorakzeptanz werden bis zu 700 Teilchen pro Kollision erwartet. Ihre Spuren und somit ihr Impuls werden im STS mit hoher Auflösung vermessen. Der STS besteht aus 876 Mikrostreifensensoren mit einer Gesamtfläche von etwa 4 m^2. Jeder Sensor hat 1024 Streifen pro Seite, was insgesamt etwa 1.8e6 Kanäle ergibt. Um eine hochpräzise Messung zu gewährleisten, muss der STS hochwertige Mikrostreifensensoren verwenden. Der Anteil fehlerhafter Streifen sollte 1.5% pro Sensor nicht überschreiten. Die Sensoren müssen auch die CBM-Spezifikationen für die elektrischen Parameter erfüllen. Die in dieser Dissertation vorgestellten Arbeiten konzentrieren sich auf die Qualitätssicherung von Mikrostreifensensoren. Zu diesem Zweck wurde an der Universität Tübingen eine hochautomatisierte Sondenstation entworfen und gebaut. Die Methoden zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Mikrostreifensensoren wurden entwickelt. Dadurch war es möglich, die Prototyp-Sensoren für STS im Detail zu untersuchen. Ergebnisse und Herausforderungen werden ausführlich besprochen. Es werden Vorschläge bereitgestellt, die zur Verbesserung des Sensordesigns beitragen können. Als Ergebnis der durchgeführten Qualitätssicherung wurden die Abnahmekriterien für CBM-Mikrostreifensensoren im Serienstadium definiert. Die entwickelten Methoden zur Qualitätskontrolle ermöglichten es, fehlerhafte Streifen zuverlässig zu identifizieren. Dies ermöglicht die Auswahl hochwertiger Sensoren für den Bau des STS und gewährleistet eine hohe Datenqualität während des Betriebs des CBM-Experiments. Position-sensitive silicon detectors have been used in particle physics experiments for more than 40 years. Technological advances have made it possible to build large-area silicon trackers with millions of channels. Double-sided silicon microstrip detectors have been selected as the sensor technology for the Silicon Tracking System (STS) of the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). The goal of the CBM experiment is to investigate the properties of strongly interacting matter at high baryon density in relativistic heavy ion collisions. The challenge is to perform measurements at interaction rates of up to 10 MHz. This will give access to extremely rare observables such as multi-strange hyperons or hadrons with charm quarks. Up to 700 particles per collision are expected within detector acceptance. Their tracks and thus their momentum are measured in the STS with high resolution. The STS consists of 876 microstrip sensors with a total area of about 4 m^2. Each sensor has 1024 strips per side, resulting in a total of about 1.8e6 channels. To ensure high-precision measurement, the STS must use high-quality microstrip sensors. The fraction of defective strips should not exceed 1.5% per sensor. The sensors must also meet CBM specifications for the electrical parameters. The work presented in this thesis focuses on the quality assurance of microstrip sensors. For this purpose, a highly automated probe station was designed and built at the University of Tubingen. The methods for determining the electrical characteristics of microstrip sensors were developed. This made it possible to investigate the prototype sensors for STS in detail. The results and challenges are discussed in detail. Suggestions are provided that can help improve sensor design. As a result of the conducted quality assurance, the acceptance criteria for CBM microstrip sensors at the series production stage were defined. The developed quality control methods made it possible to reliably identify defective strips. This allows for the selection of high-quality sensors for the construction of the STS and ensures high data quality during the operation of the CBM experiment.

Lichtinduzierte Degradation kann die Effizienz von Bauelementen aus Bor- oder Indium-dotiertem Czochralski-Silizium wie beispielsweise Solarzellen oder Strahlungsdetektoren um mehr als 1 %abs verringern. Obwohl diese lichtinduzierte Degradation seit etwa 4 Jahrzehnten bekannt ist, gibt es weiterhin einen wissenschaftlichen Diskurs über die Struktur des zugrundeliegenden Kristall-Defekts. Verschiedene Defekt-Modelle wurden vorgeschlagen, um diesen Effekt zu erklären - der ASi-Sii-Defekt ist eines davon. In dieser Arbeit wird lichtinduzierte Degradation von Bordotiertem Silizium mithilfe von Tieftemperaturphotolumineszenzspektroskopie untersucht. Um die Konzentration substitutioneller Bor-Defekte zu messen, wird eine Methode zur Bestimmung der Probentemperatur aus Modellierungen der gemessenen Spektren angewandt und eine geeignete Kalibrierfunktion bestimmt. Es wird keine zusätzliche Lumineszenzlinie mit Verbindung zur lichtinduzierten Degradation beobachtet. Des weiteren verändert sich die Konzentration substitutioneller Bor-Defekte nicht durch Beleuchten oder Ausheilen der Probe. Daher können keine neuen Defekte mit Bor-Beteiligung während der lichtinduzierten Degradation entstehen. Stattdessen wird nun angenommen, dass während der Degradation bestehende Defekte aktiviert werden. Um diese Aktivierung im Rahmen des ASi-Sii-Modells zu untersuchen, wurden ab-initio Rechnungen der Energielandschaft des Defekts durchgeführt. Mithilfe der Dichtefunktionaltheorie wurden metastabile Konfigurationen einatomiger Bor- und Indium-Defekte in Silizium gefunden. Mit beiden Akzeptor-Spezies ist der ASi-Sii-Defekt der Grundzustand. Für den Bor-Silizium-Defekt wurde außerdem die Ladungsabhängigkeit der Defektenergie sowie die Energielandschaft von Übergängen zwischen den metastabilen, neutralen Defektkonfigurationen untersucht., Light induced degradation can diminish the efficiency of devices containing boron or indium doped Czochralski silicon such as solar cells or radiation detectors by more than 1 %abs. Although light induced degradation has been a known problem for about 4 decades, the structure of the underlying crystal defect is still under active discussion. Different defect-models have been suggested to explain this effect - the ASi-Sii-defect is one of them. In this work light induced degradation of boron doped silicon is investigated with low temperature photoluminescence spectroscopy. In order to measure the concentration of substitutional boron defects a method for extraction of the sample temperature by fitting the luminescence spectrum is applied and a suitable calibration curve is determined. No additional luminescence peak owing to light induced degradation is found. Furthermore, no dependence of the concentration of substitutional boron defects on illumination and annealing of the samples is observed. This indicates that no new boron related defect is created during the light induced degradation itself. Instead, an already existing defect is activated during illumination and therefore causes the degradation. To investigate this activation in frame of the ASi-Sii-model ab-initio calculations on the energy landscape of the defect are performed. Using density functional theory the meta-stable configurations of single-atom boron and indium defects in silicon are determined. The ASi-Sii-defect is the ground state for both acceptor species. For the boron-silicon-defect the charge dependence of defect energy and the energy landscape of transitions between meta-stable, neutral defect configurations is investigated.

Fragestellung: Auf der Suche nach dem idealen Knochenersatzmaterial (KEM) stellen auf Hydroxylapatit basierende Materialien einen vielversprechenden Ausgangspunkt für weitere Forschung dar. Dabei beeinflussen verschiedene chemische Bedingungen bei der Herstellung von synthetischen KEM die Materialcharakteristika [zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL]

Dies ist die vierte Studie des Autors. Dabei widmet sich diese Studie der Analyse und Aufklärung der Covid Impfstoffe. Aufgrund der Dringlichkeit für eine schnelle Aufklärung bei zunehmenden Impf-Toten, hat sich diese Studie hauptsächlich auf den Pfizer Impfstoff konzentriert. Dabei wurde anhand von Veröffentlichungen, die Struktur und der genetische Code des Pfizer Impfstoffes analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Pfizer mRNA Impfstoff zu 80% aus einem unbekannten genetischen Code besteht, der zu 20% mit Splitter Fragmenten aus der SARS CoV-2 Wuhan Hu-1 Spike Protein Sequenz (Genbank Assoziation: MN908947.3) zusammengesetzt wurde. Zusätzlich deckt die Studie auf, dass Pfizer für die Impfungen nicht zugelassene metallische Adjuvantien, wie das Mesoporus Silica, Silizium Fasern, eisenhaltige oder auch chromhaltige Nanopartikel einsetzt, um eine toxische Immunreaktion hervorzurufen. Dabei werden diese sogenannten Immunadjuvantien weder in der Packungsbeilage noch in den WHO Protokollen angezeigt. Pfizer bricht damit ganz klar gegen die GMP (Good Medical Practise) Regularien. Bei den Covid mRNAs handelt es sich eindeutig nicht um Impfstoffe oder Gentherapien. Es werden mittels diverser Techniken das menschliche Immunssystem gebrochen, damit künstliches Genmaterial, wie eintrojanischesPferd, ungehindert in den menschlichen Körper eingeführt werden kann, um das Genom des Menschen zu verändern.

The realization of CMOS-compatible light sources, emitting at room temperature, is the main missing ingredient for implementing low-loss on-chip optical data interconnects with high bandwidths. In principle, the Si/SiGe heteroepitaxial system would be well-suited for CMOS integration. However, the indirect band gap of silicon and germanium and the type-II band offset of the heterostructures limit efficient light emision. This thesis addresses this bottleneck by strain-engineering on the nanoscale in site-controlled arrays of vertically stacked quantum dot (QD) pairs. Strain relaxation in the lower QDs results in strain transfer into the thin Si spacer layer, thus acting as preferential nucleation sites for the second deposited Ge layer. Notably, the combined strain relaxation originating from the QD pair is also partially transferred to the Si capping layer above the second QD. Thus, electrons are unusually strongly confined in the strain pockets in the Si cap layer right above the second QD layer, which leads to an increased overlap of the electron wave function with the heavy hole wave function confined by the upper QD’s potential. For Si spacer layer thicknesses smaller than 5 nm, the two QDs serve fundamentally different functions: The lower QD acts as a stressor and leads to preferential nucleation sites, while the upper dot facilitates radiative recombination of excitons bound by the QD. The growth design and the influence of the engineered strain in the QD on the optical properties, as determined by strain-dependent Schrödinger-Poisson simulations, are reported and a comprehensive comparison of the optical properties of single QD layers and QD pairs by optical spectroscopy is presented. The results demonstrate that the presence of QD pairs leads to an increase in the thermally activated quenching of the photoluminescence as compared to single layers. Furthermore, the QD stack inhibits carrier recombination channels in the Ge wetting layer, typically present in Ge-Si Stranski-Krastanow growth systems for single layers or stacks of QDs with thicker Si spacer layers. Furthermore, systematically varied growth parameters are employed to realize different geometries of QDs, namely dome- and hut-cluster-shaped QDs, all perfectly ordered in arrays with different inter-dot distances and radii. A prove-of-principle study on ordered hut-clusters, shape transition analysis on underlying QD layers and Si capping layers as well as energy estimations are performed. Additionally, thorough simulation studies on these structures are presented within this thesis. To assess the samples fabricated in our cleanroom, different characterization techniques such as atomic force microscopy (AFM), scanning transmission electron microscopy (STEM, performed by Zentrum für Oberflächen- und Nanoanalytik) and scanning electron microscopy (SEM) are employed. The fabrication involves, among other techniques, electron beam lithography and reactive ion etching with inductively coupled plasma (RIE-ICP). The different layers are grown in our group by molecular beam epitaxy (MBE). Der steigende Bedarf an Rechenleistung und Datenübertragungsraten kann dauerhaft nicht von drahtgebunden Verbindungen gedeckt werden. Daher ist es nötig, eine Übertragung über optische Signale zu ermöglichen. Im Gegensatz zu elektronischen Verbindungen bietet eine optische Übertragung einige Vorteile wie beispielsweise eine höhere Übertragungsrate, geringere Verluste, eine erweiterte Bandbreite und die Möglichkeit zur parallelen Datenübertragung durch die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen. Die potentiellen Lichtquellen dafür müssen einige Voraussetzungen erfüllen. Unter anderem müssen sie mit der aktuellen CMOS-Technologie kompatibel sein, eine Emissionswellenlänge im nahen Infrarotbereich aufweisen, diese Emission auch bei Raumtemperatur erlauben und, idealerweise, direkt auf Halbleiterchips prozessierbar sein. Das Silizium-Germanium Heterosystem ist ideal für die CMOS Integration geeignet doch verhindert die indirekte Bandstruktur dieser Materialien eine effiziente Emission von Photonen. Zusätzlich wird die Effizienz noch durch die Typ-II Anordnung der Bandstruktur reduziert. Im Zuge dieser Doktorarbeit werden diese Probleme analysiert und mögliche Wege zur Verbesserung dieser Lichtquellen durch die gezielte Einbringung von Verspannungen im Material untersucht. Konkret werden durch die Vorstrukturierung von Siliziumsubstraten mittels Elektronenstrahllithographie Quantenpunkte deterministisch in regelmäßigen Strukturen angeordnet. Über dieser Schicht von Germaniumquantenpunkten werden dann, nach einer bis zu 5 nm dünnen Trennschicht aus Silizium, eine weitere Schicht Quantenpunkte aufgebracht. Die Verspannungen in der Trennschicht, die durch die unteren Quantenpunkte entstehen, dienen dabei als Nukleationszentren für die obere Schicht. Dadurch bilden sich neue Quantenpunkte ausschließlich direkt oberhalb der bereits bestehenden Quantenpunkte. Diese Paare von Quantenpunkten werden dann mit einer weiteren Siliziumschicht überdeckt. Durch die Quantenpunkte ist auch diese Siliziumdeckschicht oberhalb der Quantenpunkte verspannt. Die Leitungsbandkanten in der Siliziumdeckschicht oberhalb der Spitzen der oberen Quantenpunkte werden durch diese Verspannung verändert. Attraktive Potentialsenken bilden sich aus, was eine stärkere Lokalisierung der Elektronen zur Folge hat. Diese Potentialsenken befinden sich direkt oberhalb der Quantenpunkte der oberen Schicht. Der Überlapp der Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern, die sich in den Quantenpunkten befinden, ist dadurch größer als bei Einzelschichten. Durch die bewusst dünn gestaltete Siliziumtrennschicht zwischen den Quantenpunkten werden die Funktionen der beiden Quantenpunkte eines Paares definiert: Der Untere dient als Quelle für Verspannungen während der Obere die strahlende Rekombination von Elektron-Loch-Paaren, die an die Quantenpunkte gebunden sind, ermöglicht. Der Entwurf der Proben mit Paaren von Quantenpunkten wird durch Schrödinger-Poission Simulationen unterstützt. Die Herstellung der Proben und die Untersuchung ihrer optischen Eigenschaften im Vergleich zu Einzelschichten von Quantenpunkten wird in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Durch diese gezielte Anordnung von Quantenpunkten wird eine Emission von Photonen bei höheren Temperaturen ermöglicht. Zusätzlich werden nichtstrahlende Rekombinationsmechanismen in der dünnen Germaniumschicht unterdrückt, die üblicherweise in Schichtstrukturen von einzelnen oder Paaren von Quantenpunkten mit dickeren Trennschichten beobachtet werden. Außerdem werden Proben mit systematisch veränderten Wachstumsparametern untersucht. Dies erlaubt die Herstellung von unterschiedlichen Formen von Quantenpunkten, die jeweils durch die Vorstrukturierung der Substrate mit geordneten, flachen Gruben realisiert werden. Sowohl die Demonstration der grundsätzlichen Möglichkeit des Ordnens von hut-cluster-Quantenpunkten, die Analyse von geometrischen Veränderungen der unteren Quantenpunktschichten und der Siliziumdeckschicht in Abhängigkeit der Wachstumsparameter, als auch Simulationsstudien dieser Strukturen werden in dieser Arbeit behandelt. Die Proben werden vollständig in unserem Reinraum hergestellt. Der Herstellungsprozess beinhaltet unter anderem die chemische Behandlung der Substrate in einer Flowbox, Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie, reaktives Ionenätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma und Molekularstrahlepitaxie (MBE, in unserer Gruppe durchgeführt). Um die Proben zu charakterisieren werden verschiedene Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM, durchgeführt am Zentrum für Oberflächen- und Nanoanalytik and der JKU), Nanotomographie, mikro-Photolumineszenzspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) eingesetzt. submitted by DI Jeffrey Schuster, BSc Dissertation Universität Linz 2022

As the global demand for computational power and data transfer further increases, it becomes apparent that metallic wiring is a significant performance-limiting factor that results in the interconnect bottleneck. This issue is tackled by the field of Si photonics, which aims to replace metallic with optical interconnects to enable high-bandwidth optical data transfer down to the chip level. Thereto, Si photonics relies on optical components that are compatible with modern complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) production techniques. Although most components required for photonic integrated circuits have already reached a high level of maturity, an adequate solution for a CMOS-compatible laser source is still missing. In recent years defect-enhanced Ge quantum dots (DEQDs) have been proposed as potential gain material for Si-based integrated laser sources. These quantum dots (QDs) are implanted with Ge ions during epitaxial growth. Thereby, optically active point defects are introduced intentionally into the DEQDs which, in stark contrast to defect-free SiGe QDs, feature a distinct luminescence in the telecom range up to room temperature and above. Furthermore, even optically pumped lasing has been demonstrated for the DEQD-system when embedded in micro disk resonators. Beyond that, the key advantage is the crystalline Si matrix surrounding the DEQDs. Thus, implementation in electrically driven devices is straightforward, as Si processing techniques have been optimized for decades in academia and industry. In this work, four post-growth optimization techniques are investigated to push the photoluminescence yield of DEQDs further. These include millisecond flash-lamp annealing, in-situ annealing, low-energy hydrogen irradiation, and an advanced hydrogenation process initially developed for solar cells. Using the right process parameters, these optimization steps can increase the luminescence output by a multitude. Additionally, a fabrication process for DEQD-based light emitting devices on silicon-on-insulator substrates is developed. Finally, preliminary results on these DEQD devices are presented and possible routes for device design optimization are discussed. Although no lasing was observed in the course of this thesis, the results and the accumulated experiences will fuel future research efforts. Consequently, this work is another major step towards a CMOS-compatible laser source based on Ge QDs. Der globale Bedarf nach Rechenleistung und Datenübertragung steigt stetig. Dabei wird immer deutlicher, dass metallische Leitungen eine signifikante Limitierung der Leistungsfähigkeit darstellen. Dies wird auch als interconnect bottleneck bezeichnet. Das Gebiet der Silizium Photonik zielt darauf ab dieses Problem zu lösen, indem elektrische Leitungen zunehmend durch optische Datenübertragung ersetzt werden, um hohe Bandbreiten bis auf Chip-Ebene zu ermöglichen. Hierfür werden in der Silizium Photonik optische Komponenten eingesetzt, welche mit den Prozessen der modernen Halbleiterfertigung (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) kompatibel sind. Die meisten Komponenten für photonische integrierte Schaltungen sind bereits ausgereift, allerdings fehlt bis heute eine geeignete Lösung für eine CMOS-kompatible Laserquelle. In den letzten Jahren wurden defektverstärkte Ge-Quantenpunkte (defect-enhanced Ge quantum dots, DEQDs) als potentielles Gainmaterial für eine Laserquelle auf Si-Basis vorgeschlagen. Diese Quantenpunkte (quantum dots, QDs) werden während des epitaktischen Wachstums mit Ge-Ionen implantiert. Dadurch werden gezielt optisch aktive Punktdefekte innerhalb der DEQDs gebildet. Im Gegensatz zu defektfreien SiGe-QDs zeigen DEQDs eine starke Lumineszenz im Telekombereich bei Raumtemperatur und darüber hinaus. Sogar optisch gepumptes Lasing wurde im DEQD-System demonstriert, indem diese in Scheibenresonatoren eingebettet wurden. Von den optischen Eigenschaften abgesehen, ist der größte Vorteil dieses Systems, dass DEQDs von einer kristallinen Si-Matrix umgeben sind. Dadurch gestaltet sich die Entwicklung von elektrisch angetriebenen Bauelementen als unkompliziert, da die Si-Technologie seit Jahrzehnten in der Wissenschaft und in der Industrie optimiert wird. In der vorliegenden Arbeit wurden vier Techniken untersucht, welche die Photolumineszenzausbeute von DEQDs nach ihrem Wachstum weiter erhöhen sollen. Zu diesen Methoden gehören Millisekunden-Blitzlampentempern, in-situ-Tempern, Bestrahlen mit energiearmen Wasserstoffkernen, und eine fortschrittliche Behandlung mit Wasserstoff, welche ursprünglich für Solarzellen entwickelt wurde. Mit Hilfe der richtigen Prozessparametern kann die Lumineszenzausbeute um ein Vielfaches gesteigert werden. Zusätzlich dazu wurde ein Fabrikationsprozess für DEQD-basierte Leuchtdioden auf Silizium-auf-Isolator Substraten entwickelt. Die ersten Ergebnisse dieser Dioden werden präsentiert, und mögliche Herangehensweisen für die Optimierung des Dioden Designs werden diskutiert. Obwohl im Rahmen dieser Arbeit kein Lasing erzielt wurde, sind die Ergebnisse trotzdem ein weiterer wesentlicher Schritt in Richtung einer auf Ge-QDs basierten CMOSkompatiblen Laserquelle. Author DI Lukas Spindlberger, BSc Dissertation Universität Linz 2022

Die Chemie von Carbanionen ist bis heute in vielen experimentellen und theoretischen Arbeiten eingehend untersucht worden, was sich auch in der mittlerweile kommerziellen Verfügbarkeit und alltäglichen Anwendung dieser als Reagenzien in Industrie und akademischer Forschung widerspiegelt. Die schweren Homologe der Carbanionen hingegen, die Substanzklasse der Silylanionen, zeigt bis heute deutliches Entwicklungspotential. So hat sich in vielen Arbeiten der letzten nun fast 90 Jahre gezeigt, dass es maßgebliche Unterschiede in Struktur, Reaktivität und Verwendung von Silylanionen gegenüber Carbanionen gibt. Die Untersuchungen der hier vorliegenden Arbeit konnten wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Chemie von Silylanionen liefern sowie ein neues Anwendungsfeld für diese Verbindungen eröffnen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein synthetischer Zugang zu einem hoch enantiomerenangereicherten Kaliumsilanid erschlossen werden. Dieser Zugang ermöglichte nicht nur die Darstellung des ersten bekannten hoch enantiomerenangereicherten Kaliumsilanids, sondern darüber hinaus experimentelle Untersuchungen zum Einfluss des Metallwechsels von Lithium zu Kalium auf das Racemisierungsverhalten von Silylanionen. Dabei wurde der Fokus auf äußere Einflüsse wie Temperatur, Konzentration und koordinierende Additive gelegt, wobei eine deutlich schnellere Racemisierung für Kaliumsilanide im Vergleich zu bereits bekannten Lithiosilanen beobachtet werden konnte. Die experimentellen Untersuchungen lieferten in Verbindung mit quantenchemischen Berechnungen wichtige Informationen über den Racemisierungsmechanismus und die Unterschiede zwischen den Alkalimetallen Lithium und Kalium. Außerdem konnte mit Hilfe quantenchemischer Berechnungen der Einfluss von Substituenten auf die Inversion am stereogenen Siliciumzentrum untersucht werden. Dabei gelang es den stabilisierenden Effekt von Silylgruppen durch stabilisierende Wechselwirkung von relevanten Grenzorbitalen zu beschreiben und einen Vergleich von Substituenten durchzuführen. Neben den Untersuchungen zum Racemisierungsverhalten von Silylanionen mit stereogenen Siliciumzentren wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Reihe von aminofunktionalisierten Silylanionen dargestellt. Durch Einführung von Substituenten über Si–N-Bindungen konnte ein universeller Zugang zu funktionalisierten Silylanionen erweitert werden, der es erlaubt diverse Funktionalitäten in die Zielmoleküle zu integrieren, darunter koordinierende Gruppen oder chirale Information. Dies erlaubte darüber hinaus Untersuchungen zum Strukturbildungsverhalten dieser Verbindungen durch Einkristallröntgenstrukturanalyse und zeigte einen Zusammenhang zwischen Koordination des Alkalimetalls und der strukturellen Eigenschaften. Das hoch enantiomerenangereicherte Kaliumsilanid, welches im ersten Teil dieser Arbeit eingehend untersucht wurde, konnte außerdem als stereochemische Sonde zur Untersuchung der Addition von alkalimetallorganischen Reagenzien an Olefine eingesetzt werden. Dabei konnte durch Addition des Kaliumsilanids an ein Modellsystem eine stereoselektive Addition erzielt werden, was wichtige Informationen über den mechanistischen Verlauf dieser fundamentalen Reaktion lieferte. Darüber hinaus zeigten diese Untersuchungen die Möglichkeit auf, auch weitere Silylanionen für die Addition an Olefine zu verwenden. In diesem Zuge wurde die Reaktivität von Silylanionen genutzt, um potentielle Initiatoren für die anionische Polymerisation von Olefinen zu entwickeln. Im Zuge dessen wurden sowohl Silylanionen direkt als Initiatoren für die anionische Polymerisation von Styrol eingesetzt sowie eine neue Klasse von Initiatoren auf Basis von 1,1-Diphenylethen erschlossen. In beiden Fällen zeigen aminofunktionalisierte Silylanionen im Speziellen hochinteressante Eigenschaften, die es ermöglichen sollten Polymere zu funktionalisieren und nach Bedarf einer reichhaltigen Folgechemie zu unterziehen.

Herkömmliche Synthesen von Siliciumverbindungen basieren auf energieintensiven Reaktionen bei hohen Temperaturen und oftmals langen Reaktionszeiten. Mit dem allgemeinen Bestreben chemische Prozesse im Sinne der Prinzipien der Green Chemistry nachhaltig zu gestalten, lässt sich die Siliciumchemie daher nur schwer vereinbaren. Über den Einsatz von Synthesemikrowellen konnte es nun gelingen einen schnellen Zugang zu einer Vielzahl von (Aminomethyl)trialkoxy- sowie (Aminomethyl)organosilanen zu schaffen. Die dargestellten Verbindungen wurden hinsichtlich ihrer Reaktivität in Carbolithiierungen und Deprotonierung untersucht sowie zur Darstellung pentavalenter, zwitterionischer Silicate eingesetzt. Weiterhin konnte erstmals ein mikrowellenbasierter Aufschluss von Siliciumdioxid entwickelt werden, der es ermöglicht hexavalente Silicate innerhalb weniger Minuten darzustellen. Hierfür wurden nicht nur synthetische Siliciumdioxidquellen, wie beispielsweise Silica Gel, sondern ebenfalls Sand als natürliche SiO2-Ressource verwendet. Diese Synthesen bieten somit ein großes Potential die Siliciumchemie nachhaltiger zu gestalten und hinsichtlich der Prinzipien der Green Chemistry zu optimieren.

Silicon sensors are used today in almost all experiments in particle physics. Since they can be easily segmented using standard photo-lithographic techniques, they can achieve excellent position resolution and play a key role in measuring primary and secondary vertices and tracking of charged particles. Up to now, the sensors were read out by dedicated front-end electronic chips connected via bump- or wire-bonding techniques, which is limiting their performance because of a rather high material budget and complicated and expensive assembling procedures. After years of research and development, Depleted Monolithic Active Pixel Sensors(DMAPS) manufactured by Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technologies now allow a combination of the charge-sensitive volume and the active readout electronics into one device. This technology is particularly suitable for applications that require low material budget and excellent position resolution, such as those required for electron machines such as Belle II upgrades or the Future Circular Collider-ee (FCC-ee). However, more significant improvements in their radiation tolerance are needed to meet the needs of hadron accelerator experiments such as the high luminosity Large Hadron Collider (LHC) or theFCC-hh.In order to further push the technology in this promising field, DMAPS are being developed within the RD50 collaboration using the LFoundry 150 nm CMOS process. Within this thesis I characterized and studied the second prototype RD50-MPW2. The active matrix of this chip consists of 8×8 pixels, but the pixels can only be read out one after another due to the analogue front end. I established the Data Acquisition (DAQ) system to operate and read out this detector by embedding the chip in hardware and software framework, called Control and Readout Inner Tracking Board (CaRIBOu) and Peary, respectively. The CaRIBOu framework is used and tested in stand-alone operation with a radioactive 90-Sr source in the laboratory and also in a proton beam at the MedAustronsynchrotron embedded into an EUDAQ2 environment. Within these measurements, I determined the general performance of the chip and compared an unirradiated chip with chips irradiated up to a 1 MeV neutron-equivalent fluence of 10^14 neq /cm2.

In dieser Arbeit werden M��glichkeiten zur Homogenisierung von Widerstandsprofilen entlang von phosphordotierten, gerichtet erstarrten, multikristallinen Silizium (mc-Si) Bl��cken f��r PV-Anwendungen untersucht. Die im Rahmen der Dissertation durchgef��hrte analytische Untersuchung konzentriert sich auf den Phosphortransport in der Siliziumschmelze, an der Grenzfl��che zwischen Kristall und Schmelze, an der Schmelzenoberfl��che und in der Gasphase oberhalb der Schmelze. Es wurden drei Prozessparameter identifiziert, die den st��rksten Einfluss auf die Phosphorverteilung in multikristallinen Bl��cken haben: die Durchmischung der Schmelze, der Gesamtgasdruck in der Anlage und der Gasfluss ��ber der Schmelze. Variationen in der St��rke der TMF sind sinnvoll, um die Phosphorverteilung entlang der Barrenh��he zu beeinflussen. Ein schwaches TMF bewirkt eine gleichm����igere Dotierstoffverteilung und f��hrt zu einem verringerten spezifischen Widerstand des Blocks in den Anfangsstadien der Kristallisation, w��hrend ein starkes TMF einen signifikanten Effekt auf die Phosphorverdampfung hat und zu einem Anstieg des spezifischen Widerstandes zum Ende des Blocks hin f��hrt. Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass die Verringerung des Gasdrucks zu einer deutlich verst��rkten Phosphorverdampfung von der freien Schmelzenoberfl��che f��hrt und damit den spezifischen Widerstand des erstarrten Blocks erh��ht, vor allem gegen dessen Ende hin. Die w��hrend der Studie gewonnenen Erkenntnisse wurden f��r die Optimierung der typischen G1-Wachstumsrezeptur verwendet. Die mit diesem Rezept gez��chteten G1 mc-Si Bl��cke zeigen eine gleichm����igere Widerstandsverteilung als solche, die mit einem typischen Rezept gez��chtet wurden. Die Widerstandsvariation wurde auf 55 % verringert und erf��llte den von der Marktspezifikation vorgegebenen Zielbereich von 3,0 - 1,0 �����cm. Die entwickelte Rezeptur wurde erfolgreich f��r die gerichtete Erstarrung mit Keimvorgabe ��bertragen., The research described in this thesis is focused on homogenization of resistivity profiles along phosphorus-doped directionally solidified multicrystalline silicon (mc-Si) ingots for PV application. The analytical study conducted within the framework of the thesis is focused on phosphorus transport in the silicon melt, at the crystal-melt interface, at the melt surface and in the gaseous phase above the melt. Three process parameters were identified to have the most dominant influence on phosphorus distribution in multicrystalline ingots: melt mixing, furnace ambient gas pressure and gas flow above the melt. It was found that variations in strength of TMF could be used to control the phosphorus distribution along the ingot���s length. Weak TMF provokes more uniform dopant distribution and results in decreased ingot resistivity at the initial stages of crystallization, while strong TMF has more prominent effect on phosphorus evaporation that leads to the increase of resistivity towards the ingot���s end. The results of experiments demonstrated that reduction of ambient gas pressure leads to significantly intensified phosphorus evaporation from the free melt surface and increases the resistivity of the solidified ingot, especially towards its end. The findings obtained during the study were used for the adjustment of the typical G1 growth recipe. Conventional G1 mc-Si ingots grown using this recipe show more uniform resistivity distribution than those grown using a typical one. Resistivity variation was reduced to 55% and met the target range of 3.0 ��� 1.0 �����cm set by market specification. The developed recipe was successfully replicated for directional solidification seeded growth.

In dieser Arbeit wurden chirale aminofunktionalisierte Methoxysilane und Silanole hergestellt, um mit diesen fundamentale, molekulare Prozesse zu untersuchen. Durch die Analyse diverser Festk��rperstrukturen der dargestellten Verbindungen konnte der Einfluss des Amino��substituenten auf die Aggregatbildung ergr��ndet und wiederkehrende Strukturmotive der ausgebildeten Wasserstoffbr��cken-Aggregate identifiziert werden. F��r mechanistische Untersuchungen wurden Si-stereogene Verbindungen in hoher stereochemischer Reinheit dargestellt und als chirale Sonden verwendet. In intensiven NMR-Untersuchungen zeigte sich eine l��sungsmittelabh��ngige Stabilit��t des untersuchten chiralen Silanols. Zus��tzlich konnten mithilfe der beobachteten Konfigurations��nderungen an den Siliciumzentren auf Mech-anismen der ablaufenden Prozesse zur��ckgeschlossen werden. So konnte in diesem Projekt ein Kondensationsmechanismus unter Inversion der Konfiguration an einem der beiden Siliciumzentren der bei der Reaktion beteiligten Silanole identifiziert werden. Durch eine Kombinatorik der chiralen Sonde in Form des Silanols mit Isotopenmarkierungsversuchen konnten tiefgreifende Analysen von versteckten Austauschprozessen mit Wasser erm��glicht werden. Neben diesen Untersuchungen konnten chirale Lithium- und Zinksiloxide aus den Silanolen dargestellt werden, bei denen erste Transformationsreaktionen von Si-stereogenen Silanolen einen sauberen stereochemischen Verlauf in den durchgef��hrten Metallierungsreaktionen zeigten. Neben der Anfertigung diverser hochwertiger Einkristallr��ntgenstrukturanalysen zwecks experimenteller Elektronen��dichte��bestimmungen f��r eine tiefere Analyse der komplexen Natur der Si���O-Bindung konnten erste Versuche zur Oberfl��chenmodifikation mit einem synthetisierten, chiralen, aminofunktionalisierten Methoxysilan realisiert werden.

By employing a bifunctional, strained cyclooctyne and an azide-incorporated tetrazine an additive-free, sequential layer-by-layer synthesis was demonstrated. The conversion was selective, fast, high-yielding and running at room temperature. The ligation steps in means of SpAAC and IEDDA were first exhibited on a cholic acid derived triazide.Subsequently the synthesis was examined on silicon(001) in cooperation with AG DÜRR. After the selective [2+2]- reaction of the strained triple bond with silicon dimers, a tetrazine reacted within IEDDA to the corresponding pyridazine and a second layer was built for the first time in UHV. Since in a previous work a terminal alkyne did not react in UHV within a 1,3-dipolar cycloaddition, a new strategy in order to synthesize a second layer for this bifunctional cyclooctyne was established. By diving the organic-semiconductor interface into a stain solution of azide and CuX(PPh3)3 (X = Br,I) in acetonitrile, a second layer was successfully achieved in cooperation with AG DÜRR. To facilitate the reaction, suitable conditions were investigated on a test system with particular requirements. In addition to enol ether and bisalkyne different cyclooctynes and 8-membered-ring-vinyl bromides were investigated towards their applicability for an additive-free layer-by-layer synthesis. SuFEx, hydrazone-formation, esterification and 1,3-dipolar cycloaddition were inferior to SpAAC & IEDDA., Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine additivfreie Schichtsynthese in Lösung erprobt. Dazu konnte das Enolether-funktionalisierte Cyclooctin mit dem Azid-haltigen Tetrazin selektiv, schnell, bei Raumtemperatur und in hohen Ausbeuten umgesetzt werden. Auf einer Azid-bedeckten, molekularen Oberfläche konnten durch sequentielle Abfolge von SpAAC und IEDDA drei Schichten synthetisiert werden. Die demonstrierte Schichtsynthese wurde dann auf Silizium-(001) von der AG DÜRR reproduziert. So gelang es zum ersten Mal die zweite Schicht in Form von Pyridazinen im Ultrahochvakuum zu synthetisieren. Da im Ultrahochvakuum mit dem terminalen Alkin keine 1,3-dipolare Cycloaddition erfolgte wurde eine neue Versuchsdurchführung zur Synthese der zweiten Lage erforscht. Nach der Gasphasenaufbringung von wurde durch das Eintauchen der Oberfläche in eine Stammlösung aus Azid und CuX(PPh3)3 (X = Br,I) in Acetonitril ebenfalls eine zweite Schicht durch Tauchchemie synthetisiert. Um diese Strategie zu ermöglichen, musste im Vorlauf eine mit der MLD-Kammer kompatible CuAAC-Reaktion gefunden werden und Verfahren an der Schnittstelle Oberflächenphysik/Lösungsmittelchemie erarbeitet werden. Neben dem Enolether und dem Bisalkin wurden auch andere Cyclooctine synthetisiert und meist auf der Stufe des Vinylbromids bezüglich einer Schicht-vermittelnden Reaktion überprüft. SuFEx, Hydrazon-Bildung, Veresterung und 1,3-dipolare Cycloaddition nahmen dabei gegenüber den anderen beiden Click-Reaktionen eher untergeordnete Rollen ein.

Eine Studie zur kovalenten Immobilisierung einiger Porphyrinderivate und einer p-Maleimidophenyl-Spezies (p-MP) auf der Si(111)-Oberfläche wird vorgestellt. Hierbei lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung des Einflusses von Reaktionsparametern auf die Abscheidung und die Qualität organischer Schichten. Die dünnen Schichten werden mittels nasschemischer Methoden abgeschieden. Die hergestellten Strukturen werden mit einer Vielzahl oberflächensensitiver Messtechniken wie der IR-Ellipsometrie, der XPS-, der SEIRA- und der IR-Reflexionsspektroskopie analysiert. Alle Abscheidungen in dieser Arbeit werden in situ durchgeführt, zusätzlich zu den ex situ Reaktionen, um das Verständnis der Filmwachstums- und Depositionsgeschwindigkeiten zu erhalten. Bei der Untersuchung der Porphyrin-Dünnschichten lag der Fokus auf den synthetische Bedingungen der Materialabscheidung. Die Lösungsreaktionen zeigen, dass die Reaktion mit dem voraktivierten Porphyrinderivat zu einer besseren Ausbeute führt als mit dem in situ aktivierten Porphyrin. Wenn diese Reaktion jedoch unter Verwendung des Schicht-für-Schicht-Abscheidungsprinzips auf die Oberfläche übertragen wird, findet die Reaktion mit den oberflächengebundenen Aminosilanmolekülen mit einer viel langsameren Geschwindigkeit statt als die gleiche Reaktion in Lösung. Es wird ein alternativer Syntheseansatz vorgeschlagen, bei dem das Produkt in Lösung hergestellt und dann auf dem oxidierten Si-Substrat abgeschieden wird. Eine weitere in situ-Studie zum p-MP-Elektropfropfen auf der H-terminierten Si(111)-Oberfläche liefert Details zur Dünnschichtbildung im monolagigen und im sub-monolagigen Bereich. Die spontane Pfropfung von p-MP wird ebenfalls in situ überwacht. Es wurde festgestellt, dass die Bildung einer Monoschicht während der stromlosen Abscheidung länger dauert als bei einer elektrochemischen Abscheidung. Als Alternative zum Radikalmechanismus wird ein kationischer Mechanismus vorgeschlagen. A study on the covalent immobilization of a couple of porphyrin derivatives and a p-maleimidophenyl species (p-MP) on Si(111) surface is presented to investigate how do reaction parameters influence the deposition and the quality of organic layers. The thin films are deposited with “wet chemistry” methods. The prepared structures are analyzed with a variety of surface sensitive techniques, namely, IR ellipsometry, XPS, SEIRA, and IR reflection spectroscopy. All depositions in this work are conducted in situ, in addition to the ex situ reactions, to gain an understanding of the film growth and deposition rates. The study on porphyrin thin films focused on the synthetic conditions of material deposition. Solution reactions indicate that the reaction with the pre-activated porphyrin derivative leads to a better yield than with the in situ-activated porphyrin. However, when this reaction is transferred to the surface by using the layer-by-layer deposition approach, the reaction with the surface-bound aminosilanes molecules takes place at a much slower rate than the same reaction in solution. An alternative synthetic approach, where the product is prepared in solution and then deposited on the oxidized Si substrate, is proposed. A parallel in situ study on p-MP electrografting on the H-terminated Si(111) surface provides details on the thin film formation in a monolayer and a sub-monolayer regime. The spontaneous grafting of p-MP is also monitored in situ. It was found that the formation of a monolayer during the electroless deposition takes longer than an electrochemical deposition. A cationic mechanism is proposed as an alternative to a radical mechanism.

Diese Arbeit behandelt verschiedene Aspekte der Funktionalisierung der Si(001)-Oberfläche mit bifunktionalen organischen Molekülen und ist dabei in drei Teilprojekte gegliedert.Mit der Reaktion des Benzylazids 1-(azidomethyl)-4-methylbenzol auf Si(001) wurde zuerst ein System untersucht, bei dem die möglichen Endzustände im Vordergrund standen. Es konnte mittels STM- und XPS-Messungen sowie durch DFTRechnungen unserer Kooperationspartner gezeigt werden, dass das Benzylazid via N2-Eliminierung in zwei verschiedene Endzustände reagiert. Es existiert ein ausschließlich über den verbleibenden Stickstoff an die Oberfläche gebundener Zustand und ein zusätzlich mit dem Benzolring anbindender zweiter Endzustand. Die Verteilung der Zustände liegt bei etwa 1 : 1, wobei eine Konversion zwischen den Konfigurationen nur in sehr kleiner Zahl beobachtet wurde. Außerdem wurde mittels STM und mit Hilfe der DFT-Rechnungen ein bei 50 K stabiler Zwischenzustand gefunden, bei dem die drei Stickstoffatome des Azids gemeinsam mit einem Si-Dimer einen Fünf-Ring bilden.Ausgehend von der Kenntnis zur Adsorption auf sauberem Silizium konnten diese Ergebnisse als Referenz für die Adsorption organischer Schichten bifunktionaler Moleküle genutzt werden, da sich das Azid sehr gut für die zweite Lage auf mittels Ethinyl-cyclopropyl-cyclooctin (ECCO) funktionalisiertem Silizium eignet. ECCO bindet selektiv an die Si-Oberfläche, sodass stets die Ethinylgruppe als Angriffspunkt für weitere Adsorptionen zur Verfügung steht. Es konnten, unter bestimmten experimentellen Rahmenbedingungen und in geringem Maße, die Kupplung zwischen der Azidgruppe und der Ethinylgruppe des Cyclooctins mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie nachgewiesen werden.Die Wechselwirkung zwischen funktionellen Gruppen in einem Molekül und deren gegenseitige Beeinflussung bei der Adsorption wurde anhand der Allylether Allyl-Methylether und Allyl-Ethylether untersucht. Die Allylether reagieren, wie vom Diethylether bekannt, dissoziativ. Es konnten jeweils vier potentielle Endkonfigurationen detektiert werden, wobei je zwei, abhängig von der Position der Etherspaltung, nicht voneinander unterscheidbar sind. Bei Temperaturen von 150 K konnte nur ein kleiner Anteil des Gesamtsignals einem dativ gebundenen, zeitlich stabilen Zwischenzustand zugeordnet werden. Dies steht im Kontrast zu den Ergebnissen der Adsorption des Diethylethers bei dieser Temperatur, für den nahezu ausschließlich der dative Zwischenzustand beobachtet wird.In allen drei Fällen zeigte sich die Komplexität der untersuchten Reaktionen. Nur bei einem guten Verständnis dieser Prozesse ist es möglich, diese organischen Moleküle in Anwendungen wie zum Beispiel der molekularen Elektronik einzusetzen., This work covers different aspects of functionalization of the Si(001) surface with bifunctional organic molecules, it is divided in three parts.For the first system, the reaction of the benzylazide 1-(azidomethyl)-4-methylbenzol on Si(001) was studied. The focus of the study was on possible final states. Using STM- and XPS-measurements, as well as DFT-calculations by our collaboration partners, we could show that the benzylazide reacts via N2-elimination into two different final states. One state is exclusively bound to the surface via the remaining nitrogen-atom, the other state is additionally bound to the surface via the benzyl ring. The distribution of these two states is approximately 1 : 1, the conversion between the two states is only observed with low rate at room temperature. Furthermore, an intermediate state, stable at 50 K, with its three nitrogen-atoms forming a five-ring with the silicon dimer, was identified by means of STM and in combination with DFT-calculations.Starting with this knowledge on the adsorption of benzylazide on clean silicon, the results could be used as reference for the studies on organic layers of bifunctional molecules, because the azide is very well suited as second layer on top of ethynylcyclopropyl-cyclooctyne (ECCO)-functionalized silicon. ECCO adsorbs selectively on the silicon surface via the strained triple bond, thus the ethynyl group can act as a binding site for further adsorption. Under particular experimental conditions and in small measure, coupling between the azide group and the ethynyl group of ECCO could be confirmed by means of XPS at well chosen experimental conditions and in small measure.Interaction between different functional groups in one molecule and their mutual influence on the adsorption on Si(001) was studied with two allyl ethers: allyl methyl ether and allyl ethyl ether. These allyl ethers react under dissociation of the ether group as known from diethyl ether. Four potential final configurations were identified, pairs of two were not distinguishable by means of XPS. At temperatures of 150 K, just a small fraction of the total signal could be assigned to a datively bound, stable intermediate state. This is in contrast to results of diethyl ether at this temperature, for which the intermediate state is detected almost exclusively.All three systems showed rather complex reaction schemes, good understanding of these processes is thus necessary to use these organic molecules in applications such as, e.g., in molecular electronics.

Um bei der Anwendung von Multibracketapparaturen unerwünschte Wirkungen wie Wurzelresorptionen zu vermeiden, müssen die auf die Zähne wirkenden Kräfte, Momente und Lastrichtungen genau eingeschätzt werden. Um die Parameter zu objektivieren befindet sich das Smart Bracket in Entwicklung. Ziel der vorliegenden experimentellen Studie war es die Klebeverbindung zwischen den einzelnen Komponenten dieses Smart Brackets - Zirkoniumoxid-Keramik als Material für das Bracket, monokristallines Silizium für den Sensorchip und Glas als Trägermaterial für die Auslesespule - zu optimieren. Im Testprotokoll wurde sich weitestgehend an die DIN 13990 gehalten. Bei Einzelklebungen zwischen Silizium und Keramik bzw. Glas und Keramik fanden mit je 85 % bzw. 82 % auffallend häufig Adhäsionsbrüche an der Keramik statt. Bei 97,5 % der Klebungen im realistischen Gesamtaufbau versagte die Adhäsion zur Keramik. Zudem versagte die Klebung einiger Probekörper nach künstlicher Alterung, ohne dass mechanische Kräfte auf den Verbund wirkten. Die ermittelten maximalen Haftwerte für den Klebstoff DELO MONOPOX AD295 insbesondere vor Alterung lagen mit durchschnittlich 67,6 MPa und einem Maximalwert von 107,2 MPa sehr hoch, ebenso wie der Maximalwert von 27,8 MPa nach Alterung im realistischen Gesamtaufbau. Diese einzelnen sehr hohen Haftwerte zeigen, dass es möglich ist, das Smart Bracket im bisher geplanten Aufbau zu realisieren. Allerdings müssten diese Haftwerte dafür zuverlässig erreicht werden, was jedoch durch eine Verbesserung der Adhäsion des Klebstoffs zur Keramikoberfläche und eine maschinelle Fertigung der Klebungen erreicht werden kann.

In pursuit of a sustainable energy economy, solar hydrogen generation via direct electrolysis using sunlight is a promising approach towards ecologically friendly fuels. However, photodriven water splitting faces numerous challenges that have to be overcome towards the development of stable and efficient systems, from the designing of new materials, to optimizing of light harvesting and integrating protection schemes for long-term viability. In this pursuit, TiO2 can serve in either of two roles: as a high band-gap absorber or as a protective coating for efficient semiconductors. In this work, the system of highly doped Silicon coated with atomic layer deposited TiO2 was studied with regard to deposition parameters, photoelectrochemical properties and the corrosion process. Amorphous films suffered from significant degradation under illumination in dilute sulphuric acid, which was found to be a two-fold process, chemical etching and a UV-photon induced photocorrosion. Stable and mostly crystalline anatase thin films were coated on precisely and (sub-)micro structured electrodes, based on lithography and plasma etching methods for Silicon, to increase active surface area, increase light absorption and reduce reflective losses. The correlation between structural shape and dimensions was evaluated in regard of beneficial and detrimental factors and an the impact of the conductive substrate became apparent. Optical simulation served to study the influence of electrode surface structuring on light management and is proposed as an invaluable tool for smart design of efficient, structured photoelectrodes., Kurzfassung: Um ein nachhaltiges System erneuerbarer Energie und Kraftstoffe zu entwickeln, kann solare Wasserspaltung einen wichtigen Beitrag liefern, Sonnenlicht zur Generierung von Wasserstoff zu nutzen. Um diesen Ansatz zu verwirklichen, gilt es noch eine Reihe von Hürden zu überwinden, um effiziente und langfristig stabile Materialsysteme zu realisieren. Titandioxid (TiO2) kann in der Idee eine von zwei Rollen einnehmen, als Absorber für Photonen im UV-Bereich, oder als Schutzschicht für effektive aber instabile Absorber. In dieser Arbeit wurden TiO2-Schichten auf hochdotiertem, leitfähigem Silizium untersucht, die mittels Atomlagenabscheidung (ALD) fabriziert wurden. Die Korrelation zwischen Abscheidungs-bedingungen, Photonenausbeute und Stabilität wurde evaluiert, wobei die Degradation amorpher Schichten auf zwei Teilprozesse zurückgeführt werden konnte, chemisches Ätzen und Photokorrosion unter UV-Belichtung. Stabile, kristalline Schichten wurden auf präzise strukturierten Siliziumelektroden abgeschieden, welche durch Lithographie und Plasmaätzen bestimmt wurden und bessere Photonenausbeute und höhere aktive Oberfläche versprechen. Die Zusammenhänge zwischen den Formen und Größen dieser Strukturen und optischen wie elektrochemischen Eigenschaften wurde untersucht und vor- wie nachteilhafte Aspekte identifiziert. Des Weiteren konnte ein Einfluss des entarteten leitfähigen Trägers festgestellt werden. Optische Simulationen ermöglichten außerdem die Untersuchung des Einflusses von Struktureigenschaften auf die Reflektion und Absorption und können der Vorhersage optimierter Strukturen dienen, um optimale Lichtausbeute zu erzielen.

Diese Arbeit behandelt verschiedene Aspekte der Funktionalisierung der Si(001)-Oberfläche mit bifunktionalen organischen Molekülen und ist dabei in drei Teilprojekte gegliedert. Mit der Reaktion des Benzylazids 1-(azidomethyl)-4-methylbenzol auf Si(001) wurde zuerst ein System untersucht, bei dem die möglichen Endzustände im Vordergrund standen. Es konnte mittels STM- und XPS-Messungen sowie durch DFTRechnungen unserer Kooperationspartner gezeigt werden, dass das Benzylazid via N2-Eliminierung in zwei verschiedene Endzustände reagiert. Es existiert ein ausschließlich über den verbleibenden Stickstoff an die Oberfläche gebundener Zustand und ein zusätzlich mit dem Benzolring anbindender zweiter Endzustand. Die Verteilung der Zustände liegt bei etwa 1 : 1, wobei eine Konversion zwischen den Konfigurationen nur in sehr kleiner Zahl beobachtet wurde. Außerdem wurde mittels STM und mit Hilfe der DFT-Rechnungen ein bei 50 K stabiler Zwischenzustand gefunden, bei dem die drei Stickstoffatome des Azids gemeinsam mit einem Si-Dimer einen Fünf-Ring bilden. Ausgehend von der Kenntnis zur Adsorption auf sauberem Silizium konnten diese Ergebnisse als Referenz für die Adsorption organischer Schichten bifunktionaler Moleküle genutzt werden, da sich das Azid sehr gut für die zweite Lage auf mittels Ethinyl-cyclopropyl-cyclooctin (ECCO) funktionalisiertem Silizium eignet. ECCO bindet selektiv an die Si-Oberfläche, sodass stets die Ethinylgruppe als Angriffspunkt für weitere Adsorptionen zur Verfügung steht. Es konnten, unter bestimmten experimentellen Rahmenbedingungen und in geringem Maße, die Kupplung zwischen der Azidgruppe und der Ethinylgruppe des Cyclooctins mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie nachgewiesen werden. Die Wechselwirkung zwischen funktionellen Gruppen in einem Molekül und deren gegenseitige Beeinflussung bei der Adsorption wurde anhand der Allylether Allyl-Methylether und Allyl-Ethylether untersucht. Die Allylether reagieren, wie vom Diethylether bekannt, dissoziativ. Es konnten jeweils vier potentielle Endkonfigurationen detektiert werden, wobei je zwei, abhängig von der Position der Etherspaltung, nicht voneinander unterscheidbar sind. Bei Temperaturen von 150 K konnte nur ein kleiner Anteil des Gesamtsignals einem dativ gebundenen, zeitlich stabilen Zwischenzustand zugeordnet werden. Dies steht im Kontrast zu den Ergebnissen der Adsorption des Diethylethers bei dieser Temperatur, für den nahezu ausschließlich der dative Zwischenzustand beobachtet wird. In allen drei Fällen zeigte sich die Komplexität der untersuchten Reaktionen. Nur bei einem guten Verständnis dieser Prozesse ist es möglich, diese organischen Moleküle in Anwendungen wie zum Beispiel der molekularen Elektronik einzusetzen. This work covers different aspects of functionalization of the Si(001) surface with bifunctional organic molecules, it is divided in three parts. For the first system, the reaction of the benzylazide 1-(azidomethyl)-4-methylbenzol on Si(001) was studied. The focus of the study was on possible final states. Using STM- and XPS-measurements, as well as DFT-calculations by our collaboration partners, we could show that the benzylazide reacts via N2-elimination into two different final states. One state is exclusively bound to the surface via the remaining nitrogen-atom, the other state is additionally bound to the surface via the benzyl ring. The distribution of these two states is approximately 1 : 1, the conversion between the two states is only observed with low rate at room temperature. Furthermore, an intermediate state, stable at 50 K, with its three nitrogen-atoms forming a five-ring with the silicon dimer, was identified by means of STM and in combination with DFT-calculations. Starting with this knowledge on the adsorption of benzylazide on clean silicon, the results could be used as reference for the studies on organic layers of bifunctional molecules, because the azide is very well suited as second layer on top of ethynylcyclopropyl-cyclooctyne (ECCO)-functionalized silicon. ECCO adsorbs selectively on the silicon surface via the strained triple bond, thus the ethynyl group can act as a binding site for further adsorption. Under particular experimental conditions and in small measure, coupling between the azide group and the ethynyl group of ECCO could be confirmed by means of XPS at well chosen experimental conditions and in small measure. Interaction between different functional groups in one molecule and their mutual influence on the adsorption on Si(001) was studied with two allyl ethers: allyl methyl ether and allyl ethyl ether. These allyl ethers react under dissociation of the ether group as known from diethyl ether. Four potential final configurations were identified, pairs of two were not distinguishable by means of XPS. At temperatures of 150 K, just a small fraction of the total signal could be assigned to a datively bound, stable intermediate state. This is in contrast to results of diethyl ether at this temperature, for which the intermediate state is detected almost exclusively. All three systems showed rather complex reaction schemes, good understanding of these processes is thus necessary to use these organic molecules in applications such as, e.g., in molecular electronics.

In der vorliegenden Arbeit wurde ausgedehntes Si_1−x Ge_x für unterschiedliche Zusammensetzungen 0 ≤ x ≤ 1 untersucht. Die Untersuchungen basierten auf der DFT, wobei das Programm QuantumATK 18.06 zum Einsatz kam. Für die Korrektur der Bandlücke wurden empirische Pseudopotential Projektor Shifts verwendet [34]. Für jede untersuchte Zusammensetzung wurden 500 zufällig generierte Konfigurationen der 64-atomigen Superzelle berechnet und statistisch ausgewertet. Nach der Optimierung der Struktur erfolgte die Auswertung der Bandlücke indem über äquivalente Pfade in der Brillouinzone gemittelt wurde. Zusätzlich wurden nach dieser Art auch kleine Anteile an C untersucht. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen für die Bildungsenergie der Mischstrukturen positive Werte mit einem Maximum bei mittleren Zusammensetzungen. Zur Stabilitätsuntersuchung der Legierungen wurde die Gibbs-Energie berechnet. Es ergeben sich negative Werte, was die Stabilität von SiGe bestätigt. Die berechnete Gitterkonstante der relaxierten Strukturen zeigt eine leichte Überschätzung der experimentellen Werte. Die ermittelten Bandlücken reproduzieren den Übergang von Si-artigen zu Ge-artigen Bandlücken bei x = 0.85. Die Werte der Bandlücke zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment. Aus den statistischen Untersuchungen wird deutlich, dass sowohl Bildungsenergie als auch Bandlücke Variationen von 10 % und mehr aufweisen. Es zeigt sich dadurch ein nicht zu vernachlässigender Unterschied zwischen verschie denen Konfigurationen der Superzelle, die alle eine Legierung mit gleicher Zusammensetzung beschreiben. Wird in die Strukturen Kohlenstoff eingebracht, so vergrößern sich die Variationen mit steigendem C-Anteil. Für die betrachteten kleine C-Anteile zeigt sich eine Erhöhung der Bildungsenergie und einer Verkleinerung der Gitterkonstante und der Bandlücke. Es wird deutlich, dass bereits wenig C einen Einfluss auf die wichtigen Eigenschaften der Legierung hat und für genaue Simulationen berücksichtigt werden muss. Wie die Ergebnisse zeigen, spielt die spezielle Konfiguration von Strukturen im nm-Bereich eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund wurde im zweiten Teil der Arbeit ein Ge-Profil nachgebildet, wie es in der Basis von HBTs vorkommt. Die Ergebnisse zeigen eine Verkleinerung der Bandlücke im SiGe-Bereich, welche im Wesentlichen durch zusätzliche Valenzzustände hervorgerufen wird. Diese Zustände sind in die z-Richtung lokalisiert. Die Leitungsbandkante bleibt von der SiGe-Region nahezu unbeeinflusst. Die Vergrößerung der SiGe-Region verkleinert die Bandlücke.:Abkürzungsverzeichnis - 5 1 Motivation - 6 2 Theoretische Grundlagen der Dichtefunktionaltheorie - 8 2.1 Quantenmechanische Vielteilchensysteme - 8 2.2 Hohenberg-Kohn-Theoreme - 9 2.3 Austausch-Korrelations-Funktional und Kohn-Sham-Gleichung - 10 3 Siliziumgermanium - 12 3.1 Kristallstruktur und Gitterkonstante - 12 3.2 Bandstruktur - 13 3.2.1 Bandstruktur von Si und Ge - 13 3.2.2 Bandlücke von SiGe - 14 3.2.3 Bandlücke von SiGe:C - 15 4 Modellierung und Methoden - 16 4.1 Modellzellen - 16 4.1.1 8-atomige konventionelle Einheitszelle - 16 4.1.2 64-atomige Superzelle - 17 4.2 Bildungsenergie und Stabilität von Legierungen - 20 4.2.1 Gibbs-Energie - 21 4.3 Faltung der Bandstruktur - 22 4.4 Korrektur und Ermittlung der Bandlücke - 24 4.4.1 Korrektur der Bandlücke - 24 4.4.2 Bestimmung der Bandlücke von ungeordneten Legierungen - 26 4.5 Berechnungsverfahren der Kristallstrukturen - 28 5 Ergebnisse und Auswertung - 29 5.1 Gitterkonstante - 29 5.2 Bildungsenergie und Änderung der Gibbs-Energie - 32 5.3 Bandlücke - 36 5.3.1 Leitungsbandminimum - 38 5.3.2 Bildungsenergie - 40 5.4 Bandstruktur - 42 6 Anwendung für die Basis von HBTs - 44 6.1 Modellierung - 45 6.2 Ergebnisse - 46 7 Zusammenfassung und Ausblick Literatur - 49 Danksagung - 53 Selbstständigkeitserklärung - 54

In dieser Arbeit wurden Aspekte zur Verbesserung der Materialqualität von AlGaN-Schichten untersucht, die mittels HVPE abgeschieden wurden. Diese umfassten einerseits die Strukturierung von Saphirsubstraten und die Prozessschritte Pufferschicht und Kompositionsvariationen sowie andererseits die Wahl des Reaktormaterials zu Vermeidung von parasitären Reaktionen und Fremdatomeinbau. Zunächst wurde eine 20 µm dicke AlGaN-Schicht auf einer Honigwaben-ähnlichen Substratstrukturierung abgeschieden, womit gegenüber der Verwendung einer Streifengeometrie die Anisotropie der Materialqualität um den Faktor 4 verringert werden konnte. Allerdings nukleierten auf dem vergleichsweise komplexer strukturierten Saphirsubstrat mehr unterschiedliche AlGaN-Domänen nicht-c-planarer Orientierung, die bis in Schichtdicken von 10 µm propagieren, bevor sie von c-planaren AlGaN-Domänen überwachsen wurden. In dieser Arbeit konnten sämtliche volumenmäßig relevanten dieser Domänen identifiziert und ihr kristallografischer Bezug zum Saphirsubstrat hergestellt werden. Durch die Entwicklung von trigonal strukturierten Substratstrukturen konnte die aufgeworfene Frage beantwortet werden, ob sich sämtliche Saphir m-Facetten identisch bei der Abscheidung von AlGaN verhalten. Die Erkenntnis, dass AlGaN-Domänen der Orientierung (0-103)III-N ∥ (1-100)Saphir selektiv nur auf den Saphir m-Facetten (1-100), (-1010), (01-10) nukleieren, nicht jedoch auf den m-Facetten (0-110), (01100), (10-10), ließ sich nutzen, um eine Substratstruktur zu entwerfen, bei der AlGaN-Domänen der genannten Orientierung diejenigen AlGaN-Domänen blockieren, deren c-Achse senkrecht auf Saphir n-Facetten steht und die eine Koaleszenz stark verzögern. Basierend auf den neuartigen Substratstrukturen konnte der Koaleszenzprozess auf etwa 2 µm verkürzt werden. Die Untersuchung der verwendeten AlN-Pufferschicht ergab, dass für die Schichtqualität der darauf abgeschiedenen AlGaN-Schichten möglichst geringe Halbwertsbreiten der Rockingkurven in der Pufferschicht vorteilhaft sind, nicht jedoch eine glatte Oberflächenmorphologie. Da die kristalline Qualität der AlN-Pufferschicht beim Übergang einer 3D-Oberfläche zu einer glatten Oberfläche abnimmt, ließen die durchgeführten Untersuchungen darauf schliessen, dass eine Koaleszenz der Pufferschicht unbedingt zu vermeiden ist. Der erstmalig in der HVPE von AlGaN untersuchte Kompositionsgradient ermöglicht, durch stufenweise oder kontinuierliche Erhöhung des Galliumanteils kompressive Spannung zu erzeugen. Er wird in dieser Arbeit dazu eingesetzt, tensile Spannung, die während des Wachstums von III-Nitriden auftreten kann, zu kompensieren und damit die Schichtqualität von AlGaN-Schichten signifikant zu erhöhen. Weiter konnte die Reaktion zwischen den Aluminium-Präkursoren AlCln und Quarz eindeutig als Quelle für Silizium- und Sauerstoff-Verunreinigungen in gewachsenen AlGaN-Schichten identifiziert werden. Durch die Substitution des Gruppe-III führenden Reaktorrohres mit Carbonglas konnte die Konzentration von Silizium in dafür gewachsenen AlN-Schichten um drei Größenordnungen auf 4*1016 cm-3 reduziert werden ohne die Konzentration von Kohlenstoff signifikant zu erhöhen. Es wurde dadurch erstmals möglich, in diesem Reaktor auf mittels MOVPE hergestellten AlN-Templates homoepitaktisch anzuwachsen und die Versetzungsdichte der AlN-Schicht weiter zu reduzieren, was mit STEM-Aufnahmen verifiziert werden konnte., This work discusses material aspects of AlGaN layers deposited using hydride vapor phase epitaxy towards the goal of material quality improvement. This comprises patterning of sapphire substrates, optimization of AlN deposition and revealing its influence on the subsequently grown AlGaN layers, composition grading as well as substitution of reactor parts to prevent precursor prereactions and thus to lower overall impurity level. First, a 20 µm thick AlGaN layer was grown on a hexagonal PSS, which led to a reduction of material quality anisotropy by a factor of 4 when comparing with AlGaN growth on stripe PSS. But comparably complex geometry of substrate pattern led to growth of several differently oriented AlGaN domains which hindered overgrowth up to layer thicknesses of 10 µm. All volume-wise noteworthy orientations of AlGaN could be identified and attributed to the sapphire substrate with respect to their crystallographic relation. Triangular shaped substrate pattern was designed and fabricated to firstly investigate the raised hypothesis, that sapphire m-facets could act differently towards overgrowth by AlGaN which could be unambiguously confirmed. AlGaN with epitaxial relation (0-103)III-N ∥ (1-100)sapphire grew selectively on sapphire m-facets (1-100), (-1010), (01-10), but not on (0-110), (01100), (10-10)-facets. This AlGaN-orientation could be used to block AlGaN domains oriented with their c-direction perpendicular to sapphire n-facets, which strongly hinder the pattern overgrowth by the c-plane oriented AlGaN material. this finding could be used to fabricate triangular PSS that allowed for overgrowth and coalescence within 2 µm instead of 10 µm compared to hexagonal PSS. AlN buffer layers used prior to deposition of thick AlGaN layers were found to decrease AlGaN crystal quality, when already coalesced. Deposition parameters such as V/III-ratio, temperature and growth rate of the buffer layer were optimized for maximum crystal quality with neglectance of smooth surface morphology to obtain highest crystal quality of subsequently grown AlGaN layers. First-time use of composition gradient in HVPE-grown AlGaN-layers allowed for introduction of compressive strain either with step-graded or continuously increased gallium content. It was used in this work to compensate tensile strain which occured during growth of AlGaN layers and thus to increase AlGaN layer crystal quality and crack-free layer thickness. Finally, parasitic reaction between aluminum chlorides AlCln and quartz could be unambiguously identified to be the root cause of silicon and oxygen impurities in HVPE grown AlGaN-layers. The Group-III quartz tube was replaced with a glassy carbon made one which reduced silicon concentrations in AlGaN layers by three orders of magnitude to a level of 4*1016 cm-3 without increasing carbon impurity levels significantly. This allowed for the first time to grow AlN homoepitaxially on a MOVPE-template in this reactor and to reduce dislocation density further, which was verified by STEM analysis.

In dieser Arbeit wurden mit Hilfe einer Kombination aus „metal assisted chemical etching“ (MACE) und Polystyrol-Nanopartikel-Lithographie, Säulen-strukturierte Siliziumoberflächen mit verschiedenen Säulendurchmessern und –längen, wie auch unterschiedlichen Säulenabständen, synthetisiert. Das im Anschluss durchgeführte Elektropolier-Verfahren verhalf dabei, die durch den MACE-Prozess erhöhte Oberflächendefektdichte (DSS) zu reduzieren. Dieses Verfahren wurde von in situ Photolumineszenzmessungen unterstützt. Eine im Anschluss an das Elektropolierverfahren durchgeführte Methylpassivierung erwies sich als notwendig, um den Zustand der reduzierten DSS für einen längeren Zeitraum an Luft stabil zu halten. Die elektropolierten und methylpassivierten Oberflächen wurden als Substrate in Kombination mit dem leitfähigen Polymer PEDOT:PSS für die Herstellung von Hybridsolarzellen verwendet. Im Vergleich zu Zellen deren strukturierte Oberfläche nicht zuvor elektropoliert worden ist, kam es bei den zusätzlich elektropolierten Zellen zu einer Effizienzverbesserung und einer Erhöhung des Kurzschlussstroms (JSC). Elektrochemische Verfahren zur Veränderung der Säulen-Morphologie sind in dieser Arbeit ebenfalls untersucht worden. Um eine strukturierte Oberfläche auch in anderen Bereichen, wie etwa der Biosensorik, verwenden zu können, bedarf es neben der Methylpassivierung weiterer Formen der Funktionalisierung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Syntheseweg entwickelt, der es ermöglicht direkt an das Siliziumsubstrat gebundene Hydroxylgruppen zu erhalten, ohne dass es zu einer Bildung von intermediären Oxidschichten zwischen Substrat und den Hydroxylgruppen kommt. Diese wurden anschließend mit verschiedenen Silanen umgesetzt, um organische Gruppen an die Oberfläche zu binden. Die gebundenen Silanderivate können im Folgenden weiter modifiziert werden, um die selektive Anbindung von Biomolekülen zu ermöglichen. Within this work, the “metal assisted chemical etching” (MACE) technique was combined with shadow nanosphere lithography to fabricate nanowire structured Si surfaces with different wire lengths and diameters. Electropolishing procedures subsequent to the wire growth resulted in a reduction of the surface defect density (DSS). The electropolishing procedure was directly monitored with the help of in situ photoluminescence spectroscopy. Previous works already observed a full and air stable surface passivation of flat Si surfaces by methylation. Also in the present work, the nanowire surfaces were methylated after the electropolishing procedure to preserve the reduced DSS. To determine the impact of this method on the solar cell performance, the electropolished and methylated surfaces were combined with the conductive polymer PEDOT:PSS. It revealed that the cells with the electropolished substrates exhibit a higher efficiency and an increased short circuit current (JSC). Different electrochemical procedures to change the wire morphology after the structuring have been investigated as well. To use the Si substrates for applications such as biosensing, different passivation/functionalization techniques besides the methylation are required. In this thesis, a new functionalization procedure was developed to obtain air stable hydroxyl groups that are directly bound to the Si substrate without an intervening oxide layer. To demonstrate the possibility to use these hydroxyl groups in the same way as the hydroxyl groups present on a Si oxide layer, further modifications with different silane species, such as APTES and AMMS, were conducted. In order to generate a more selective anchor group, the bound APTES molecules were further modified by a maleimide derivative, which allow for the selective binding of thiol-containing molecules.

The aim of this thesis is the identification and implementation of tailored light management textures for liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells on glass. To do this, textures that combine excellent anti-reflective properties in the wavelength range of interest and a consistent silicon material quality compared to reference cells need to be established. Two approaches for light in-coupling at the front-side of liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells are developed and investigated and a method for the production of tailor-made back-side textures is introduced. The findings may be used to provide improved light management and higher power conversion efficiencies in future cell designs for liquid phase crystallized silicon thin-film solar cells., Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation und Implementierung von maßgeschneiderten Lightmanagement Texturen für flüssigphasenkristallisierten Silizium Dünnschicht-Solarzellen auf Glas. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen Texturen entwickelt werden, die verbesserte anti-reflektierende Eigenschaften und eine gleichbleibende Materialqualität im Vergleich zu Referenzzellen vereinen. Zwei Ansätze zur Lichteinkopplung an der Vorderseite von flüssigphasenkristallisierten Silizium Dünnschicht-Solarzellen werden entwickelt und untersucht, und eine Methode zur Herstellung von maßgeschneiderten rückseitigen Texturen wird vorgestellt. Die Ergebnisse können zur Verbesserung von Lightmanagement und damit höherer Solarzellen-Effizienzen in flüssigphasenkristallisierten Silizium Dünnschicht-Solarzellen auf Glas beitragen.

In the present thesis, different aspects of the silicon surface passivation provided by aluminum oxide (Al2O3) were investigated; from the fundamental understanding of the surface passivation especially on n-type silicon wafers to the implementation into "Passivated Emitter and Rear Cell" (PERC) solar cells.

The Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) aims to study the properties of nuclear matter at high net-baryon densities and moderate temperatures. It is expected that, utilizing ultra-relativistic heavy-ion collisions, a phase transition from hadronic matter to QCD matter will be probed. Among the key objectives are the determination of the nature and order of the transition (deconfinement and/or chiral) and the observation of a critical end-point. To measure and determine the physics phenomena occurring in these collisions, appropriate detectors are required. The Silicon Tracking System (STS) is the key detector to reconstruct charged particle tracks created in heavy-ion collisions. In order to assure the necessary detector performance, about 900 silicon microstrip sensors must be checked and tested for their quality. For these tasks highly efficient and highly automated procedures and methods have to be developed. The first part of this dissertation reports on a novel automated inspection system developed for the optical quality control of silicon microstrip sensors. Proposed methods and procedures allow to scan along the individual sensors to recognize and classify sensor defects. Examples of these defects are: surface scratches, implant defects, metalization layer lithography defects and others. In order to separate and classify these defects various image-processing algorithms based on machine vision are used. The silicon sensors are also characterized geometrically to ensure the mechanical precision targeted for the detector assembly procedures. Since the STS detector will be operated in a high radiation environment with a total non-ionizing radiation dose up to 1x10^14 n_eq/cm^2 over 6 years of operation, the silicon sensors need to be kept in the temperature range of -5 to -10 °C at all times to minimize reverse annealing effects and to avoid thermal runaway. The second part of this work is devoted to the development and optimization of the design of cooling bodies, which remove the thermal energy of overall more than 40 kW produced by the front-end readout electronics. In particular, thermodynamical models were developed to estimate the cooling regimes and thermal simulations of the cooling bodies were carried out. Based on the performed calculations an innovative bi-phase CO2 cooling system of up to 200 W cooling power was built and allowed to verify the simulated cooling body designs experimentally., In der geplanten Experimentieranlage für Antiprotonen- und Ionenforschung (Facility for Antiproton and Ion Research, FAIR) wird das Compressed Baryonic Matter Experiment (CBM) nukleare Materie bei hoher Baryonendichte und moderaten Temperaturen untersuchen. Der Phasenübergang zwischen hadronischer und QCD-Materie kann mithilfe von ultrarelativistischen Schwerionenkollisionen untersucht werden. Die wichtigsten Ziele sind die Bestimmung der Art des Übergangs (Deconfinement- und/oder chiraler Phasenübergang) und die Untersuchung des kritischen Endpunktes im Phasendiagramm. Um diese Phänomene zu untersuchen, sind geeignete Detektorsysteme notwendig. Das Silicon Tracking System (STS) ist der zentrale Detektor, mit Hilfe dessen die Spuren der in den Schwerionenkollisionen erzeugten geladenen Teilchen rekonstruiert werden. Um die volle Funktionsfähigkeit des STS sicherzustellen, müssen die mehr als 900 Siliziumstreifensensoren vor dem Zusammenbau überprüft und getestet werden. Hierfür müssen die hocheffiziente und automatisierte Prozeduren und Methoden entwickelt werden. In erstem Teil dieser Dissertation wird über ein automatisiertes optisches Inspektionssystem berichtet. Das System erlaubt es, die einzelnen Siliziumsensoren auf potentielle vorhandene Oberflächendefekte zu untersuchen und sie zu klassifizieren. Beispiele hierfür sind: Kratzer auf der Oberfläche, Implantierungsdefekte oder Lithographiedefekte der Metallisierungsschicht. Für das Erkennen dieser Defekte werden mehrere “Machine Vision” Bildbearbeitungsalgorithmen benutzt. Außerdem werden die geometrischen Parameter der Sensoren, die für den Zusammenbau des STS wichtig sind, optisch kontrolliert. Der STS Detektor wird bei extrem hohen Kollisionsraten betrieben. Innerhalb einer Betriebsbszeit von 6 Jahren wird eine Strahlungsdosis von bis zu 1x10^14 n_eq/cm^2 akkumuliert, was zu einer deutlichen Erhöhung des Dunkelstrom führt und letztlich des “end-of-life” Kriterium darstellt. Die Siliziumsensoren müssen deswegen auf -5 bis -10 °C gekühlt werden, um “reverse Annealing” Effekte zu minimieren und das “Thermal Runaway” Phänomen zu verzögern. Durch die Ausleselektronik werden andererseits mehr als 40 kW an thermischer Energie nahe der Sensoren produziert, die deshalb mit Kühlkörpern komplett abgeleitet werden muß. Das zweite Teil dieser Dissertation wurde der Optimierung von Kühlkörpern gewidmet. Dafür wurden thermodynamische Modelle implementiert und entsprechende thermische Simulationen durchgeführt. Im Rahmen der Arbeit wurde ein 200 W CO2 Kühlungssystem gebaut, das es erlaubt, die Modellberechnungen und Simulationen einer Kühlung mit 2-phasigem CO2 zu überprüfen.

The optical detectability of ultrathin conductive films (down to one atomic layer) can be enhanced by choosing distinct layer-stacks. A simple analytical approach using the transfer matrix method is applied for calculating the reflectance of arbitrary multi-layer stack systems with and without the ultrathin layer of interest on top in a wide wavelength range, including both the visible spectrum and the ultraviolet spectrum. Then, the detectability defined by the Michelson contrast was calculated. Performing these calculations for thickness variations of the individual layers in the stack allows determining optimum layer thicknesses, e.g., maximum overall contrast or maximum contrast for a given wavelength. To demonstrate the validity of the methodology, two thin film stacks were investigated, which use p-type silicon as a substrate material and partially covered by a single-layer graphene as a top layer. For each stack, two samples with different layer thicknesses were fabricated and their experimentally determined reflectance was compared to the calculated values. The first system consists of a single SiO2 layer with a thickness of 147nm and 304nm, respectively, and the second is a double layer stack consisting of a Si3N4 layer with a thickness of 54 nm and 195 nm, respectively, on top of an 11 nm SiO2 film. The Michelson contrast of single-layer graphene flakes on the latter layer stacks becomes very high (absolute value of more than 0.3) in the visible wavelength range. Additionally, in the UV-B range a large difference in the reflection of selected SiO2 layer thicknesses on silicon substrates with and without single-layer graphene on top is found with a decrease in the measured reflectance of up to 33%. The measured and calculated values showed a high conformity suggesting this approach usable for the calculation of reflectance and transmittance properties of arbitrary layer stack systems including thin conductive layers.

[no abstract]

submitted by Lukas Spindlberger, BSc. Universität Linz, Masterarbeit, 2017

Silicon microwire array anodes exhibit four times higher gravimetrical capacity with high cycling stability. The high volume expansion of silicon of 400 % is problematic because they might induce high stresses in the silicon. This is the most common failure mechanism of standard silicon anodes. Typically, pulverization leads to material degradation and capacity fading. The aim of this thesis is to enhance the long-term cycling stability of these silicon microwire arrays. It revealed the intrinsic as well as extrinsic stabilization mechanisms of silicon leading to an efficiency increase and a time reduction of a typical charging process. Additionally, the complex interaction between this novel, freestanding array structure and the surrounding electrolyte was investigated. Another important aspect of this type of architecture is the partially integrated current collector allowing a high mechanical anode stability and reduction of the ohmic losses. Important battery parameter like size, geometry, temperature and state of charge needed to be evaluated throughout this thesis. A viscosity increase of the electrolyte leads to a very homogeneous, but flexible solid electrolyte interface around the individual wires. The interaction between this supporting layer and the silicon wires enables a constant pressure on the wires maintaining a high degree of crystallinity. The crystal structure is very important in this architecture because it facilitates high charging rates using the fastest growth direction of silicon. Consequently, it prevents the typical mechanical degradation at very high charging rates of 12 minutes. These fundamental properties and requirements are not at all limited to the silicon architecture of this thesis, but could be applied to any kind of anode system. They could be transferred especially to those anode concepts, which make use of the silicon anisotropy during electrochemical etching, in order to achieve a self-supporting electrode. Silizium-Mikrodraht-Array-Anoden weisen eine vierfach höhere gravimetrische Kapazität bei hoher Zyklenstabilität auf. Die hohe Volumenausdehnung von Silizium von 400 % ist problematisch, da sie hohe Spannungen im Silizium induzieren könnten. Dies ist der häufigste Ausfallmechanismus von Standard-Siliziumanoden. Typischerweise führt Pulverisierung zu Materialabbau und Kapazitätsverlust. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Zyklenstabilität dieser Silizium-Mikrodrähte zu verbessern. Es haben sich intrinsischen als auch extrinsischen Mechanismen ergeben, die das Silizium stabilisieren, was zu einer Effizienzsteigerung und einer Zeitersparnis eines typischen Ladeprozesses führte. Zusätzlich wurde die komplexe Wechselwirkung zwischen dieser neuartigen, freistehenden Arraystruktur und dem umgebenden Elektrolyten untersucht. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Art von Architektur ist der teilweise integrierte Stromkollektor, der eine hohe mechanische Anodenstabilität und eine Reduzierung der ohmschen Verluste ermöglicht. Ein Viskositätsanstieg des Elektrolyten führt zu einer sehr homogenen, aber flexiblen Festelektrolytgrenzfläche um die einzelnen Drähte herum. Die Wechselwirkung zwischen dieser Schicht und den Siliziumdrähten ermöglicht einen konstanten Druck auf die Drähte, sodass diese einen hohen Kristallinitätsgrad beibehalten. Die Kristallstruktur ist in dieser Architektur sehr wichtig, da sie hohe Ladungsraten unter Verwendung der schnellsten Wachstumsrichtung von Silizium ermöglicht. Folglich verhindert es den typischen mechanischen Abbau bei sehr hohen Ladungsraten von 12 Minuten.

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017; Aachen, 1 Online-Ressource (ii, 136 Seiten) : Illustrationen, Diagramme (2017). doi:10.18154/RWTH-2017-08193 = Dissertation, RWTH Aachen University, 2017, In the era of portable electronic devices energy efficient integrated circuits (ICs) are highly demanded where the power consumption needs to be minimized by the reduction of the supply voltage . Digital circuits based on the complementary metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs), however, owns a physical limit of the minimum inverse sub-threshold slope (SS) of 60 mV/dec at room temperature. As consequence, the reduction of either leads to low ON-current or increases the OFF-current exponentially which in turn results in high power loss during idle state. Tunnel field effect transistors (TFETs) are proposed as a novel device concept with the potential to replace MOSFETs in low power applications. In comparison, TFETs can offer steeper transition between the OFF and the ON-state (SS, Published by Aachen

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Hybridsolarzelle, in der der anorganische Halbleiter Silizium, das organische Polymer und das Kontaktsystem so aufeinander abgestimmt sind, dass ihre Kombination zu einem Bauelement mit hohem Wirkungsgrad führt. Um dieses Ziel zu erreichen wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen. Neue Polymermaterialien, abgeleitet von dem prototypischen organischen Halbleiter poly(3-hexylthiophen 2,5 diyl) (P3HT), namentlich poly(3-[3,6-dioxaheptyl]-thiophen) (P3DOT) und poly(3-[2,5,8-trioxanonyl]-thiophen) (P3TOT), wurden umfassend hinsichtlich ihrer Struktur untersucht. Poly thiophen/c-Si hybride Solarzellen, hergestellt aus diesen neuen Polymeren, erreichten Effizienzen bis zu 11 %. Die vollständigen Banddiagramme dieser Poly thiophen/c-Si Hybridgrenzflächen wurden mittels Photoelektronenspektroskopie aufgenommen. Außerdem wurde der Einfluss des Kontaktsystems auf die darunter liegenden Schichten mittels Oberflächenspannungsspektroskopie untersucht. Das Resultat dieser Messungen weißt eine Inversionslage unter der Siliziumoberfläche nach, die sich aufgrund des verwendeten semitransparenten Metallkontaktes formt. Dadurch lassen sich diese Bauteile als MIS Inversionsschicht Solarzelle kategorisieren. Um die Hybridsolarzellen weiter zu verbessern, wurde versucht den semitransparenten Metallkontakt durch Graphen zu ersetzen. Das Graphen wurde durch einen CVD-Prozess gewachsen und erreichte eine laterale Ausdehnung von bis zu 1 cm2. Der Übertrag auf die Solarzelle erfolgte mittels eines Wasser und Zerstörungsfreiem Transferprozess. Trotz dem erfolgreichen Aufbringen des Graphen limitierte ein geringer Füllfaktor aufgrund der geringen Ladungsträgerdichte im Graphen den Wirkungsgrad der Solarzelle. In einem letzten Schritt wurde das Polymer P3HT zum ersten Mal mit polykristallinen Siliziumabsorbern kombiniert. Die invertierte Zellstruktur, die hierbei zu Anwendung kam, erhöhte die Lebensdauer der Solarzelle erheblich. The scope of this thesis was the development of a hybrid solar cell based on silicon in which the inorganic semiconductor, the organic polymer and the contact system are combined in such a manner to result in a photovoltaic device with high power conversion efficiency. To reach this goal several measures were taken. New polymer materials derived from the prototypical organic semiconductor poly(3-hexylthiophene 2,5 diyl) (P3HT), namely poly(3-[3,6-dioxaheptyl]-thiophene) (P3DOT) and poly(3-[2,5,8-trioxanonyl]-thiophene) (P3TOT), were extensively characterized regarding its structural properties. Poly thiophene/c-Si hybrid solar cells fabricated from these new polymers exhibited power conversion efficiencies up to 11 %. The energy level alignment of these poly thiophene/c Si hybrid interfaces was studied using photoelectron spectroscopy. Furthermore, the influence of the contact system on the underlying wafer is investigated with surface photovoltage measurements. The measurements revealed the formation of an inversion layer beneath the silicon surface due to the semitransparent metal contact used in the devices. Therefore, these devices can be classified as MIS inversion layer solar cells. To further improve the hybrid poly thiophene/c-Si solar cells by substituting the semitransparent metal contact, graphene was implemented in the device design as a transparent front contact. The CVD grown graphene sheet had a lateral size of up to 1 cm2 and was applied onto the solar cell using a non-destructive and water-free transfer process. However, despite the successful transfer the power conversion efficiency was restricted by the low fill factor due to a low charge carrier density in the graphene. As a last step, hybrid solar cells in the combination P3HT/polycrystalline silicon absorbers on glass were fabricated for the first time. The inverted device structure used for these solar cells proved beneficial for the lifetime. These devices were stable for up to 3 months.

Genetische und nicht genetische Faktoren sind an der Ätiologie der Osteoporose beteiligt. Unter anderem wurden ernährungsbedingte Defizite untersucht und die Beseitigung als mögliche Therapieoption gehandelt. Wenig beachtet wurde in diesem Zusammenhang bisher das Spurenelement Silizium. In der Vergangenheit mehrte sich die Evidenz für die Effektivität von Silizium auf den Knochen und andere Gewebe. Die molekulare und biologische Rolle von Silizium im Knochenmetabolismus ist noch nicht genau geklärt. Studien konnten auch positive Effekte von Silizium auf die Knochendichte zeigen. Hypothetisch werden jedoch die Kollagensynthese oder die Matrixmineralisation als mögliche Mechanismen erachtet. Diese Arbeit soll einen Überblick über die Quellen und den möglichen Metabolismus von Silizium sowie den Effekt der Silizium- Supplementation auf den Knochen geben.

submitted by Magdalena Schatzl Universität Linz, Univ., Dissertation, 2016