This past year 2014 was the year when we finally completely arrived as a “full member” in the Helmholtz Association. This is related to the successfully passed research evaluation in the framework of the Program Oriented Funding (POF), which will give us a stable and predictable funding for the next five years (2015 – 2019). This is particularly true for our large-scale user facilities, like the Ion Beam Center (IBC) and the electron accelerator ELBE with the free-electron laser. Most of our activities are assigned to the program “From Matter to Materials and Life” within the research area “Matter”, in cooperation with several other German Helmholtz Centers. Our in-house research is performed in three so-called research themes, as depicted in the schematic below. What is missing there for simplicity is a small part of our activities in the program “Nuclear Waste Management and Safety” within the research area “Energy”. Our research and facilities were well appreciated by the evaluation committee, who made the following judgement about the Ion Beam Center: “The Ion Beam Centre (IBC) of HZDR is an internationally leading ion-beam facility (with ion energies ranging from several eV to several tens of MeV). At both the national and international level it is one of the key players and is unique in its kind. The synergy between forefront research and user service has been leading to a very good publication output for both in-house research and user research. … The very broad range of beam energies, the versatility of techniques and applications – both for ion beam modification of materials and for ion-beam analysis – makes the IBC unique in its kind. … The strength of IBC is that its activities are based on a combination of forefront research and user service, which mutually interact in synergy and strengthen one another. In turn, this synergy has been leading to a very good publication output for both in-house research and user research.” In order to make our Annual Report a bit more compact, we have decided to include only four full journal papers this year. This was also triggered by the fact that our publication activities have turned out be become more diverse, in more diverse journals than in the past, and often through longer papers, which would be too long to reprint them here. However, apart from the constantly quantitatively high publication output, we succeeded to publish in excellent journals such as Nature Physics, Nano Letters and Physical Review Letters, in fields as diverse as ion beam physics, magnetism and terahertz spectroscopy. Two of our scientists, Dr. Artur Erbe and Dr. Alexej Pashkin obtained their Habilitation in 2014, both at University of Konstanz. For the first time, we are hosting an Emmy Noether Young Investigator Group funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG); the group works on the hot topic of magnonics and is headed by Dr. Helmut Schultheiß. Finally we would like to cordially thank all partners, friends, and organizations who supported our progress in 2014. Special thanks are due to the Executive Board of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, the Minister of Science and Arts of the Free State of Saxony, and the Minister of Education and Research of the Federal Government of Germany. Numerous partners from universities, industry and research institutes all around the world contributed essentially, and play a crucial role for the further development of the institute. Last but not least, the directors would like to thank again all IIM staff for their efforts and excellent contributions in 2014.

Les batteries, et en particulier les batteries lithium-ion (Li-ion), sont devenues des vecteurs de stockage de l'énergie particulièrement adaptés à l'avènement des très nombreuses applications portables (téléphones ou ordinateurs). Dans le but d'améliorer et de rendre plus sûrs ces vecteurs, il est impératif de pouvoir comprendre et caractériser de la manière la plus précise les matériaux les constituant et les interfaces les séparant. Pour cela, l'utilisation d'outils puissants et adaptés est essentielle, notamment depuis l'apparition de matériaux ayant une architecture à l'échelle nanométrique. Ainsi, l'utilisation de la Microscopie Electronique en Transmission (MET) est particulièrement prometteuse, pour sa capacité à analyser les propriétés morphologiques, structurales ou chimiques à cette échelle. Fort de ce constat, nous avons tenté de réaliser la première observation in situ dans un MET d'une batterie en cours de cyclage électrochimique. La première partie de ce manuscrit est dédiée à la présentation de la stratégie utilisée. En effet, les nombreuses difficultés liées à la fois à l'environnement du MET et à la nature même d'une batterie, nous ont forcé à faire des choix basés sur l'analyse de l'état de l'art, principalement en termes de matériaux, de technologies et d'équipements expérimentaux. Ainsi, ce projet est basé sur l'étude d'une microbatterie Li-ion tout solide. Le deuxième chapitre est lui consacré au procédé de fabrication par ablation laser de ces microbatteries tout solide, avec notamment la synthèse et la caractérisation de chacun des matériaux actifs constitutifs. La troisième partie décrit les solutions envisagées pour lever certaines des incertitudes qui avaient été identifiées. Nous avons ainsi réussi la première observation ex situ par MET d'une "nanobatteries" obtenue par découpe d'une microbatterie à l'aide d'un faisceau d'ions focalisés (FIB) dans un MEB à double faisceaux. Les analyses par MET entre des coupes de batteries après dépôt et ayant subi un cyclage électrochimique ont permis de mettre en évidence, pour la première fois, de nombreux dommages ou des mécanismes de détérioration des interfaces. Les premiers essais, et notamment la configuration utilisée, n'ayant pas permis de réaliser les premiers tests de cyclage in situ dans un MET, plusieurs modifications ont dû être opérées, qui sont présentées dans le dernier chapitre. Ce nouveau design a permis d'expérimenter un cyclage in situ sur des "nanobatteries" et de mettre en lumière les derniers challenges à relever.

Die Strahlentherapie ist einer der drei Partner im interdisziplinären Feld der Onkologie. In Europa, Asien und den USA besteht zunehmend die Möglichkeit einer Therapie mit Strahlen aus geladenen Ionen anstelle von Photonen. Eine Anlage in Dresden befindet sich in der Kommissionierungsphase. Die Ionenstrahltherapie bietet den Vorteil einer sehr konformalen Behandlung des Tumorvolumens durch die endliche Reichweite der Strahlen und ein ausgeprägtes Dosismaximum kurz vor dem Ende des Strahlpfades. Da eine Therapie in der Regel über bis zu 30 Sitzungen an verschiedenen Tagen durchgeführt wird und der Strahlweg stark von dem durchdrungenen Gewebe beeinflusst wird, sind Verfahren für eine in vivo Verifikation der Strahlapplikation wünschenswert. Eine dieser Methoden ist die Partikeltherapie–Positronen-Emissions-Tomografie (PT-PET). Sie beruht auf der Messung der vom Therapiestrahl erzeugten β+-Aktivitätsverteilung. Da eine direkte Berechnung der Dosis aus der Aktivität in lebendem Gewebe nicht möglich ist, wird die gemessene Aktivitätsverteilung mit einer berechneten Vorhersage verglichen und anschließend entschieden, ob die nächste Therapiesitzung wie geplant erfolgen kann oder Anpassungen notwendig sind. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit drei Themen aus dem Bereich der Datenverarbeitung für die PT-PET. Im ersten Teil wird ein Algorithmus zur Bestimmung von Reichweitendifferenzen aus zwei β+- Aktivitätsverteilungen adaptiert und evaluiert. Dies geschieht zunächst anhand einer Simulationsstudie mit realen Patientendaten. Ein Ansatz für eine automatisierte Analyse der Daten lieferte keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Daher wird ein Software-Prototyp für eine semiautomatische, assistierte Datenanalyse entwickelt. Die Evaluierung erfolgt durch Experimente mit Phantomen am 12C-Strahl. Die erzeugte Aktivitätsverteilung wird von physiologischen Prozessen im Organismus beeinflusst. Dies führt zu einer Entfernung von Emittern vom Ort ihrer Erzeugung und damit zu einer Verringerung der diagnostischen Wertigkeit der erfassten Verteilung. Zur Quantifizierung dieses als Washout bezeichneten Effektes existiert ein am Tierexperiment gewonnenes Modell. Dieses Modell wird im zweiten Teil der Arbeit auf reale Patientendaten angewendet. Es konnte gezeigt werden, dass das Modell grundsätzlich anwendbar ist und für die betrachtete Tumorlokalisation Schädelbasis ein Washout mit einer Halbwertszeit von (155,7±4,6) s existiert. Die Berechnung der Vorhersage der β+-Aktivitätsverteilung kann durch übliche Monte-Carlo-Verfahren erfolgen. Dabei werden die Wechselwirkungsquerschnitte zahlreicher Reaktionskanäle benötigt. Als alternatives Verfahren wurde die Verwendung gemessener Ausbeuten (Yields) radioaktiver Nuklide in verschiedenen Referenzmaterialien vorgeschlagen. Auf Basis einer vorhandenen Datenbank dieser Yields und einer existierenden Condensed-History-Monte-Carlo-Simulation wird ein Programm zur Berechnung von Aktivitätsverteilungen auf Yieldbasis entwickelt. Mit der Methode kann die β+-Aktivitätsverteilung in Phantomen und Patienten zufriedenstellend vorhergesagt werden. Die entwickelten Verfahren sollen einen Einsatz der PT-PET im klinischen Umfeld erleichtern und damit einen breiten Einsatz ermöglichen, um das volle Potential der Ionenstrahltherapie nutzbar zu machen.

Nano-objects have unique properties due to their sizes, shapes and structure. When electronic properties of such nano-objects are used to build devices, the control of interfaces at atomic level is required. In this thesis, systems were built that can not only electrically characterize nano-objects, but also allow to analyze a large number of individual nano-objects statistically at the example of graphene and nanoparticle-molecule-nanoelectrode junctions. An in-situ electrical characterization system was developed for the analysis of free standing graphene sheets containing defects created by an acid treatment. The electrical characterization of several hundred sheets revealed that the resistance in acid treated graphene sheets decreased by 50 times as compared to pristine graphene and is explained by the presence of di-vacancy defects. However, the mechanism of defect insertion into graphene is different when graphene is bombarded with a focused ion beam and in this case, the resistance of graphene increases upon defect insertion. The defect insertion becomes even stronger at liquid N2 temperature. A molecular electronics platform with excellent junction properties was fabricated where nanoparticle-molecule chains bridge 15-30nm nanoelectrodes. This approach enabled a systematic evaluation of junctions that were assembled by functionalizing electrode surfaces with alkanethiols and biphenyldithiol. The variations in the molecular device resistance were several orders of magnitude and explained by variations in attachment geometries of molecules.  The spread of resistance values of different devices was drastically reduced by using a new functionalization technique that relies on coating of gold nanoparticles with trityl protected alkanedithiols, where the trityl group was removed after trapping of nanoparticles in the electrode gap. This establishment of a reproducible molecular electronics platform enabled the observation of vibrations of a few molecules by inelastic tunneling spectroscopy. Thus this system can be used extensively to characterize molecules as well as build devices based on molecules and nanoparticles.

The understanding of multiphase flow properties is essential for the exploitation of hydrocarbon reserves in a reservoir; these properties in turn are dependent on the geometric properties and connectivity of the pore space. The determination of the pore size distribution in carbonate reservoirs remains challenging; carbonates exhibit complex pore structures comprising length scales from nanometers to several centimeters. A major challenge to the accurate evaluation of these reservoirs is accounting for pore scale heterogeneity on multiple scales. This is the topic of this thesis. Conventionally, this micron scale information is achieved either by building stochastic models using 2D images or by combining log and laboratory data to classify pore types and their behaviour. None of these capture the true 3D connectivity vital for flow characterisation. We present here an approach to build realistic 3D network models across a range of scales to improve property estimation through employment of X-ray micro-Computed Tomography (μCT) and Focussed Ion Beam Tomography (FIBT). The submicron, or microporous, regions are delineated through a differential imaging technique undertaken on x-ray CT providing a qualitative description of microporosity. Various 3-Phase segmentation methods are then applied for quantitative characterisation of those regions utilising the attenuation coefficient values from the 3D tomographic images. X-ray micro-CT is resolution limited and can not resolve the detailed geometrical features of the submicron pores. FIB tomography is used to image the 3D pore structure of submicron pores down to a scale of tens of nanometers. We describe the experimental development and subsequent image processing including issues and difficulties resolved at various stages. The developed methodology is implemented on cores from producing wackstone and grainstone reservoirs. Pore network models are generated to characterise the 3D interconnectivity of pores. We perform the simulations of petrophysical properties (permeability and formation resistivity) directly on the submicron scale image data. Simulated drainage capillary pressure curves are matched with the experimental data. We also present some preliminary results for the integration of multiscale pore information to build dual-scale network models. The integration of multiscale data allows one to select appropriate effective medium theories to incorporate sub-micron structure into property calculations at macro scale giving a more realistic estimation of properties.

L'hadronthérapie est une technique innovante de radiothérapie par ions carbone ou protons visant à améliorer les traitements actuels. La précision balistique accrue renforce la nécessité d'un contrôle du dépôt de dose, si possible en temps réel. Une manière de réaliser ce contrôle est de détecter avec une caméra Compton le gamma prompt émis lors des fragmentations nucléaires pendant l'irradiation du patient. Dans un premier temps, la géométrie de deux types de caméra Compton (double diffusion puis simple diffusion) a été optimisée par simulation Monte Carlo. Cette optimisation a été réalisée en étudiant la réponse des caméras à une source ponctuelle de photons avec un spectre en énergie réaliste. La réponse de la caméra optimisée à l'irradiation d'un fantôme d'eau par un faisceau d'ions carbone ou de protons a ensuite été simulée. Ces simulations ont tout d'abord été confrontées à des mesures effectuées avec un prototype de taille réduite. Ces mesures ont ensuite été utilisées pour évaluer les taux de comptage dans les détecteurs attendus en conditions cliniques. Dans la configuration actuelle de la caméra, ces taux sont élevés et les phénomènes d'empilement risquent d'être problématiques. Enfin, il est démontré que le dispositif étudié est sensible à un déplacement du pic de Bragg de plus ou moins 5 mm malgré les problèmes de coïncidences fortuites et malgré le bruit introduit par l'algorithme de reconstruction utilisé. / Ion beam therapy is an innovative radiotherapy technique using mainly carbon ion and proton irradiations. Its aim is to improve the current treatment modalities. Because of the sharpness of the dose distributions, a control of the dose if possible in real time is highly desirable. A possibility is to detect the prompt gamma rays emitted subsequently to the nuclear fragmentations occurring during the treatment of the patient. In a first time two different Compton cameras (double and single scattering) have been optimised by means of Monte Carlo simulations. The response of the camera to a photon point source with a realistic energy spectrum was studied. Then, the response of the camera to the irradiation of a water phantom by a proton beam was simulated. It was first compared with measurement performed with small-size detectors. Then, using the previous measurements, we evaluated the counting rates expected in clinical conditions. In the current set-up of the camera, these counting rates are pretty high. Pile up and random coincidences will be problematic. Finally we demonstrate that the detection system is capable to detect a longitudinal shift in the Bragg peak of +or- 5 mm, even with the current reconstruction algorithm.

The objective of this research was to develop a novel technique for mechanical treatment to manipulate the microstructure of Nickel-Manganese-Gallium Hesuler alloys to increase anisotropy, which can lead to higher magnetocaloric properties. Ni2+xMn1-xGa intermetallics have the potential to be employed in magnetic refrigeration devices including residential refrigerators, heat pumps, and air conditioning. Solid-state magnetic refrigeration systems are smaller, quieter, and reduce energy consumption by 20% compared to existing conventional vapor-cycle refrigeration devices which rely on harmful hydro-fluorocarbon gases and pump millions of tons of greenhouse gases into the atmosphere. The magnetic refrigeration market is predicted to reach US$ 315.7 Million by 2022. Magnetic refrigeration systems can also be used in electronic systems and the space industry. The current state-of-the-art magnetic refrigeration systems use expensive rare earth elements including Gadolinuim (Gd). The need to replace Gd and other rare earth elements with cheaper and more available elements led to other alloys including Ni-Mn-Ga. By understanding the processing-microstructure-property relationship of Ni-Mn-Ga alloy, it is possible to manipulate the microstructure in order to obtain higher refrigeration capacity. It is a promising alternative to rare earth elements and improves national security by minimizing foreign dependence on the import of rare earth metals. This novel in situ study establishes that twin boundaries can be manipulated in a polycrystalline Ni-Mn-Ga alloy. This results in a change in magnetocrsytalline anisotropy, which leads to a higher magnetic cooling power. Mechanical loading in a preferred direction, traditionally referred to as a training process, was able to move the twin boundaries, and the combination of focused ion beam imaging linked specific movement with mechanical loading. This technique, in situ monitoring process, can be utilized to devise training procedures for future iterations of magnetocaloric and shape memory alloys.

The theme of this diploma thesis is the design of a scanning electron microscope with a focused ion beam. Specifically, the thesis is focused on the design of the microscope covers and the adjacent workplace of the operator for Tescan Orsay Holding a.s.. Design is solved as the first proposal aimed at future innovation of the design of the entire product line.

This diploma thesis deals with the preparation of epitaxially grown metastable paramagnetic Fe films alloyed by Ni on Cu/Si(100) substrates at RT. Molecular beam epitaxy of Cu(100) buffer layer was performed on H-Si(100) native SiO2 free samples treated by etching in HF or thermal treatment. The epitaxially grown Cu layers with thickness ranging from 50 up to 130 nm serves as suitable substrate for the deposition of 44-ML-thick paramagnetic Fe78Ni22. The film growth was taking place in CO atmosphere and as well as Ni it led to paramagnetic film stabilization. The structural and magnetic ion-beam-induced transformation of desired Fe-Ni structure was performed and propeties of irradiated films were characterized afterwards by MOKE. Then some specific patterns on Si(100) by e-beam litography were fabricated and they served as suitable matrix for Cu(100) buffer layer and paramagnetic Fe. Prepared Si(100), globally and locally deposited metal films were examined by LEED, XPS, AFM, AES, SEM a STM. The recorded results showed the possibility of paramagnetic films preparation on H-Si(100) where it was possible to make ferromagnetic patterns on paramagnetic background by irradiation of specific ion dose.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die erstmalige, umfassende und systematische Untersuchung aller Teilprozesse bei der ionenstrahlgestützten Schichtabscheidung (IBSD). Silber (Metall) und Germanium (Halbleiter) wurden als Beispielsysteme ausgewählt, da auf Grund der unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Materialien prinzipielle Unterschiede in der Zerstäubung und Schichtabscheidung zu erwarten sind. Zur Bearbeitung der wissenschaftlichen Fragestellung erfolgte eine Charakterisierung der Primärteilchen sowie der zerstäubten und gestreuten Teilchen bezüglich ihrer Energie und Winkelverteilung sowie eine Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten bezüglich ihrer Schichtdicke, Komposition, Struktur, Oberflächentopographie, elektrischen und optischen Eigenschaften unter Variation der Art (Argon und Xenon), der Energie (0.5 keV–1.5 keV) und des Einfallswinkels der Primärteilchen relativ zur Targetnormalen (0°–60°) sowie des betrachteten polaren Emissionswinkels (-40°–90°). Die dargestellten Ergebnisse demonstrieren den systematischen Einfluss der primären Prozessparameter (Ionenart, Energie, Einfallswinkel und Emissionswinkel) auf die Eigenschaften der zerstäubten und gestreuten Teilchen und auf die Eigenschaften der erzeugten Silber- und Germaniumschichten, wobei die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten mit den Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen korrelieren. Bei der IBSD von Silber führt der Einfluss der hochenergetischen zerstäubten und gestreuten Teilchen auf die Schichten zu kleineren mittleren Korngrößen und damit zu höheren spezifischen Widerständen und Variationen in den optischen Eigenschaften. Die Untersuchungen zur IBSD von Germanium zeigen, dass der Einbau von Prozessgas in die abgeschiedenen Schichten mit der Anzahl der gestreuten Primärionen, deren Energie hoch genug für eine Implantation in die Schicht ist, korreliert werden kann.