Wasser verhält sich aus physikalischer Sicht beim Kristallisationsprozess im Vergleich zu anderen molekularen Systemen anomal. So ist aus den Erfahrungen des täglichen Lebens bekannt, dass Wasser sich beim Gefrieren ausdehnt, sodass das entstehende Eis aufgrund seiner angenommenen Festkörperstruktur eine geringere Dichte aufweist und auf der festen Phase aufschwimmt. Das wachsende Volumen des Festkörpers sowie die Ausbildung scharfer Eiskristallnadeln führen immer dann zu Komplikationen, wenn der Expansionsprozess durch feste Begrenzungen limitiert ist. Dies ist z. B. in zellulären Strukturen sowie deren Untereinheiten der Fall. Aus diesem Grund sind für die Untersuchung kryogener biologischer Proben sowohl die Gefriertechnik als auch die angewendete Präparationstechnik von essentieller Bedeutung. Diese stellen bereits seit den 1950er Jahren im Bereich der Kryo-Elektronenmikroskopie eine vielgenutzte Methode dar. Um diese Techniken auch für die, nur im Ultrahochvakuum verwendete, Nicht-Kontakt-Rasterkraftmikroskopie nutzbar machen zu können, muss zunächst eine experimentelle Grundlage geschaffen werden, welche die Implementierung verschiedener Präparationstechniken kryogener Proben in ein Ultrahochvakuum-System erlaubt. Die Arbeit beschreibt neben den gebräuchlichsten Gefrier- und Kryo-Präparationstechniken den detaillierten Aufbau einer entsprechenden Anlage. Um deren Funktionalität zu zeigen, wird die Gefrierätztechnik eingesetzt. Primäre, einfache Untersuchungsobjekte hierfür bilden Eisfilme, die auf ein Goldsubsubstrat aufgebracht werden. Für das Freiätzen von unter der Eisschicht befindlichen biologischen Strukturen ist es von zentraler Bedeutung, die Ätzparameter soweit abschätzen zu können, dass die Struktur für das rasterkraftmikroskopische Messverfahren zugänglich ist. Hierzu vermittelt die Arbeit ebenfalls erste Einblicke. Als einfaches biologisches System für grundlegende Experimente dienen auf diesem Gebiet bakterielle Hüllproteine (S-Schichten), deren Proteinmonomere auf Substratoberflächen außerhalb ihrer zellulären Umgebung durch Selbstorganisation gitterartige Strukturen ausbilden.

Germanium-on-Insulator (GeOI) substrates combine the potential of the Silicon-on-Insulator (SOI) technology with the superior properties of Ge over Si in terms of a) charge carrier mobilities (relevant for CMOS), b) optical bandgap and absorption coefficient (of impact for infra-red photodetectors and high-bandwidth optical interconnects), and c) lattice and thermal match with GaAs (of interest for integration of III-V based optoelectronics and photovoltaics on the mainstream Si platform). Several techniques are under study for the achievement of GeOI structures, such as layer transfer, Ge condensation, and Ge epitaxial overgrowth of Si via crystalline oxide templates. Following the GeOI heteroepitaxial approach, Ge was deposited by molecular beam epitaxy (MBE) on PrO2(111) / Si(111) support systems, and the initial growth stages were studied by means of in-situ reflection high energy electron diffraction (RHEED), and x-ray and ultra-violet photoelectron spectroscopy (XPS and UPS, respectively). It was shown that in the first evaporation stages an amorphous GeO2-like layer forms as a result of the Ge adatom interaction with the PrO2 substrate, namely the diffusion of lattice oxygen from the dielectric into the growing semiconductor deposit. In consequence the PrO2(111) buffer oxide is fully reduced to an oxygen-deficient cub (cubic) Pr2O3(111) film structure. Since no oxidizing species are available in the process anymore, the Ge oxide layer converts under continuous Ge evaporation to GeO, which is volatile at the deposition temperature (~550°C). The sublimation of GeO uncovers the cub-Pr2O3(111) surface, which finally provides a thermodynamically stable template for the heteroepitaxial growth of elemental Ge. A Volmer-Weber growth mode is initially observed, which, by properly tuning the deposition parameters, results after island coalescence in the formation of a closed and flat Ge / cub-Pr2O3 / Si heterostructure. Ge epilayer thickness (in the range 20-1000 nm) and morphology were studied ex-situ by means of x-ray reflectivity (XRR) and secondary electron microscopy (SEM). Dynamic secondary ion mass spectroscopy (D-SIMS) was employed to study the chemical compositions of the Ge films, which turned out to be free from Si and Pr impurities at the sensitivity of some parts-per-billion (ppbs), even after supplying a high thermal budget. This is an important achievement, because in most applications (i.e., optoelectronics), there is the demand for ultra-pure Ge epilayers. Then, laboratory- and synchrotron-based x-ray diffraction (XRD) analyses were performed to assess the epitaxial relationship and the defect structure of the Ge epifilms. It was demonstrated that the Ge layers grow single crystalline with (111) orientation and an exclusive type-A stacking configuration on the type-B cub-Pr2O3(111) / Si(111) support system. Furthermore, the Ge epifilms are fully relaxed in the thickness range 20-1000 nm. Finally, XRD techniques combined with transmission electron microscopy (TEM) permitted the identification and the quantification of three main types of defects at work during the growth of the Ge epi-layers, namely rotation twins, stacking faults and microtwins across {11-1} net-planes. These structural flaws were studied as a function of Ge film thickness and after annealing at 825°C for 30 min in ultrahigh vacuum. It turned out that rotation twins constitute less than 1% of the Ge matrix, are located at the Ge(111) / cub-Pr2O3(111) interface and their amount can be lowered by the thermal treatment. Microtwins across {11-1} were detected only in closed Ge films, after Ge island coalescence. The fraction of Ge film volume affected by microtwinning is constant within the thickness range 20–260 nm. Beyond 260 nm, the density of microtwins is clearly reduced, resulting in thick layers with a top part of higher crystalline quality. Microtwins were found to be insensitive to the post-deposition annealing (PDA). Instead, the density of stacking faults across {11-1} planes decreased after the thermal treatment. In conclusion, the defect density was proved to diminish with increasing Ge thickness and after annealing. A defect density of 10^8-10^9 per cm^2 was estimated in case of a ~ 1000 nm-thick Ge film after PDA.

Heute werden Polymere für zahlreiche Anwendungen eingesetzt. Oftmals ist das Verkleben, Bedrucken, Beschichten oder Benetzen von Polymeren aber problematisch, da sie eine niedrige Oberflächenenergie aufweisen. Eine Plasmabehandlung der Polymeroberfläche kann die Oberflächenenergie stark erhöhen und die genannten Verarbeitungsverfahren ermöglichen. Bei einer solchen Plasmabehandlung reagieren die Ionen und Radikale des Plasmas mit der Polymeroberfläche und erzeugen dort funktionale Gruppen, welche die Oberflächeneigenschaften des Polymers bestimmen.In dieser Arbeit sollen die Oberflächeneigenschaften ausgewählter Polymere mittels Plasmabehandlung dahingehend modifiziert werden, dass ihre Oberflächenenergien von sehr hoch" nach sehr gering" schaltbar sind. So kann eine Oberfläche zunächst von Wasser stark benetzend sein, also hydrophil und dann durch kurze Plasmabehandlung total unbenetzend, also hydrophob sein. Diese Plasmaaktivierungen sollen möglichst schnell, mechanisch stabil und reversibel sein.Um die Reaktionen im Plasma besser auflösen zu können, wird das komplexe HNBR (Hydriertes Nitril Butadien Gummi) zunächst in einfache Modellsysteme wie Polyethylen, Polybutadien und Polyacrylnitril zerlegt.

The central aim of this thesis is to give further insights into the structural properties of the calcite(104) surface and especially to unravel its surface reconstruction by clarifying the contradicting reports of the (2 × 1) and row-pairing reconstruction. Within this thesis, the pristine as well as the CO and H2O-covered calcite(104) surface is investigated for the first time with non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) operated at 5 K. CO terminated tips are used in the measurements to benefit from the improved contrast capabilities and detailed understanding of contrast formation with these tips.

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In this thesis the morphology and the atomic structure of quasi-one-dimensional structures grown on Si were determined by means of diffraction experiments in combination with kinematic diffraction theory calculations. In the first and the second study a formerly unknown superstructure of Dy/Tb on Si(111) was characterized by means of STM, DFT, SPA-LEED experiments and kinematic diffraction calculations. Here, a structure model could be proposed which contains half as many subsurface Si vacancies as compared to the well-known superstructure of Dy/Tb on Si(111) it was derived from. Due to the decreased number of subsurface Si vacancies the reconstruction is subject to an uni-axial strain which is mitigated by the formation of domains separated by anti-phase domain boundaries. It could be shown that two different types of domains alternate across the surface forming quasi-one-dimensional domains. Additionally, the distribution of the domains could be derived by comparison with kinematic diffraction calculations. In the third study a deeper insight into the complex system of bundled rare-earth silicide nanowires on Si(001) was given. Here, the distributions of the NW width, the bundle width and the bundle distance were deduced from the diffraction patterns collected by SPA-LEED and the subsequent comparison to kinematic diffraction theory calculations. Additionally, it was shown that the (2 x 1) reconstruction sometimes observed on top of the NWs by STM cannot exist over larger parts of the sample and instead a (1 x 1) reconstruction needs to be assumed to explain the experimentally observed diffraction data. In the fourth study the atomic structure of the gold induced atomic wires of the Si(111)-(5 x 2)-Au system was analyzed. The Patterson function of the in-plane SXRD data was compared to the Patterson functions derived from the atomic structure models proposed in literature (AN, EBH, KK) ruling out the AN-model. By comparison of the experimental out-of-plane SXRD data to the corresponding (calculated) SXRD data for the EBH- and the KK-model the KK-model could be identified as the most probable model. Additionally, a refined atomic structure model was derived for the KK-model. In conclusion, the results presented in this thesis clearly display the power of diffraction experiments especially in conjunction with the comparison to kinematic diffraction theory calculations and prove that they are applicable even to low dimensional (e.g., quasi-one-dimensional) structures. Furthermore, it was shown that diffraction experiments can deliver complementary information (e.g., information on deeper atomic layers) as compared to local probing methods (e.g. STM or Atomic Force Microscopy) and especially the combination of local probing methods, DFT calculations and diffraction experiments allows for the explanation of even very complicated material systems.

Aufgrund des weltweiten Trends zur Miniaturisierung, u. a. von elektronischen Bauteilen, von Sensoren, von Speichermedien, oder bei der gezielten Funktionalisierung von Nanopartikeln als Kontrastmittel in bildgebenden medizinischen Verfahren, nimmt die Erforschung von Nanosystemen eine interdisziplinäre Schlüsselrolle ein. Ein grundlegendes physikalisches, chemisches und biologisches Verständnis von Nanosystemen auf Grundlage von experimentellen und theoretischen Untersuchungen steht dabei ebenso im Fokus wie die konzeptionelle Entwicklung geeigneter Nanotechnologien zur kontrollierten Herstellung von Nanostrukturen über „bottom-up“ und „top-down“ Strategien. Getriebene Nanosysteme befinden sich fern vom thermischen Gleichgewicht. Zur ihrer Beschreibung gibt es bisher keine allgemein ausgearbeitete Theorie. Dies hat zur Konsequenz, dass getriebene Nanosysteme problemspezifisch modelliert und untersucht werden müssen. Die vorliegende Schrift ist in drei Themengebiete unterteilt: (i) konzeptionelle Beschreibung stochastischer Fluktuationen der Arbeit und der Wärme im Rahmen der stochastischen Thermodynamik, (ii) konzeptionelle Beschreibung von Vielteilchen-Transportproblemen mit repulsiven Nächste-Nachbarwechselwirkungen auf Grundlage der klassischen zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie und (iii) selbstorganisiertes Wachstum von metallischen und organischen Nanostrukturen.

In this work the structural transitions of the rare earth oxides praseodymia and ceria grown on Si(111) are investigated. It is demonstrated that several of the rare earth intermediate phases can be stabilizied by post deposition annealing in ultra high vacuum. However, in most cases no single phased but coexisting species are observed. In addition, the surface structure and morphology of hex-Pr2O3(0001) as well as reduced ceria films are investigated.

Das epitaktische Wachstum von III-V Verbundhalbleitern aber auch von Germaniumpufferschichten auf Germaniumsubstraten bildet bspw. das Fundament zur Herstellung von Triple bzw. Multi Junction Solarzellen. Dies erfolgt mittels etablierter Verfahren, wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). Die Germaniumsubstrate liegen üblicherweise in Form von Wafern einer Dicke von mehr als 150 µm vor. Um die Solarzellen bspw. entsprechend ihrer Anwendungsgebiete im Weltraum oder der Mikroelektronik zu optimieren, bedarf es einer signifikanten Schichtdickenreduzierung. Standardprozesse, die dies gewährleisten beinhalten chemische, wie auch mechanische Arbeitsschritte, die sich überaus nachteilig auf eine Wiederverwendung der abgetragenen Germaniumschicht auswirken. Eine Möglichkeit das Germaniumsubstrat auf eine Zieldicke von einigen Mikrometern zu minimieren, sowie die Verwendung des restlichen Germaniumsubstrats zu gewährleisten basiert auf der Herstellung eines porösen Germaniumschichtstapels, sowie einem anschließenden Hochtemperaturprozess. Dieses Verfahren wird als Layer Transfer Prozesses (LTP) bzw. Lift-off bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird die bipolare elektrochemische Porosifikation p-dotierter Germaniumsubstrate in wässriger Flusssäure, sowie das Tempern mesoporöser Schichtstapel unter Wasserstoffatmosphäre untersucht. Dabei sollte allgemein ein tieferes Verständnis des Ätzvorgangs, sowie der resultierenden porösen Schichten in Abhängigkeit der Ätzparameter erfolgen. Diesbezüglich wurden zunächst Ätzexperimente unter Verwendung konstanter Parameter, sogenannte einstufige Ätzexperimente, durchgeführt. Die Ätzstrome lagen für alle Experimente bei (0.25 – 7) mA/cm2 unter Verwendung der Pulsdauern von (0.25 – 2) s und Gesamtprozessdauern von bis zu 230 Minuten. Es hat sich gezeigt, dass unter Verwendung konstanter Parameter die Herstellung eines porösen Schichtstapels im Sinne eines Lift-off Prozesses ausgeschlossen ist. Focussed Ion Beam Milling Experimente an ausgewählten porösen Schichten, basierend auf einstufigen Ätzexperimenten, konnten allerdings die Porositätsverläufe in Abhängigkeiten der porösen Schichtdicke offenbaren. Auf diese Weise konnten die verästelten (Pinetree & Fishbone), sowie schwammartigen (Sponge) porösen Strukturen aufgrund von Porositätswerten zwischen 0% - 50% als potenzielle Epitaxievorlagen nach dem Tempern identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Bedingung zur Durchführung erfolgreicher Focussed Ion Beam Milling Experimente in besonderem Maße von der Probendicke, sowie der Beschleunigungsspannung der Galliumkationen abhängt. Auf diese Weise generierte „Stapel“ an REM-Bildern wurden anschließend zur 3D-Rekonstruktion der verästelten Struktur herangezogen. Des Weiteren konnte mit Hilfe der Polystyrol-Infiltration ausgewählter poröser Schichten, deren anschließender Kalteinbettung in Kunststoff, einem Schleifvorgang, sowie anschließender Auflösung des Kunstoffs in Toluol, eine weitere Charakterisierungsmethode etabliert werden. Diese erlaubt es Einflüsse auf die poröse Schicht, bspw. Brechartefakte oder unebene Bruchstellen, zu vernachlässigen. Der Vorteil dieser Methode liegt in der überaus kürzeren Auswertung der Messdaten zur Bestimmung der Porositätsverläufe in Abhängigkeit der porösen Schichtdicke im Vergleich zum Focussed Ion Beam Milling. Weiterhin wurden basierend auf den Erkenntnissen der einstufigen Ätzexperimente zwei- und mehrstufige Ätzexperimente durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die poröse Schichtform und Porosität nach dem ersten Ätzprozess ausschlaggebend für das Resultat nach dem bzw. den Anschlussprozess(en) ist. So tendieren hochporöse schwammartige Strukturen zu einer Steigerung der Porosität, sowie einer Transformation zu einer dendritischen Form. Überwiegt zusätzlich die Ätzpulsdauer die Passivierpulsdauer kommt es beinahe bei jeglicher porösen Ausgangsschicht zu einer Ablösung der porösen Gesamtschicht nach dem Anschlussprozess. Eine Transformation der Ausgangsschicht erfolgte nicht für das Vorliegen einer niederporösen verästelten Struktur, sowie einer kürzeren Ätzpulsdauer als der Passivierpulsdauer für alle anschließenden Ätzprozesse. Zusätzlich konnte die Verwendung eines Passivierprozesses dazu beitragen, poröse Schichten sukzessive herzustellen ohne eine signifikante Veränderung der bereits vorliegenden Schichten herbeizuführen. In diesem Sinne gelang eine gezielte Steigerung der Porosität im Sinne des Lift-off Prozesses. Die Wirkungsweise der Anschlussprozesse konnte auf das Vorliegen verschieden ausgedehnter und an Ladungsträger verarmter Zonen währen des Ätz- bzw. Passivierpulses in Kombination mit der Hydroxid-Passivierung der Germaniumoberflächenatome zurückgeführt werden. Sodann erfolgte das Tempern von drei verschiedenen porösen Schichtstapeln bestehend aus verästelten und schwammartigen Strukturen bei Temperaturen von 700 °C & 800 °C für 30 Minuten unter Wasserstoffatmosphäre. Es hat sich gezeigt, dass niederporöse verästelte Strukturen als Diffusionsbarriere wirken und zugleich beim Vorhanden hochporöser schwammartiger Strukturen eine Diffusion lateral zur Waferoberfläche begünstigen kann. Rasterkraftmikroskopuntersuchungen konnten weiterhin bestätigen, dass die quadratische Rauigkeit der Oberfläche bei einer Annealingtemperatur von 800 °C und insbesondere beim Vorliegen niederporöser verästelter Strukturen in unmittelbarer Nähe der Waferoberfläche sinkt. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit ein umfassendes Verständnis für die Herstellung verschiedener poröser Germaniumschichten. Im Zusammenhang mit den durchgeführten Annealingexperimenten können diese gezielt zur Herstellung eines Schichtstapels im Sinne des Lift-off Prozesses verwendet werden. Erste Epitaxieexperimente von InGaAs und InGaP zeigten anhand der ermittelten Threading Dislocation Densities (TDD) bereits einen vielversprechenden Trend auf.

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