This thesis focuses on the surface patterning by using nanoporous block copolymer (BCP) stamps. Polystyrene‐block‐poly(2‐vinylpyridine) (PS‐b‐P2VP) was used as model BCP. Nanoporous BCP stamps were fabricated by replication of lithographically patterned silicon molds. Nanopores inside of BCP stamps were generated by swelling‐induced pore formation. A method for scanner-based capillary stamping (SCS) with spongy nanoporous BCP stamps was developed. First, in the course of stamps design using replication molding of PS-b-P2VP against surface-modified macroporous silicon molds, PS-b-P2VP fiber rings remaining on the macroporous silicon molds were obtained that allow immobilization of water drops on the hydrophobically modified surfaces of the macroporous silicon molds. Water drops immobilized by these rings can be prevented from dewetting within the PS‐b‐P2VP fiber rings. Second, after spongy nanoporous PS-b-P2VP stamps had been obtained, preliminary experiments with non-inked PS-b-P2VP stamps revealed that parts of the stamps’ contact elements can be lithographically transferred onto counterpart surfaces. As a result, arrays of nanostructured submicron PS‐b‐P2VP dots with heights of ∼100 nm onto silicon wafers and glass slides were produced. Lastly, the SCS technique was developed, which overcomes the limitation of time-consuming re-inking procedures associated with classical soft lithography including microcontact printing (µCP) and polymer pen lithography (PPL) with solid stamps, as well as the limitations regarding throughput of scanning probe‐based serial writing approaches such as nanoscale dispensing (NADIS) and other micropipetting techniques. In addition, sizes of stamped droplets can be controlled by adjusting surface wettability and dwell time.

As former studies reveal, the nanoporous confinement could have influence on polymorphic drug crystallization. However, little attention has been paid to the question how crystallization of the commonly polymorphic drugs in nanoporous matrices influences the drug release. As a consequence, sufficient information about the crystallization conditions and their influence on phase behavior, crystal texture, and stability of polymorphs should be retrieved prior to drug delivery experiments. Drug release should be polymorph-selective and even crystal face-specific. Therefore, the topic of this PhD thesis is the systematic investigation of crystallization parameters (e.g., pore morphology, thermal history, presence or absence of a bulk surface reservoir) and their influence on the nucleation and crystal growth of the two selected model compounds in nanoporous matrices: acetaminophen (ACE) and n-tetracosane. Both are confined to two host-systems: AAO containing aligned cylindrical, isolated pores and CPG containing curved, interconnected pores. The guest materials inside the two model matrices have been investigated with X-ray diffraction (WAXS) and differential scanning calorimetry. In the first part it is shown that the nanopore morphology of the host systems determines into which polymorphic form ACE crystallizes. Moreover, the pore morphology influences the kinetics of solid/solid transitions. In AAO uniformly oriented form III crystals are converted into also uniformly oriented form II crystals by a solid/solid transition. Such a phase transition is kinetically suppressed in CPG membranes due to the curved pore morphology. In the second step, polymorph-specific release experiments with ACE from AAO membranes reveal that the drug dissolution is not exclusively diffusion-limited and can be described by the Korsmeyer-Peppas model. Dissolution of crystalline ACE having rough crystal faces exposed to the environment is nearly as fast as release of amorphous ACE. Encapsulating of ACE in AAO nanopores with a PLLA polymer retard the drug dissolution but does not modify the release kinetics. In the third part of this thesis crystallization of n-tetracosane, a saturated hydrocarbon, in nanoporous matrices was studied. n-Tetracosane shows inside AAO membranes the rotator phase sequence: triclinic−RV−RI−RII−liquid. Further, the long axes of the n-tetracosane molecules are oriented normal to the AAO pore axes. In general, n-tetracosane under confinement shows a more complex phase behavior than the polymeric analogue polyethylene. The presented work expands the available strategies for mesoscopic crystal engineering. The methods might be transferred into other areas of interest such as polymorphism screening or preparation of different types of nanowires with customized optoelectronic or ferroelectric properties.

Inhalt der Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung von Hydrogelen auf Stärkebasis mit dem Ziel, diese für unterschiedliche Anwendungszwecke, insbesondere jedoch als Kontaktmedium in der medizinischen Ultraschalldiagnostik, einsetzen zu können. Um Stärke zur Ausbildung stabiler, wässriger Gele zu befähigen, werden mehrere Funktionalisierungsschritte vollzogen. Die Einführung von Carboxymethylfunktionen mittels Williamson-Reaktion erhöht den ionischen Charakter und damit die Hydrophilie des Biopolymers. Zur kinetischen Beschreibung der Carboxymethylierung am Stärkekorn in Suspension wird ein Dreiphasenmodell eingeführt. Der Aufbau eines für Gelstrukturen charakteristischen, dreidimensionalen Netzwerks erfolgt durch inter- und intramolekulare Verknüpfung einzelner Polymerstränge über kovalente Etherbrücken. Durch Eliminierung der nach Substitution und Vernetzung löslich verbliebenen Polymeranteile können die Materialeigenschaften des gequollenen Hydrogels erheblich verbessert werden. Rheologische Messungen und bildgebende Untersuchungen mit Gewebephantomen qualifizieren Stärke-Gele als in anwendungstechnischer Hinsicht geeignetes Kontaktmedium in der medizinischen Ultraschalldiagnostik. Mit speziellen Tests wird die pharmakologisch-toxikologische Unbedenklichkeit der Produkte nachgewiesen.

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) microscopy is a novel method of optical imaging for the localization and quantification of target molecules in cells and tissue specimens. The major advantages of SERS over fluorescence are quantification and spectral multiplexing due to the small line width of vibrational Raman bands. The position of the plasmon band of both hollow gold/silver nanoshells and silica-encapsulated gold nanoclusters can be tuned for maximum SERS enhancement upon red laser excitation, which is optimal for minimizing the disturbing autofluorescence of tissue. In this work, silica-encapsulated and non-encapsulated SERS particles were used for the localization of target proteins in prostate tissue specimens. Two different biofunctionalization methods were established for each type of SERS particles. The cross-linking method based on s-NHS/EDC chemistry was modified for covalently conjugating proteins to hollow gold/silver nanoshells and gold nanostars in order to minimize the aggregation of SERS nanoparticles during and after cross-linking. As an alternative to covalent conjugation chemistry, the noncovalent binding of antibodies to the SERS particles via an adapter protein (protein A/G) was established. The influence of several factors that determine the quality of results obtained by SERS imaging, such as the number of immuno-SERS conjugates, incubation time, antigen retrieval and blocking buffer, were investigated. Rapid SERS microscopy with 30 msec acquisition time per pixel was enabled by using silica-encapsulated gold nanoclusters for the localization of p63 proteins on prostate tissue specimens from healthy donors. Two-color SERS experiments for the parallel localization of PSA and p63 were performed with silica-encapsulated and non-encapsulated nanoshells. The quality of the results depends less on the nature of the surface chemistry of the nanoparticles (with or without silica encapsulation), but more on the blocking buffer and the antigen retrieval method. Silica-encapsulated gold nanoclusters were also used for the simultaneous quantification of three cytokines (IL1, IL8 and TNF- α) in a SERS-based sandwich immunoassay with a detection limit of ca. 0.3 pM. Keywords: Raman, SERS microscopy, biocompatibility of nanoparticles, cross-linking, antigen unmasking methods, antigen detection, immunohistochemistry, immunoassay.

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.

In this thesis, patterning methods to fabricate various functional particle patterns on substrates were developed, with the main aim of modifying the properties and functions of the substrates. Two classes of model substrates were selected; topographically patterned and smooth substrates. For the first model system, i.e., topographically patterned substrates, replication molding was used to topographically pattern substrates of different materials. The topographically patterned substrates, including TiO2, block-copolymer substrates (PS-b-P2VP and PS-b-P4VP), and microrings (TiO2 and Au), were then used to assemble silica (SiO2) microparticles for functional applications. By the assembly of microparticles on topographically patterned substrates, the wettability of the former could be reversibly switched from hydrophobic to hydrophilic. Moreover, a platform for the preparation of Janus particles by orthogonal functionalization of the top and bottom sides of microparticles assembled on topographically patterned substrates was developed. Clusters of superparamagnetic nanoparticles were stamped on the second class of model substrates, i.e., smooth silanized silicon substrates. A capillary stamping approach combined with an external permanent magnetic field or electromagnets was realized to print magnetic nanoparticle-based inks. In this way, ordered arrays of clusters of magnetic nanoparticles were produced.