Knochen ist ein multifunktionales Organ und zugleich ein biologisches Material. In dieser Arbeit wird der Heilungsverlauf eines Knochenbruchs (als biologisches Material) näher untersucht mit Hilfe von Computermodellen. Im menschlichen Körper kommt es nach einem Bruch zu einer vollständigen Regeneration des Knochens, ohne dass eine Narbe nach der Heilung zurückbleibt. In grob 10% der Frakturen kommt es jedoch zu Komplikationen bis zu einem Nicht-Heilen des Bruches. Das Ziel von intensiver interdisziplinärer Forschung ist es daher, nicht nur die medikamentöse Behandlung solcher Komplikationen zu verbessern, sondern auch durch externe, biophysikalische Stimulation die Heilung anzuregen. Gewöhnlich heilt ein Knochenbruch nicht direkt (Primäre Knochenheilung), das heißt durch Bildung von neuem Knochen im Knochenspalt, sondern über Sekundäre Knochenheilung. Während der sekundären Heilung bildet sich vorübergehend zusätzliches Gewebe außerhalb des Frakturspaltes, der so genannte Kallus, der die Aufgabe hat, den Bruch zu stabilisieren. Im Kallus werden im Laufe der Heilung verschiedene Gewebearten gebildet (z.B. Bindegewebe, Knorpel und Knochen). Die Gewebe werden von spezialisierten biologischen Zellen gebildet. Die spezialisierten Zellen entwickeln sich aus mesenchymalen Stammzellen (d.h. sie differenzieren), die in den Kallus wandern. Hauptziel der Arbeit ist das bessere Verständnis der mechano-biologischen Regulation der Gewebeformation während der Heilung eines normalen Knochenbruches. Dazu wurden Computersimulationen durchgeführt und mit experimentellen Daten eines Schafmodels verglichen. / Bone is a multifunctional organ, a biological material and is able to fully restore bone fractures without leaving a scar. However, in about 10% of the bone fractures, healing does not lead to a successful reunion of the broken bone ends. Intensive interdisciplinary research therefore looks for new ways to promote healing not only by medication, but also by external biophysical stimulation. Usually, bone fractures do not heal by a direct bridging of the fracture gap with newly formed bone (primary bone healing). Instead, secondary bone healing proceeds indirectly via the formation of an external callus (additional tissue). Within the callus, intricate tissue type patterns are formed, which evolve during the healing progression. Stem cells differentiate into specialized cells, which lay down different tissues such as fibrous tissue, cartilage and bone. This cell differentiation can be biophysically stimulated, e.g. by mechanical deformation of the cytoskeleton. The main aim of this thesis was to connect the microscopic cell response to mechanical stimulation with the macroscopic healing progression. Simple rules for cell behaviour were implemented in a computer model, the progression of healing was simulated and the outcome of the simulations was compared to results from animal experiments. In comparison to existing simulations of bone healing, this study approached the problem from a more physical viewpoint and linked experimental in vivo data and computer modelling.

In der vorgelegten Arbeit wurden zwei Arten von Quantendrahtstrukturen untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Erstens ist dies eine laterale Quantendrahtstruktur, die sich entlang einer Mesakante durch selektives Wachstum auf strukturierten GaAs (311)A-Substraten ausbildet. Zunächst wurden vertikal gestapelte Quantendrähte mit starker elektronischer Kopplung realisiert. Weiterhin wurden, unter Nutzung des amphoteren Einbaus von Si, p-i-n-Leuchtdioden mit einem einzelnen Quantendraht in der aktiven Zone hergestellt, die sich durch selektive Ladungsträgerinjektion in die Quantendrähte auszeichnen. Die Leuchtdioden wurden weitergehend mittels Mikrophotolumineszenz(µ-PL), Kathodolumineszenz (CL) und Elektronenstrahl-induziertem Strom (EBIC) charakterisiert. Zur Erklärung der selektiven Elektrolumineszenz (EL) wurde ein Modell, basierend auf der lateralen Diffusion von Elektronen und Löchern, vorgeschlagen. Für verspannte Systeme wurde der Einfluss von atomarem Wasserstoff auf das Wachstum von (In,Ga)As auf GaAs (311)A und die Bildung von lateralen Quantendrähten untersucht. Atomarer Wasserstoff spielt dabei die Rolle eines Surfaktanden und unterdrückt deutlich die Bildung von dreidimensionalen Inseln. Zweitens wurde das Wachstum von verspannten (In,Ga)As-Schichten auf GaAs (100) untersucht. Es zeigte sich, dass die dreidimensionale Inselbildung durch die Wachstumskinetik bestimmt ist, und ein Übergang von symmetrischen zu asymmetrisch verlängerten Inseln bei Erhöhung der Wachstumstemperatur auftritt. Dieser Prozess wird durch das Zusammenspiel von Oberflächen- und Verspannungsenergie bestimmt, wobei die experimentellen Befunde in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Arbeiten von Tersoff und Tromp sind. Ausgehend von asymmetrischen (In,Ga)As-Inseln wurden selbstorganisierte Quantendrähte hergestellt, deren Homogenität und Länge sich durch Wachstum einer Vielschichtstruktur deutlich erhöhen. Strukturell wurden die (In,Ga)As-Quantendrähte mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgendiffraktometrie (XRD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Der laterale Ladungsträgereinschluss in den Quantendrähten zeigte sich deutlich in polarisationsabhängigen Photolumineszenz- und Magnetophotolumineszenzmessungen. / The present work focuses on two types of quantum wire structures which were grown by molecular beam epitaxy (MBE). First, the sidewall quantum wires based on the selective growth on mesa stripe patterned GaAs(311)A are studied. Single stacked sidewall quantum wires with strong electronic coupling have been fabricated. p-i-n type LEDs of the quantum wires employing the amphoteric Si incorporation for p- and n-type doping on GaAs(311)A have been fabricated. Strong selective carrier injection into the quantum wires is observed in electroluminescence (EL) measurements. The samples are characterized by micro-photoluminescence (µ-PL), cathodoluminescence (CL), as well as electron beam induced current (EBIC) measurements. To account for the highly selective EL, a model is proposed, which is based on the lateral diffusion of electrons and holes resulting in self-enhanced carrier injection into the quantum wires. Atomic hydrogen effects in the growth of (In,Ga)As on GaAs(311)A and its application to the sidewall quantum wire are investigated. It is found that atomic hydrogen suppresses island formation. Atomic hydrogen delays the relaxation by islanding thus playing the role of a surfactant. Second, the growth of (In,Ga)As layers on GaAs(100) is investigated showing that the formation of coherent 3D islands is a kinetically limited process. The transition from square-shaped islands to elongated islands is observed by changing the growth temperature for the growth of (In,Ga)As single layers. The elongation of the islands is a tradeoff between the surface free energy and the strain energy. A quantitative comparison between the experimental results and the theoretical work done by Tersoff and Tromp shows a good agreement. Self-organized quantum wires based on elongated discolation-free islands have been fabricated. The uniformity of the quantum wires is greatly improved by a superlattice growth scheme which also makes the wires much longer. The structural characterization of the quantum wires is performed by atomic force microscopy (AFM), x-ray diffractometry (XRD), and transmission electron microscopy (TEM). The lateral carrier confinement in the quantum wires is confirmed by polarization dependent PL and magneto-PL measurements.

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis optischer Anregungen in metallischen Nanostrukturen. Am Beispiel ausgewählter Strukturen werden experimentell die Dynamik dieser Anregungen mit Femtosekunden-Zeitauflösung und ihre elektromagnetischen Moden auf der Nanometer-Längenskala untersucht. Anhand winkel- und zeitaufgelöster Transmissionsexperimente an metallischen Dünnfilmgittern wird gezeigt, dass resonante Oberflächenplasmon-Polaritonen (OPPen) wesentlich die optischen Eigenschaften dieser Strukturen beeinflussen. Die Lebensdauer solcher Anregungen wird ermittelt und damit nachgewiesen, dass Kopplungen zwischen OPP-Resonanzen drastische Lebensdauer-Modifikationen zur Folge haben. In einem eigens konstruierten, spektral auflösenden optischen Nahfeldmikroskop werden die elektromagnetischen Feldverteilungen der OPPen direkt abgebildet. Derartige Experimente erlauben erstmals eine Zuordnung der räumlichen Moden zur zeitlichen Dynamik verschiedener OPP-Resonanzen. Diese Erkenntnisse ermöglichen zudem eine Interpretation des nahfeldmikroskopischen Bildkontrasts bezüglich der Beiträge verschiedener vektorieller Komponenten des optischen Nahfeldes. Die selektive Abbildung unterschiedlicher elektrischer und magnetischer Feldkomponenten in Abhängigkeit vom Sondentyp wird demonstriert. Darüberhinaus wird die OPP-Erzeugung in einem Gitter auf dem Schaft einer Nahfeldspitze ausgenutzt, um propagierende OPPen im Apex zu konzentrieren. Ein weiterer Teil der Arbeit nutzt elektrische Feldüberhöhungen an scharfen Metallspitzen für die lokalisierte Erzeugung nichtlinearer optischer Signale. Die Beobachtung intensiver Multiphoton-Elektronenemission nach Femtosekundenanregung stellt ein zentrales Ergebnis dar. Dieser Prozess wird umfangreich charakterisiert und findet seine erste Anwendung in einer neuartigen Rastersondentechnik, in der die örtlich variierende Elektronenemission der Bildgebung dient. / This thesis contributes to the understanding of optical excitations in metallic nanostructures. In experiments on selected model structures, the dynamics of these excitations and their electromagnetic spatial modes are investigated with femtosecond temporal and nanometer spatial resolution, respectively. Angle- and time-resolved transmission experiments on metallic thin film gratings demonstrate the dominant role resonant surface plasmon polaritons (SPPs) play in the optical properties of such structures. The lifetimes of these excitations are determined, and it is shown that coherent couplings among SPP-resonances result in drastic lifetime modifications. The spatial SPP mode profiles are imaged using a custom-built near-field optical microscope. The experiments reveal a direct correlation between the spatial mode structure and the dynamics of different SPP resonances. These findings allow for an interpretation of the near-field optical image contrast in terms of the contributions of different vectorial components of the electromagnetic near-field. A selective imaging of different electric and magnetic field components is demonstrated for various types of near-field probes. Furthermore, the excitation of SPPs in periodic structures is employed in a novel type of near-field tip. The resonant excitation of SPPs in a nanofabricated grating on the shaft of a sharp metallic tip results in their concentration at the tip apex. The final part of the thesis highlights the importance of optical field enhancements for the local generation of nonlinear optical signals at the apex of sharp metallic tips. Specifically, the observation of intense multiphoton electron emission after femtosecond excitation is a major result. This process is thoroughly characterized, and a novel scanning microscopy application based on this effect is presented. In this technique, an image contrast with nanometer resolution arises from spatially varying electron emission rates.

Strontiumtitanat ist ein häufig untersuchtes Oxidmaterial, mit einem breiten Anwen- dungsgebiet z.B. in der Photokatalyse oder auch als Substratmaterial beim Wachstum ande- rer Oxidschichten. Dabei spielen chemische Prozesse an der Oberfläche eine herausragende Rolle, deren Kenntnis für eine tieferes Verständnis der genannten Anwendungen unentbehrlich ist. Darüberhinaus gibt es deutliche Hinweise darauf, dass diese Oberflächenprozesse sehr stark, u.a. von Wasserstoff und Wasser beeinflußt werden. Sowohl wegen der Relevanz als auch wegen der technischen Machbarkeit, stellt eine Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie einen natürlichen Ausgangspunkt dar, um genaue Einblicke in die Prozesse auf der Oberfläche auf atomare Ebene zu gewinnen. Bei der Adsorption des Sauerstoffs und des Wassers ist gleichermaßen auffällig, dass die Bindungsenergien sehr stark durch langreichweitige Verzerrungen im Substratgitter beeinflußt werden, welche damit eine effektive repulsive Wechselwirkung der adsorbierten Spezies bewirken. Adsorbierte Sauerstoffatome bilden mit jeweils einem Sauerstoffatom des Subtrats ein „Quasi-Peroxid-anion“, wodurch das adsorbierte Sauerstoffatom einen Gitterplatz einnimmt, der nicht einem Sauerstoffplatz des Perovskitgitters entspricht. Im Gegensatz dazu wurden bei allen untersuchten atomaren Konfigurationen, die Wasser und Hydroxylgruppen enthielten, beobachtet, dass sich hier die adsorbierten Sauerstoffatome an den Plätzen des forgesetzten Perovskitgitters befinden. Bemerkenswert ist die spontane Dissoziation und Bildung eines Hydroxylpaares auf der Strontiumoxidterminierung während des Adsorption des Wassermoleküls. Auf der Titandioxidterminierung hingegen werden abhängig von der Bedeckung Wassermoleküle und Hydroxylgruppen beobachtet. Die Energetik, die diesem Verhalten zugrunde liegt, zeigt sehr gute Übereinstimmung mit den experimen- tellen Beobachtungen von Iwahori und Kollegen. / Strontium titanate is an extensively studied material with a wide range of application, for instance in photo-catalysis and most importantly, it is used as a substrate in growth of functional oxides. The surface chemistry is crucial and hence understanding the surface structure on atomic scale is essential for gaining insight into the fundamental processes in the aforementioned applications. Moreover, there exist a lot of evidence that this surface chemistry might be controlled to considerably by extrinsic species, such as residual hydrogen and water. Investigating the properties of water and oxygen on the strontium titanate surface is certainly a natural starting point for a theoretical study based on density functional theory, because these species are practically present on the surface on a wide range of experimental conditions and they are computationally feasible. For the oxygen and water adsorption the binding energy is controlled by long-range surface relaxations leading to an effective repulsion of the adsorbed specimen. The isolated oxygen ad-atom forms a covalently bonded “quasi-peroxide anion” in combination with a lattice oxygen atom. Contrariwise, in all investigated configurations containing water molecules and hydroxyl groups, the respective oxygen atoms assumed positions close to the oxygen sites of the continued perovskite lattice of the substrate. Most remarkably, on the strontium oxide termination, the water molecules adsorbs and dissociates effortlessly leading to the formation of a pair of hydroxyl groups. For the titanium dioxide termination, a coverage dependent adsorption mode is observed. Densely packings stabilize water molecules, whereas at lower coverage and finite temperatures the formation of hydroxyl groups is found. The energetics responsible for this behavior is consistent with recent experiments by Iwahori and coworkers.

Zusammenfassung Zur Freisetzung ihres Genoms in das Innere der Wirtszelle müssen Hüllviren ihre Membran mit der Membran der Wirtszelle verschmelzen. Diese Fusion wird durch eine Konformations- umwandlung der Ektodomäne viraler Glykoproteine ausgelöst. Die Kenntnis der drei- dimensionalen Struktur der vollständigen Ektodomäne in der fusionsaktiven Konformation ist Voraussetzung für das Verständnis des Fusionsmechanismus. Die Fusion von Influenza mit entsprechenden Targetmembranen wird durch eine durch sauren pH ausgelöste Konformationsänderung des als Trimer vorliegenden Glykoproteins Hämagglutinin (HA) vermittelt. Bis jetzt war die dreidimensionale (Röntgenkristall-) Struktur einer enzymatisch abgespaltenen HA-Ektodomäne nur eines Influenzastammes bei neutralem pH-Wert bzw. von einigen Fragmenten der HA2-Untereinheit bei saurem pH-Wert bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden ein geeigneter Influenzastamm sowie geeignete Untersuchungsbedingungen ermittelt, um die 3D-Struktur des kompletten, nicht enzymatisch vorbehandelten HA sowohl in seiner nativen (bei neutralem pH-Wert vorliegenden) als auch in seiner fusionskompetenten (keinesfalls aber bereits inaktivierten) Struktur mittels Kryo- Elektronenmikroskopie und Bildverarbeitung aufzuklären. Es wurde erstmals die 3D-Struktur des kompletten HA eines anderen Influenzastammes (A/Japan) bei neutralem pH-Wert aufgeklärt und mit der bekannten 3D-Struktur von Influenza X-31 verglichen. Außerdem konnte eine fusionskompetente Form rekonstruiert werden, die im Vergleich zur nativen Konformation deutliche Veränderungen in der 3D-Struktur zeigt, ohne daß sich jedoch die Assoziation der Monomere aufhob. Die Befunde werden unter anderem in Hinblick auf die Bedeutung der HA1-Untereinheit für die Fusion diskutiert. Die vorgestellte Methode scheint geeignet, auch andere Membranproteine bzw. Membranfusion-vermittelnde Proteine in verschiedenen konformeren Zuständen aufzuklären (insbesondere jene, die der Röntgenkristallstrukturanalyse nicht zugänglich sind) und so einen diesen Fusionsprozessen eventuell zugrundeliegenden konservierten Funktionsmechanismus aufzuhellen. / Abstract Envelope viruses enter a host cell via fusion between the viral and endosomal membrane, thereby releasing the nucleocapsid into the cytoplasm. The fusion has been accompanied with an conformational change in the ectodomain of viral glycoproteins. To understand the mechanism leading to fusion the three-dimensional (3D) structure of the complete viral glycoprotein in its fusion competent conformation has to be determined. The Fusion of influenza virus which is triggered at low pH has been associated with an irreversible conformational change in the trimeric glycoprotein hemagglutinin (HA). The three-dimensional (crystal) structure is already known of the enzymatic-cleaved ectodomain of one influenza strain (X-31) at neutral pH or of some fragments of the HA2-subunit at low pH, respectively. In this work a suitable influenza strain as well as suitable experimental conditions for investigations of the 3D-structure of the complete and not enzymatically treated HA at neutral and acidic pH conditions have been determined. An cryo-microscopy/angular reconstitution approach has been employed for the 3D- reconstruction of the intact HA of an different influenza strain (A/Japan). This structure is in excellent agreement with the known X-ray crystallographic structure of the bromelain- cleaved ectodomain of HA from influenza X-31. Moreover, for the very first time the 3D structure of the intact HA of Influenza A/Japan in its fusion competent state (at acidic pH) has been calculated. The differences between the two structures are large compared to the marginal differences between the neutral pH structures by EM and by X-ray crystallography, respectively, although the monomers remain tightly connected. These findings will be discussed especially with regard to the role of the HA1 subunit in the fusion process. The procedure is in general applicable to pursue the 3D-structure of (fusion mediating) proteins in various conformational states (especially of those proteins which are not directly accessible by X-ray crystallography). This approach should offer to elucidate the (eventually conserved) mechanism of membrane fusion.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit theoretischen Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften von 4f-Systemen mit Filmgeometrie. Die vorgestellte Theorie basiert auf dem s-f-Modell, welches durch einen intra-atomaren Austausch zwischen einem System lokaler magnetischer Momente und den Leitungselektronen charakterisiert ist. Das Modell wird für den Fall des leeren Leitungsbandes untersucht. Der untersuchte Spezialfall ist anwendbar auf die Klasse der ferromagnetischen Halbleiter mit den Europiumchalkogeniden EuO und EuS als Prototypen solcher Substanzen. Für den Grenzfall ferromagnetischer Sättigung des Systems lokaler magnetischer Momente existiert eine exakte Lösung für das Problem. Für endliche Temperaturen wird eine Methode vorgestellt, die auf einer momentenerhaltenden Entkopplungsprozedur für passend definierte Green-Funktionen basiert. Die Theorie für endliche Temperaturen leitet sich dabei übergangslos aus dem exakt lösbaren Grenzfall ab. Mit Hilfe der vorgestellten Theorie wird das temperaturabhängige Quasiteilchenspektrum eines ferromagnetischen Modellfilmes berechnet. Die Rechnungen zeigen ein deutliches korrelationsinduziertes Aufspalten der Spektren, das in der Existenz eines neuen Quasiteilchens, des magnetischen Polarons, resultiert. Der zweite Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Berechnung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften eines realen ferromagnetischen Halbleiterfilms. Um den vielfachen Leitungsbändern eines realen Systems Rechnung tragen zu können, wird das ursprüngliche s-f-Modell zu einem Mehrbandmodell erweitert. Das so erweiterte s-f-Modell wird dazu benutzt, die temperaturabhängige Bandstruktur von Volumen-EuO und von EuO(100)-Filmen zu berechnen. Die T=0-Bandstrukturen, die als Input für die Modellrechnungen dienen, werden hierbei mittels einer TB-LMTO-ASA-Bandstrukturrechnung berechnet. Die spezielle Struktur der Lösung des s-f-Modells für den exakt lösbaren Grenzfall von T=0 verhindert dabei das Auftreten von Doppelzählungen relevanter Wechselwirkungen bei der Kombination von ab-initio-Rechnungen und s-f-Modellrechnungen. Die erhaltenen temperaturabhängigen Bandstrukturen geben wertvolle Einblicke in das Wechselspiel zwischen elektronischen und magnetischen Eigenschaften in EuO-Systemen und gestatten es, verifizierbare Vorhersagen für künftige Experimente zu machen. Insbesondere wird die Existenz eines EuO(100)-Oberflächenzustandes vorhergesagt, der das Auftreten eines Oberflächen-Metall-Isolator-Übergangs induzieren kann. / This dissertation is concerned with the theoretical investigation of the electronic and magnetic properties of 4f systems with film geometry. The presented theory is based on the s-f model which features an intra-atomic exchange between a system of localized magnetic moments and the conduction electrons. The model is investigated for the special case of zero band occupation of the conduction bands which is applicable to the situation in ferromagnetic semiconductors such as the europium chalcogenides EuO and EuS. For the special case of ferromagnetic saturation of the local-moment system the problem is exactly solvable. For finite temperatures, the presented approach is based on a moment-conserving decoupling approximation for suitably defined Green functions and evolves continuously from the exact limiting case. The theory is used to calculate the temperature-dependent quasiparticle spectrum of a ferromagnetic model film. Within these calculations, one finds a marked correlation-induced splitting of the spectra resulting in the existence of a new quasiparticle, the magnetic polaron. The second part of the thesis is devoted to the calculation of the electronic and magnetic properties of a real ferromagnetic semiconductor film. The original s-f model is extended to a multi-band s-f model to account for the multiple conduction bands in a real system. Based on the resulting model, the temperature-dependent band structures of bulk EuO and EuO(100) films are calculated. Here, the T=0 band structures of the systems, which have to be taken as input for the model calculations, are calculated using the TB-LMTO-ASA band-structure technique. Due to the special form of the solution of the s-f model for the exactly solvable limiting case of T=0 the employed approach for combining the first-principles calculations with the model calculations prevents the problem of double counting of relevant interactions. The calculated temperature-dependent band structures yield a valuable insight into the temperature-dependent interplay between the magnetic and electronic properties in the EuO systems and allow to make verifiable predictions for future experiments. In particular, the existence of a EuO(100) surface state has been predicted and been shown to possibly induce a surface insulator-metal transition.

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Methode zur Energierekonstruktion von Myonen in Unterwasserteleskopen unter Verwendung der Amplituden und Trefferwahrscheinlichkeiten der Photomultiplier. Die Methode wird auf die Daten des Myon- und Neutrinoteleskopes NT-96 angewandt. / This thesis describes the development of a method for energy reconstruction of muons which are detected in underwater elescopes using the amplitudes and hit patterns of the photo multipliers. The method is applied to the data of the Baikal NT-96 muon and neutrino telescope.

In dieser Arbeit wurden einerseits die elektronischen Eigenschaften von Graphenen und andererseits die Verwendung von Graphenen und Kohlenstoff-basierten Hybridmaterialien als transparente Elektroden untersucht. Entsprechend ist der erste, umfangreichere Teil der Arbeit Grundlagen-orientiert und fokussiert auf die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Graphen und dem Substrat Glimmer. Der zweite, kleinere Teil befasst sich mit der Entwicklung leitfähiger Tinten auf der Basis von Graphenen und anderen Kohlenstoff-basierten Hybridmaterialien für Anwendungen in der druckbaren Elektronik, insbesondere für die Herstellung transparenter Elektroden. Graphen auf Glimmer ist ein sehr wohldefiniertes System, in dem das Graphen über mehrere Quadratmikrometer atomar flach ist. Schichtdickenabhängige Variationen des Oberflächenpotentials von einzel- und mehrlagigen Graphenen auf Glimmer wurden mittels Kelvin Probe Rasterkraftmikroskopie untersucht. Damit konnte die elektrostatische Abschirmlänge von Graphen auf Glimmer bestimmt werden. Lokale Variationen des Oberflächenpotentials innerhalb einer Graphenlage, verursacht durch eingeschlossene Wasserschichten zwischen Graphen und Glimmer, wurden mit Rasterkraftmikroskopie, elektrostatischer Rasterkraftmikroskopie und der Raman-Spektroskopie untersucht. Dies ermöglichte es, die Dotierung von Graphen durch eingeschlossene Wasserschichten zu quantifizieren. Außerdem wurde gezeigt, dass Graphen auf molekular modifiziertem Glimmer lokal auf der Nano-Skala dehnbar ist. Dabei wurde der Glimmer durch das Aufbringen von dendronisierten Polymeren verschiedener Generationen auf Nanometer-Skala modifiziert. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, die lokalen elektronischen Eigenschaften von Graphen durch Dehnung zu kontrollieren.Schließlich wurden Kohlenstoff-basierte leitfähige Tinten hergestellt, daraus transparente Elektroden hergestellt, und die Formulierungen der Tinten für das Drucken auf Plastiksubstrate optimiert. / This work focusses on the electronic properties of graphene on the one hand, and on the application of graphenes and other carbon-based hybrid materials for transparent electrodes on the other hand. Accordingly, the first part of the work, which is the larger one, is of fundamental nature and focusses on the electronic interaction between graphene and mica as a substrate. The second, smaller part deals with the design of novel conductive inks based on graphene and other carbon-based hybrid materials for applications in printed electronics, in particular for the production of transparent electrodes. Graphene on mica is a very well defined system, which provides atomically flat graphene extending over several square micrometers. Layer-dependent surface potential variations of single and few layered graphenes on mica were probed with Kelvin Probe Force Microscopy. This allowed to estimate the screening length of graphene on mica. Local variations of the surface electrostatic potential above single layer graphene, originating from confined fluid interfacial monolayers of water between the mica and the graphene, were monitored with Scanning Force Microscopy, Electrostatic Scanning Force Microscopy and Raman spectroscopy. This allowed to quantify the doping of graphene by the confined water layers. Exfoliation of graphene onto adsorbed nanostructures on mica allowed to control the strain of graphene at the nano-scale. Nanostructuring was achieved by first coating mica with submonolayers of dendronized polymers of different generations and subsequently depositing graphene. This approach provides new opportunities for the control of the electronic properties of graphene by strain.Finally, novel conducting carbon-based inks were designed and transparent electrodes were fabricated therefrom. The formulations of the inks were optimized for printing on plastic substrates.

Das Überschussproton (H+) in wässriger Umgebung, schwer fassbar in seiner Struktur und seinem lokalen Umfeld, wurde seit mehr als zwei Jahrhunderten intensiv studiert und wird oft in Bezug auf zwei limitierende Strukturen diskutiert, dem Eigen-Kation (H9O4+) und dem Zundel-Kation (H5O2+). Die vorherrschende Hydratisierungsstruktur und der ultraschnelle fluktuierende Charakter des Überschussprotons in Lösung bei Raumtemperatur bleiben jedoch diskutiert. Die vorliegende Dissertation klärt eine dominante Hydratisierungsstruktur von Überschussprotonen in Lösung unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen auf. Zundel-Kationen, selektiv präpariert im Lösungsmittel Acetonitril, wurden mittels ultraschneller zweidimensionaler Infrarot (2D-IR) und Zweifarben-Anrege-Abtastspektroskopie untersucht. Intramolekulare Lebensdauern liegen im sub-100 fs Bereich, viel kürzer als in reinem flüssigen Wasser. Das ,,Zundel-Kontinuum" erklärt sich durch Lösungsmittel getriebene Feldfluktuationen, die das Doppelminimumpotential des Protons in H5O2+ auf der Femtosekundenzeitskala modulieren. Zusammen mit stochastische Besetzungen niederfrequenter Moden, führen beide Effekte zu einer starken Frequenzverschiebung der Fundamentalschwingung der Protonbewegung und ihrer Ober- und Kombinationstöne. Der einzigartige Schwingungscharakter der Protontransfermode wurde ausgenutzt, um zeitaufgelöste Daten von Zundel-Kationen in Acetonitril mit denen von Überschussprotonen in flüssigem Wasser zu vergleichen. Die nahezu identische Schwingungsantwort beider Proben in 2D-IR und Zweifarben-Anrege-Abtastexperimenten identifiziert die (H5O2+)-Gruppierung als eine vorherrschende Hydratisierungsstruktur für Protonen in Wasser. / The excess proton (H+) in aqueous environment, elusive in its structure and local surrounding, has been intensively studied for more than two centuries and is often discussed in terms of two limiting structures, the Eigen cation (H9O4+) and the Zundel cation (H5O2+). However, the prevailing solvation structure and ultrafast fluctuating character of the hydrated proton in solution at room temperature is debated. The present thesis elucidates a predominant solvation structure of excess protons in solution under thermal equilibrium conditions. Zundel cations selectively prepared in acetonitrile solution are investigated by ultrafast two-dimensional infrared (2D-IR) and two-color pump-probe spectroscopy. Intramolecular lifetimes are found in the sub-100 fs range, much shorter than for neat liquid water. The "Zundel continuum" is explained by solvent driven field fluctuations that modulate the double minimum proton potential in H5O2+ on the femtosecond time scale. Together with stochastic populations of low frequency modes, both effects lead to strong frequency excursions of the proton transfer fundamental and its overtone and combination tone transitions. Utilizing the distinct vibrational character of the proton transfer mode, time-resolved data of Zundel cations in acetonitrile are compared to those obtained for excess protons in bulk liquid water. The nearly identical vibrational response of both samples found in 2D-IR and two-color pump-probe experiments identifies the H5O2+ moiety as a predominant solvation structure of protons in water.

In dieser Arbeit werden die Zerfälle des schwersten bekannten Leptons, des Tau, in die beiden leichteren Leptonen, Elektron oder Muon, untersucht. Die durch Elektron-Positron-Annihilation am LEP-Speicherring entstehenden Tau-Paare werden ausgewertet, um die Verzweigungsverhältnisse B_{l=e,\mu} = \frac{\Gamma(\tau\to\nu_\tau l\bar{\nu}_l)}{\Gamma_{tot}} zu bestimmen. Die Analyse erfolgt für die gesamte bei LEP~I mit dem L3-Detektor auf der Z-Resonanz aufgezeichnete Datenmenge. Aus über 160000 selektierten Tau-Zerfällen werden die leptonischen Zerfälle identifiziert und die leptonischen Verzweigungsverhältnisse gemessen: B_e = (17.806 \pm 0.104_{stat} \pm 0.076_{sys}) B_\mu = (17.342 \pm 0.110_{stat} \pm 0.067_{sys}) Das daraus bestimmte Verhältnis der Kopplungen von Elektron und Muon im geladenen schwachen Strom \frac {g_\mu}{g_e} = 1.0007 \pm 0.0051 stimmt ausgezeichnet mit der aus dem Standardmodell entsprechend der angenommenen Lepton-Universalität erwarteten Gleichheit der Kopplungen überein. Durch Vergleich der Verzweigungsverhältnisse mit der im Stan dardmodell berechneten leptonischen Zerfallsbreite \Gamma (\tau\to\nu_\tau l\bar{\nu}_l) wird ein Wert für die Tau- Lebensdauer bestimmt, der mit der direkten Messung sehr gut verträglich ist. Unter Hernahme der direkten L3-Messung der Tau-Lebensdauer wird die Universalität der Kopplungen am Wl\bar{\nu}_l-Vertex für g_\tau/g_\mu und g_\tau/g_e mit einer Genauigkeit von 6 Promille bestätigt. Aus dem Verhältnis der hadronischen zur leptonischen Zerfallsbreite des Tau wird die Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung gemessen: \alpha_s(m_\tau)=0.324~\ pm~0.009_{Experiment}~\pm~0.017_{Theorie}Der daraus zur Masse des Z-Bosons extrapolierte Wert\alpha_s(m_\mathrm{Z}) = 0.1191~\pm~0.0009_{Experiment}~\pm~0.0019_ {Theorie}ist in exzellenter Übereinstimmung mit den direkten Messungen und bestätigt die von der QCD vorhergesagte Energieabhängigkeit der Kopplungskonstante. Die Masse m_{\nu_\tau} des Tau-Neutrinos läßt sich aus dem Vergleich der gemessenen mit einer für m_{\nu_\tau} berechneten leptonischen Zerfallsbreite begrenzen auf:m_{\ nu_ \tau} < 107 MeV (mit 95% Wahrscheinlichkeit)\end {eqnarray*} Das Verhältnis aus B_\mu und B_e ist sensitiv auf die Kopplungen an ein geladenes Higgs-Dublett und liefert eine Grenze für die Masse des geladenen Higgs-Bosons von m_{H^{\pm}} > 1.0 \tan \beta GeV (mit 95% Wahrscheinlichkeit) Hierbei ist \tan \beta das Verhältnis der Vakuumerwartungswerte beider Higgs-Dubletts. / This is a study of the decays of the heaviest known lepton, the tau, into the two lighter leptons, electron or muon. From tau pairs produced at the LEP storage ring in electron-positron annihilation the leptonic branching fractions of the tau, B_{l=e,\mu}=\frac{\Gamma(tau\to\nu_tau l\bar{\nu}_l)}{\Gamma_{tot}}, are measured. The analysis was performed using the full LEP I data sample collected with the L3 detector at centre-of-mass energies around the Z mass. Within about 160000 selected tau decays the leptonic decays were identified and the branching fractions are measured as: B_e = (17.806 \pm 0.104_{stat} \pm 0.076_{sys})B_\mu = (17.342 \pm 0.110_{stat} \pm 0.067_{sys}). It is used to test the electron-muon universality in the weak charged current couplings: \frac {g_\mu}{g_e} = 1.0007 \pm 0.0051 . The ratio of the couplings of electron and muon is in excellent agreement with the Standard Model assumption of 1. Using the Standard Model prediction for the leptonic decay width, \Gamma(tau\to\nu_tau l\bar{\nu}_l), the tau lifetime is determined, precisely confirming direct measurements. Together with the L3 measurement of the tau lifetime the universality in the couplings at the Wl\bar{\nu}_l vertex is verified for g_tau/g_\mu and g_tau/g_e at a level of 6 permille. The ratio of hadronic to leptonic tau decay width, R_tau, is calculated from the measured leptonic branching fractions, and a value of the QCD coupling constant is extracted:\alpha _s(m_tau) = 0.324~\pm~0.009_{exp}~\pm~0.017_{theory}. The value obtained by evolving \alpha_s(m_tau) to the Z mass, \alpha_s(m_\z)= 0.1191~\pm~0.0009_{exp}~\pm~0.0019_{theory}, agrees very well with direct measurements and confirms the predicted running of \alpha_s. An upper limit for the mass of the tau neutrino, m_{\nu_{tau}}, is estimated from a comparison of the measured leptonic tau decay rate to a prediction as a function of m_{\nu_tau}: m_{\nu_tau} < 107 MeV (at 95% confidence level) The ratio of B_\mu to B_e is sensitive to the couplings to a charged Higgs doublet and allows to set a limit on the mass of the charged Higgs boson m_{H^{\pm}} > 1.0 \tan \beta GeV (at 95\% confidence level), where \tan \beta is the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs doublets.