Die galvanische Abscheidung von Iridium aus bromhaltigen Elektrolyten ist aus der Fachliteratur bekannt. Zum besseren Verständnis des Abscheidemechanismus und der nachlassenden Stromausbeute im Betrieb werden umfangreiche Untersuchungen zu den Parametereinflüssen und der Badzusammensetzung diskutiert. Im Fokus des Interesses steht der Oxidationszustand des Iridiums, der für die Abscheidung günstig ist und die Bildung eines Aquakomplexes, der zu abnehmenden Stromausbeuten mit zunehmendem Badalter führt. Die gebildeten Schichten werden hinsichtlich zweier Anwendungsfelder charakterisiert. Die Applikation geschlossener Schichten als Kontaktwerkstoff für die Beschichtung hochbeanspruchter Steck- und Schleifkontakte wird anhand von Beschichtungsversuchen an Demonstratorbauteilen diskutiert. Im zweiten Anwendungsfeld wird die galvanische Abscheidung vereinzelter Iridiumpartikel auf der Oberfläche von PEM-Elektrolyseuren mit Hilfe der Pulsstromtechnik und die katalytische Aktivität der erzeugten Oberflächen für die Sauerstoffbildungsreaktion untersucht. / The electrodeposition of iridium from bromine-containing electrolytes is well known from the literature. For a better understanding of the deposition mechanism and the decreasing current yield during operation, extensive investigations on the parameter influences and the bath composition are discussed. The focus of interest is the oxidation state of iridium, which is favorable for deposition, and the formation of an aqua complex, which leads to decreasing current yields with increasing bath age. The formed coatings are characterized with respect to two fields of application. The application of closed layers as contact material for the coating of highly stressed plug and sliding contacts is discussed on the basis of coating tests on demonstrator components. In the second field of application, the electrodeposition of isolated iridium particles on the surface of PEM electrolyzers using pulse current technology and the catalytic activity of the generated surfaces for the oxygen formation reaction are investigated.

Investigations on pulsed reactive magnetron sputtering processes for the deposition of thin oxide films are presented by means of time-resolved and time-integrated measurements. The pulsed process can be successfully described in terms of a model of Berg et al. for reactive sputtering processes. Time-resolved Langmuir double probe measurements are confirmed using time-resolved optical emission spectroscopy. Combining the results leads to an insight into elementary processes governing the discharge. / Mit Hilfe zeitlaufgelöster und zeitlich mittelnder Methoden wird eine gepulste Magnetronentladung zur reaktiven Abscheidung von Oxidschichten untersucht. Das Modell von Berg et al. zur Beschreibung des Abscheideprozesses lässt sich dabei erfolgreich auf die reaktive Abscheidung mit einem gepulsten Prozess anwenden. Mittels zeitaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie können die Ergebnisse zeitaufgelöster Langmuir-Doppelsondenmessungen bestätigt werden. In Kombination ermöglichen diese Verfahren die Untersuchung von Elementarprozessen in der Entladung.

Mit Fe-Pd-Legierungen nahe der Zusammensetzung Fe70Pd30 kann man aufgrund des thermischen oder magnetischen Formgedächtniseffekts große Dehnungen erzeugen. Daher sind sie für Mikro- und Nanoaktoren sowie Sensoren von großem wissenschaftlichen und technologischen Interesse. Im Vergleich zu Massivmaterial und dünnen Schichten erwartet man für eindimensionale Geometrien wie Nanodrähte deutlich höhere Arbeitsfrequenzen und Dehnungen. Zur Herstellung von Nanodrähten eignet sich die elektrochemische Abscheidung in selbstordnende nanoporöse Membranen als effizienteste Methode gegenüber lithographischen oder physikalischen Methoden. Um den Formgedächtniseffekt auch in Fe-Pd-Nanodrähten mit ca. 30 at.% Pd zu nutzen, werden in dieser Arbeit entsprechende Herstellungsbedingungen wie Elektrolytsystem, Abscheideparameter und Nachbehandlung herausgearbeitet. Die Zusammenhänge zwischen Abscheidebedingungen und Morphologie, lokaler Mikrostruktur, Struktur sowie magnetischen Eigenschaften werden untersucht und bewertet. Es wird gezeigt, dass Fe-Pd-Nanodrähte trotz der Kombination aus edlem und unedlem Metall elektrochemisch hergestellt werden können. Ein komplexierter Fe-Pd-Elektrolyt in Kombination mit optimierten alternierenden Abscheidepotentialen führt reproduzierbar zu durchgehenden, nahezu defektfreien Nanodrähten nahe der Zusammensetzung Fe70Pd30. Mit einer nachträglichen Wärmebehandlung erreicht man eine vollständige Umwandlung der Fe-Pd-Legierung von der kubisch raumzentrierten zur kubisch flächenzentrierten Struktur. Die erfolgreiche Herstellung dieser Nanodrähte stellt eine Schlüsselposition auf dem Weg zu formgedächtnisbasierten Nanoaktoren dar. In dieser Arbeit konnten wichtige Ansatzpunkte zur Strukturkontrolle während der elektrochemischen Abscheidung und somit zur Aktivierung des Formgedächtniseffekts identifiziert werden. / Fe-Pd alloys at about 30 at.% Pd allow obtaining high length changes or strains in the percent range due to thermal or magnetic shape memory effect. They are especially promising candidates for smart and intelligent materials in micro- and nanoactuators as well as sensors. In comparison to bulk materials and thin films the utilization of nanowires promises higher actuation frequencies and strains, which further heighten the scientific and technological interest. Electrodeposition within self-organized nanoporous templates is a very time efficient method to prepare even large arrays of Fe-Pd nanowires of different length and diameter compared to lithographic or physical methods. The aim of this work is to exhibit the preparation conditions such as electrolyte system, deposition parameter and post treatment for shape memory active Fe-Pd nanowires at about 30 at.% Pd. Correlations between morphology, local microstructure, structure and magnetic properties are investigated and evaluated. Fe-Pd nanowires are successfully prepared by electrodeposition despite the combination of noble Pd and less noble Fe metals. The usage of an electrolyte with complexed Fe and Pd ions and an optimized alternating potential deposition regime leads to continuous and almost defect free nanowires close to the composition Fe70Pd30. The complete transition from the bcc to fcc structure of the Fe-Pd alloy is achieved by an additional heat treatment. However, the successful preparation of these nanowires represents a key element towards nanoactuators based on shape memory alloys. Fundamental knowledge about electrochemical preparation of Fe-Pd nanowires is gained. Important starting points towards structure control during deposition and activation of the shape memory effect are identified.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der galvanischen Legierungsabscheidung für die Systeme Cu-Pb, Ag-Pb und Au-Pb. Es konnte nachgewiesen werden, dass es zur Bildung stark übersättigter Mischkristalle kommt, deren Struktur- und Gefügeeigenschaften direkte Abhängigkeiten von den Abscheidebedingungen zeigen. Es treten für die Einzelsysteme Unterschiedlichkeiten auf, die in direkten Zusammenhang mit dem Gitteraufbau der Matrixelemente gebracht werden können. Besonderes Interesse verdient die Härte der Schichten, die im Vergleich zu schmelzmetallurgischen Legierungen um Größenordnungen höher liegt. Bei Wärmebehandlung unter Schutzgas- oder Sauerstoffatmosphäre sind Cu-Pb-Schichten durch Erholungsvorgänge und Ag-Pb-Schichten durch eine partielle Rekristallisation gekennzeichnet. Bei innerer Oxydation des Bleis kommt es im System Cu-Pb zu einer signifikanten Härtesteigerung, während im System Ag-Pb kein Einfluss auf die Härte beobachtet werden kann.

Mittels eines elektrolytischen Verfahrens war es möglich Gold(I)-Dithioharnstoff- Methansulfonat darzustellen. Dabei konnte auf den Einsatz von Cyaniden, Sulfiden, Sulfiten und Thiosulfaten verzichtet werden. Eine zeitintensive Synthese, über Gold(III) mit anschließendem Reduktionsschritt zum Gold(I), kann damit entfallen. Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonat wurde durch anodische Auflösung metallischen Goldes in 5% iger Methansulfonsäure hergestellt, wobei sich im Masseverhältnis zu Gold von 1,2:1 Thioharnstoff im Anolyt befand. Als optimale Stromdichte wurden 0,5 A/dm² bis zu 4 A/dm² ermittelt. Die Stromdichte zeigte deutliche Abhängigkeiten von der eingesetzten Membran und vom Säuregehalt im Elektrolyten. Die Nutzung von Membranen der Firma Nafion® zeigten zur Trennung des Kathoden- und Anodenraums die besten Ergebnisse unter den eingesetzten Membranen. Die direkte Ausbeute bezogen auf das eingesetzte Gold von bis zu 85% zeigt, dass eine mit der Herstellung von Kaliumdicyanoaurat(I) vergleichbare Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann. Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonat ist stabil und kann trocken, lichtgeschützt und unter Luftabschluss mindesten 12 Monate gelagert werden. Aus der elektrochemischen Herstellung stammendes Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonat konnte durch Zusatz von Ethanol und anschließender Vakuumdestillation bei maximal 60°C kristallisiert werden. Die Kristalle konnten mit Ethanol aufgenommen und erneut kristallisiert werden, um Sie für eine Röntgen-Einkristall-Struktur-Analyse und zur weiteren Charakterisierung zu nutzen. Die an Kristallen an der Technischen Universität Chemnitz durchgeführten, umfangreichenUntersuchungen sind in Kapitel C.2. dargelegt. Sie bestätigen den Au(I)-Charakter des im Komplex vorliegenden Goldes. Der Gold(I)-Dithioharnstoff Methansulfonat-Komplex kristallisiert in der monoklinen Raumgruppe C2/c mit einem Molekül in asymmetrischer Koordination. Das Gold(I)-Ion wird durch zwei Thioharnstoff Liganden (Au1 – S1 2,2774(14) Å und Au1 – S2 2,2727(14) Å) linear koordiniert. Der sich dabei ergebende Winkel (S1–Au1–S2) wurde mit 179,50(5) ° ermittelt. Die planaren Thioharnstoff-Moleküle (rmsd = 0.0055 / 0.0056 Å) [72] zeigen eine Flugblattstruktur mit einer C1-S1-S2-C2-Torsion von 113°. Im 13C{1H} - NMR-Spektrum erscheint das C=S-Kohlenstoffatom bei einer charakteristischen Resonanz bei 175,3 ppm, was als Merkmal für diese Art der Gruppierung erwartungsgemäß um 8,5 ppm im Vergleich zu nicht komplexiertem Thioharnstoff im Hochfeld verschoben ist [82]. Das Auftreten von zwei Vibrationen im IR Spektrum bei 1.193 cm-1 (Vas (SO3)) und 1.058 cm-1 (Vas (SO3)) zeigt, dass ein nichtkoordiniertes Mesylat-Anion vorliegt [84]. Das thermische Verhalten wurde durch Thermogravimetrie (TG), gekoppelte Thermogravimetrie-Massenspektrometrie (TG-MS) und Differential Scanning Calorimetry (DSC) untersucht. Die Zersetzung von Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonat erfolgte in vier Schritten mit einem Gesamtgewichtsverlust von 56,3% im Bereich von 200 - 650 ° C. Das Verhalten bei der thermischen Zersetzung unter Stickstoff-bzw. Sauerstoffatmosphäre ist unter dem Gesichtspunkt Gewichtsverlust praktisch identisch, wobei der letzte Zersetzungsschritt unter Sauerstoff bei niedrigeren Temperaturen (N2 650°C; O2 616°C) beendet ist. Die jeweiligen Rückstände bei 800°C liegen für beide Messungen mit 43,8% geringfügig unter dem berechneten Wert für elementares Gold (44,3%). Es wurden durch Erhitzen einer 1-Hexadecylamin (C16H35N, 4,0 mM) -Lösung mit Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonat an der Technischen Universität Chemnitz bei Prof. Heinrich Lang, Professur Anorganische Chemie, durch Frau Dr. Andrea Preuß und Alexander Kossmann Nanopartikel hergestellt. Diese wurden zur weiteren Untersuchung in Hexan dispergiert und waren so mehrere Tage stabil. Das UV/VIS-Spektrum in Hexan zeigte aufgrund der charakteristischen Oberflächenplasmonresonanz (SPR) der Au-NPs eine breite Absorption bei 528 nm [94]. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie wurden die Partikelgrößen und deren Verteilung untersucht. Dabei wurden hauptsächlich kugelförmige Partikel mit einem mittleren Durchmesser von d = 14,5 nm und einer Standardabweichung von σ = 3,9 nm (Größenänderung cv = 27%) erhalten. Untersuchungen zur Eignung des gewonnenen Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonats zur CCVD-Beschichtung von Oberflächen mittels des „Atmospheric Pressure Combustion Chemical Vabour Deposition (CCVD)-Verfahrens wurden an der Technischen Universität Chemnitz, bei Prof. Heinrich Lang, Professur Anorganische Chemie, durch Andrea Preuß in Zusammenarbeit mit Innovent e.V. Jena, Dr.-Ing. Björn Kretzschmar, Dr. Andreas Heft und Dr. Bernd Grünler durchgeführt. [95]. Es konnten mit Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonat, als metallhaltige Ausgangsverbindung in Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Goldschichten abgeschieden werden die zwischen 1,3 at% bis zu 13,3 at% Gold aufwiesen (at = Flächenanteil). Die abgeschiedenen Partikel zeigten dabei eine poröse Struktur. Eine XPS-Tiefenprofilmessung zeigte das vorwiegend Au(0), neben Au2O3 abgeschieden wurde. Die mittels CCVD abgeschiedenen Goldschichten wurden in der heterogenen Katalyse zur Reduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol mit NaBH4 verwendet. Die höchste katalytische Aktivität lag bei Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonat, von allen untersuchten Goldverbindungen und damit erzeugten Schichten, vor [95]. Untersuchungen zur Nutzung des Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonats zur galvanischen und außenstromlosen Beschichtung von Materialien wurden an der Hochschule Mittweida, Fakultät Ingenieurwissenschaften, bei Prof. Köster, Professur Fertigungs- und Oberflächentechnik, durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass eine für technische Anwendungen geeignete galvanische Abscheidung von Gold aus Gold(I)-Dithioharnstoff-Methansulfonat aus den untersuchten Elektrolyten nicht erreicht werden konnte. Aus einer Vielzahl ausgewählter Additive konnte mit dem AUROSAX-Badadditiv 2-050 ein außenstromloser Elektrolyt gefunden werden, der nach den bisher vorliegenden Untersuchungen zur Vergoldung von Leiterplatten geeignet ist.

Die Entwicklung der Mikroelektronik wird durch eine fortschreitende Miniaturisierung der Bauelemente geprägt. Infolge einer Reduzierung der Querschnittflächen von Leitbahnstrukturen erhöht sich die elektrische Leistungsdichte und das Metallisierungssystem bestimmt zunehmend die Übertragungsgeschwindigkeiten. Kupfer repräsentiert hierbei das verbreitetste Leitbahnmaterial und wird vorwiegend mittels elektrochemischer Abscheidung in vergrabene Damaszen-Strukturen eingebracht. Die vorliegende Dissertation beschreibt Möglichkeiten für eine Optimierung von Kupferleitbahnen für höchstintegrierte Schaltkreise. Von besonderem Interesse sind hierbei die Gefügequalität und der Reinheitsgrad. Es erfolgen umfangreiche werkstoffanalytische und elektrochemische Untersuchungen zur Charakterisierung von Depositionsmechanismen, des Einbaus von Fremdstoffen, des Mikrogefüges nach der Abscheidung und der Mikrogefügeumwandlung. In einem abschließenden Forschungsschwerpunkt werden Kupfer-Damaszen-Teststrukturen mit unterschiedlichen Gehalten nichtmetallischer Verunreinigungen hergestellt und entsprechenden Lebensdauerexperimenten unterzogen. Hierdurch gelingt eine Evaluierung des Einflusses jener Verunreinigungen auf die Elektromigrationsbeständigkeit von Kupferleitbahnen. Die Arbeit umfasst daher das gesamte Spektrum von der Grundlagenforschung bis zur Applikation von elektrochemisch abgeschiedenen Kupferdünnschichtmetallisierungen.

The aim of this work was to investigate the effects that a magnetic field can induce during the electrodeposition of Ni and Ni-Fe alloys. Special regard was given to mass transport controlled effects. Magnetic field effects on the nucleation and growth of ferromagnetic layers and on the properties of electrodeposited layers (like grain size, texture, morphology or roughness) were investigated. The influence of a magnetic field on the magnetic properties of Ni layers and on the composition of Ni-Fe alloys was also studied. Nucleation and growth of thin Ni layers on gold electrodes under a superimposed magnetic field were analysed in-situ with the Electrochemical Quartz Crystal Microbalance technique. Three theoretical models were chosen for characterizing the Ni nucleation: Scharifker-Hills (SH), Scharifker-Mostany (SM) and Heerman-Tarallo (HT). The AFM images proved that more nuclei appear in a magnetic field in the case that the Lorentz force and the natural convection act in the same direction. From all the models, the HT model gave the best agreement with the AFM results. When the Lorentz force and the natural convection act in the same direction, an increase of the Ni partial current with the magnetic field was obtained. When they act in opposite directions, the Ni current was influenced just at the beginning of deposition (first 10 seconds). At longer times, the magnetic field has no effect on the Ni current. However, the total current (jNi+jHER) decreases with the magnetic field. In the absence of a macroscopic MHD convection, the Ni current decreases with the magnetic field the first 10-15 seconds of deposition. On longer time scales no influence of the magnetic field could be noticed for this configuration. When the magnetic field was applied perpendicular to the electric current, an increase of the hydrogen evolution reaction (HER) with the magnetic flux density was noticed. Hydrogen reduction is mass transport controlled. Therefore, the magnetic field will increase the limiting current of the HER. Optical microscopy images showed that the hydrogen bubbles were circular in the absence of the MHD convection and that they presented a tail when a Lorentz force was present. The direction of the tail depends on the net force induced by the natural and MHD convections. The interplay between the natural and MHD convections proved to be important during Ni-Fe alloy deposition, too. When the Lorentz force and the natural convection act in the same direction, an increase of the Fe content of the alloys with the magnetic field was observed. When the Lorentz force was perpendicular to the natural convection, no significant changes were observed in the composition of the layers. The alloy composition did not change with the magnetic field when the electric current was parallel to the magnetic field lines. Two surfactants were used in the case that Ni was electrodeposited from a sulfamate bath: SDS and sulfirol 8. The Ni layers obtained from a sulfamate bath with sulfirol 8 presented larger grains compared to the layers deposited from a bath free of surfactants. This increase of the grain size was attributed to the incorporation of the surfactant in the deposit. Coarser layers were obtained in a magnetic field (applied perpendicular to the electric current) when the electrodeposition was done from an electrolyte with surfactants. The number of grains increased with the magnetic field for the Ni layers electrodeposited from a bath free of surfactants and for a bath with SDS. As a consequence, the grain size decreased. In the case of the electrolyte with sulfirol 8, the number of grains decreased with the magnetic field, and their size increased. For the Ni-Fe alloys, which contained less than 10 at% Fe, the preferred crystalline orientation changes from (220), in the absence of a magnetic field, to (111), (when the magnetic field was applied perpendicular to the electric current). When the magnetic field lines were parallel to the electric current, both the (111) and (220) textures were preferred in almost the same proportion. As a general conclusion of this work it can be said that by choosing the right experimental condition, one can improve the morphology and the properties of the deposited layers by applying a magnetic field. At the same time, the mass transport processes can be influenced by a magnetic field.

The discovery of superconductivity in ceramic materials by Bednorz and Müller [2, 3] in early 1987, immediately followed by Wu et al. [4, 5] who showed that YBa2Cu3O7−x (YBCO) becomes superconducting (92K) well above the boiling point of nitrogen (77K) created a great excitement in superconductivity research. Potential applications of high Tc-superconductors require large critical currents and high-applied magnetic fields. Effective ways to increase the critical current density at high magnetic fields in YBCO are the introduction of nanoparticles and chemical substitution of yttrium by other rare earth elements. Since low costs and environmental compatibility are essential conditions for the preparation of long length YBCO films, the cost effective chemical solution deposition (CSD) procedure was selected, given that no vacuum technology is required. To reveal the flexibility and the good optimization possibilities of the CSD approach two main processes were chosen for comparison: a fluorine-free method, namely the polymer-metal precursor technique, and a fluorine-based method, the metalorganic deposition (MOD) using the trifluoroacetates (TFA) technique. Sharp transition temperature widths DTc of 1.1K for the polymer metal method, 0.8K for TFA method and critical current densities Jc of _3.5MA/cm2 shows that high quality YBCO thin films can be produced using both techniques. Especially interesting is the magnetic field dependence of the critical current density Jc(B) of the Y(Dy)BCO (80 %) films showing that for the lower magnetic fields the critical current density Jc(B) is higher for a standard YBCO film, but at fields higher than 4.5T the critical current density Jc(B) of Y(Dy)BCO is larger than that for the YBCO. Above 8T, Jc(B) of the Y(Dy)BCO film is more than one order of magnitude higher than in pure YBCO film. / Die Entdeckung der Supraleitung in keramischen Materialien durch Bednorz und Müller 1987 und die kurz darauf folgende Beobachtung von Wu et al., dass YBa2Cu3O7−x (YBCO) supraleitende Eigenschaften deutlich oberhalb (92K) des Siedepunktes von Stickstoff (77K) aufweist, führten zu einer enormen Intensivierung der Forschung hinsichtlich neuer supraleitender Materialien sowie deren Eigenschaften und möglichen Einsatzgebieten. Potentielle Anwendungsgebiete für diese neuen Hochtemperatur-Supraleiter erfordern hohe kritische Stromdichten und hohe kritische Feldstärken. Effektive Wege zur Erhöhung der kritischen Stromdichte in starken Magnetfeldern in YBCO sind der Einbau von Nanoteilchen oder die chemische Substitution von Yttrium durch ein anderes Seltenerd-Element. Da niedrige Kosten und gute Umweltverträglichkeit wichtige Voraussetzungen für die Herstellung von YBCO-Schichten großer Länge darstellen, werden in dieser Arbeit die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten der Chemischen Lösungsabscheidung (chemical solution deposition - CSD) untersucht. CSD Prozesse sind besonders gut geeignet, weil sie keine Vakuum-Technologie erfordern und einen hohen Grad an Flexibilität garantieren. Zur Demonstration der guten Optimierbarkeit werden zwei wichtige CSD-Verfahren miteinander verglichen: die Polymer-Metall Precursor Technik - eine Fluor-freie Methode - und die metallorganische Abscheidung mittels Trifluoroacetat (TFA-MOD), bei der Fluor zum Einsatz kommt. Scharfe supraleitende Übergänge (Polymer-Metall Precursor Technik: DTc = 1.1K; TFA -MOD: DTc = 0.8K) sowie hohe kritische Stromdichten von ca. 3.5MA/cm2 (B= 0 T) zeigen, dass mit beiden Verfahren dünne YBCO-Schichten hoher Qualität hergestellt werden können. Außerdem bieten CSD-Verfahren durch die hervorragende Kontrollierbarkeit der Stöchiometrie des Precursors die Möglichkeit Yttrium teilweise oder vollständig durch andere Seltenerd-Metalle zu ersetzen und damit die kritische Stromdichte in hohen Magnetfeldern deutlich zu erhöhen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass besonders die TFA-Methode besonders geeignet ist, um (RE)BCO-Schichten (RE: rare earth) herzustellen. Untersucht wurden verschiedene Zusammensetzungen mit Sm, Dy und Ho. Außerordentlich interessant sind dabei die Ergebnisse für Y(Dy)BCO-Schichten. Schichten mit einem Dy-Gehalt von 80 % zeigen oberhalb von 4.5T deutlich höhere kritische Stromdichten als reine YBCO Schichten. Bei Magnetfeldern größer als 8T beträgt der Unterschied mehr als eine Größenordnung.

Konische Mikro- und Nanostrukturen besitzen spezifische magnetische, superhydrophobe und elektrokatalytische Eigenschaften und sind deshalb von hohem Interesse für eine Vielzahl von Anwendungen. Eine einfache und kostengünstige Methode zur Synthese dieser strukturierten Schichten ist die elektrochemische Abscheidung. Neben dem Einsatz von Capping-Reagenzien (engl. Capping agents) könnten Magnetfelder das lokale Konuswachstum auf einer planaren Elektrode unterstützen. In der vorliegenden Dissertation wird die Elektroabscheidung an konisch strukturierten Metallschichten in Magnetfeldern untersucht. Je nach Ausrichtung und Stärke des Magnetfeldes können die Lorentzkraft und die magnetische Gradientenkraft die Strömung des mit Metallionen angereicherten Elektrolyts in Richtung der Konusspitze gezielt antreiben. Folglich erhöht das Magnetfeld die lokale Abscheidungsrate und fördert das Konuswachstum. Für ein grundlegendes Verständnis des Effektes werden systematische numerische und theoretische Untersuchungen für die Elektroabscheidung an mm-großen Konen unterschiedlicher Materialien, Formen und Anordnungen unter verschiedenen elektrochemischen und magnetischen Bedingungen durchgeführt. Ein parallel zur Konusachse ausgerichtetes homogenes externes Magnetfeld erzeugt durch die Magnetisierung der ferromagnetischen Konen eine magnetische Gradientenkraft, die zu einer starken Unterstützung für das Konuswachstum führt. Dabei überwiegt sie oft gegenüber der Lorentzkraft und der Auftriebskraft, die durch Elektrodenreaktionen entsteht. Diese unterstützende Wirkung wird nur geringfügig abgeschwächt, wenn sich benachbarte Konusse einander annähern. Die numerischen Ergebnisse werden durch experimentelle Daten für verschiedene Konfigurationen und Abscheidungsparameter validiert. Um den Effekt der Magnetfelder zur Unterstützung des Wachstums kleinerer konischer Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich zu ermitteln, werden die Skalengesetze für die Geschwindigkeiten der magnetisch angetriebenen lokalen Strömungen beim Verkleinern der Konusgröße aus numerischen Simulationen abgeleitet und durch eine analytische Lösung bestätigt. Obwohl die magnetische Gradientenkraft eine günstige Strömung bei ferromagnetischen Konussen erzeugt, limitieren die kleine Größe der Strömungsregion und die nahezu konstant verbleibende Dicke der Konzentrationsgrenzschicht die Unterstützung der Magnetfelder. Diese kann jedoch durch die Anwendung gepulster Ströme sowie moderat auch durch den Einsatz stärkerer Magnetfelder weiter erhöht werden. Weiterhin wird eine einfache Modellierung entwickelt, um den Einfluss von Capping-Reagenzien bei der Abscheidung von Nano-Strukturen numerisch zu simulieren. Experimentelle Resultate der von Partnern in Krakau durchgeführten Elektroabscheidung von nanostrukturierten Ni-Schichten in magnetischen Feldern werden mittels Simulationen sowohl globalen Zellströmung als auch der lokalen Strömung analysiert. Die Betrachtung beider Aspekte liefert eine Interpretation der experimentellen Ergebnisse und ermöglicht ein besseres Verständnis der Wirkung des capping agents. Zum Schluss wird der Einfluss der Wasserstoff-Nebenreaktion einbezogen. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass an der Konusspitze sitzende Wasserstoffblasen das Konuswachstum verringern können. Gleichzeig wird die durch die magnetischen Kräfte getriebene Strömung die Ablösung der Wasserstoffblase geringfügig verzögern. / Micro- and nano-sized conical structures possess specific magnetic, superhydrophobic and electrocatalytic properties and are therefore attractive for numerous applications. Among the various methods of manufacturing such structured layers, electrodeposition appears a simple and inexpensive method. Beside the use of capping agents, the application of magnetic fields could support the local growth of cones on a non-templated planar electrode. This dissertation investigates electrodeposition at conically structured metal layers in external magnetic fields. Depending on the direction and the intensity of the magnetic field, the Lorentz force and the magnetic gradient force can generate electrolyte flow and bring electrolyte enriched with metal ions towards the cone tips. As a result, the local deposition rate is increased and conical growth is promoted. In order to obtain a basic understanding of the magnetic field effects, systematic numerical and theoretical investigations are performed for electrodeposition at mm-sized cones of different materials, shapes and arrangements under different electrochemical and magnetic conditions. If a uniform external magnetic field is oriented parallel to the cone axis, the magnetic gradient force enabled by the magnetization of ferromagnetic cones provides a strong support for conical growth, thereby often dominating over the Lorentz force and the buoyancy force arising from electrode reactions. This supporting effect is only slightly mitigated when neighboring cones are getting closer. The numerical results shown are validated by experimental data for different configurations and deposition parameters. In order to explore the prospects of magnetic fields to enhance the growth of smaller, micro- and nanometer sized conical structures, scaling laws of the local flows driven by the magnetic forces are derived numerically and confirmed analytically for shrinking cone sizes. Although the magnetic gradient force can generate a beneficial flow at ferromagnetic cones, the small flow region and the nearly constant thickness of the concentration boundary layer limit the support of the magnetic field. Enhancements of the structuring effect are observed for pulsed deposition and, despite only moderately, at higher magnetic field intensities. Furthermore, a simplified modeling approach is developed to simulate the growth mechanism of nano-cones with respect to the influence of capping agents. Experimental results of the electrodeposition of Ni cones in magnetic fields obtained by partners in Krakow are analyzed by performing simulations of both the global cell flow and the local flows generated by magnetic fields of different orientations. This two-step approach provides an interpretation of the experimental results, and gives a deeper insight on how the capping agent influences the local growth. Finally, the impact of the hydrogen side reaction on the electrodeposition in magnetic fields is considered. The numerical results indicate that hydrogen bubbles sitting at the cone tips may damp conical growth, while the magnetic-field-driven flow imposes a weak stabilizing force on the bubble.

An electrophoretic deposition (EPD) process of micro-quartz (MQ) powder is applied to carbon fibers (CFs) with the aim to enhance their interfacial bond to cementitious matrices and to investigate its influence on the microstructural and mechanical properties of the CFs itself. The electrophoretic mobility of the MQ particles with negative charge in aqueous media was confirmed by potential sweep experiments and zeta-potential measurements. High amounts of MQ were successfully deposited onto the fiber surface, as proven by scanning electron microscopy. Single-fiber tension tests and thermogravimetric analysis showed that EPD treatment had little impact on the tensile properties and thermal stability of the modified fibers. However, storing the CFs in cement pore solution impaired temperature stability of untreated and modified fibers. X-ray diffraction and Raman spectroscopy reveal specific changes of CF's microstructure upon EPD treatment and immersion in pore solution. Single-fiber pullout tests showed that the pullout resistance of MQ-modified CFs was enhanced, relative to untreated CFs. This augmentation can be explained by an enhanced interlocking mechanisms between CF and matrix due to the deposited quartz particles on the CF surface.