In der Milchindustrie spielt die Auswahl der Starterkulturen eine wichtige Rolle bei der Herstellung fermentierter Produkte mit gewünschter Textur und entsprechenden sensorischen Eigenschaften. Milchsäurebakterien mit der Fähigkeit extrazelluläre Polysaccharide (EPS) zu synthetisieren sind von besonderem Interesse, da auf Grund der in situ gebildeten Hydrokolloide der Einsatz von Zusatzstoffen vermieden werden kann. Die Wirkung von EPS auf die Produkt-eigenschaften ist in der Literatur bereits mehrfach beschrieben, wird jedoch auf Grund der Vielzahl an unterschiedlichen Stämmen und Fermentationsparametern bzw. einer fehlenden Systematisierung immer noch sehr kontrovers diskutiert. Des Weiteren stellt die wissenschaftliche Aufklärung der komplexen Struktur-Funktionsbeziehungen und der Wechselwirkungen mit anderen Produktkomponenten eine große Herausforderung dar. Um die Zusammenhänge besser verstehen zu können, wurde in dieser Arbeit ein neuer Ansatz gewählt: isolierte und aufgereinigte EPS wurden der Milch vor der Säuerung zugesetzt und die daraus hergestellten Milchgele mit jenen mit in situ produzierten EPS verglichen. In Milchgelen aus Einzelstammkulturen von Streptococcus thermophilus oder Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus wurden EPS‑Gehalte von 40 - 150 mg/kg ermittelt. Die Gele unterschieden sich hinsichtlich ihrer Viskosität und ihres fadenziehenden Charakters, was erste Hinweise auf die Art der gebildeten EPS liefert. Die Synthese größerer Mengen an EPS zur Charakterisierung und Untersuchung ihrer Funktionalität erfolgte entkoppelt von der Produkt­herstellung mit ausgewählten Stämmen in Batch-Fermentationen mit konstantem pH in komplexen oder semidefinierten Medien. S. thermophilus ST‑143 produzierte ~ 300 mg/L fadenziehende EPS, die durch entsprechende Aufreinigungsschritte als drei EPS‑Fraktionen gewonnen werden konnten: freie EPS (EPSf), kapsuläre EPS (EPSk) und ein Gemisch aus beiden (EPSf+k). EPSf haben eine höhere Molekülmasse (M = 2,6 x 10^6 Da) und eine höhere intrinsische Viskosität (1,14 mL/mg) im Vergleich zu EPSk (M = 7,4 x 10^3 Da, 1,4 x 10^5 Da; intrinsische Viskosität = 0,06 mL/mg) und führten bereits in geringen Mengen zu rheologischen Veränderungen. Allerdings scheinen die EPSk Wechselwirkungen zwischen EPSf Molekülen zu unterstützen. In chemisch gesäuerten Milchgelen konnte durch den definierten Zusatz aufgereinigter Fraktionen von EPSf und EPSf+k vor der Säuerung (c = 0 - 0,35 mg/g) erstmals eine konzentrationsabhängige Wirkung aufgezeigt werden. Mit EPSf stieg der maximale Speichermodul der Milchgele als Maß für die Gelsteifigkeit linear an (457 - 722 Pa). EPSk zeigten hingegen keinen Einfluss. Als Modellpolysaccharid wurde vergleichend das gut beschriebene, ebenfalls ungeladene und nicht gelbildende Homopoly­saccharid Dextran herangezogen (c = 0 - 300 mg/g). EPSf und Dextran veränderten die Gelbildung, erhöhten die Steifigkeit stichfester Gele und die Viskosität gerührter Gele in ähnlichem Maße, es waren jedoch deutlich unterschiedliche Konzentrationen notwendig. Die in den Milchgelen beschriebenen Einflüsse können unter anderem auf Depletionseffekte zwischen gleichgeladenen Polymeren (hier Proteine und Polysaccharide) zurückgeführt werden. / The selection of suitable starter cultures for the production of fermented milk with a desired texture and corresponding sensory attributes is of great importance for the dairy industry. Lactic acid bacteria with the ability to synthesise extracellular polysaccharides (EPS) are of particular interest, because these in situ produced hydrocolloids may allow to omit the use of additives. Many effects of EPS on product properties are already described in the scientific literature, but are still discussed controversially because of the multitude of different strains and fermentation parameters and, hence, a lack of systematisation. Furthermore, research on the mechanisms behind the structure-function relationship and interactions with other product components is a challenging area. To obtain a deeper understanding of this complex system, a new approach was chosen for the present study: EPS were isolated, purified and added to the milk prior to acidification, and the respective milk gels were compared with those with in situ produced EPS. In milk gels acidified by single strains of Streptococcus thermophilus or Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus, EPS contents of 40 - 150 g/kg were determined. The gels differed in viscosity and their ropy character, which is a first indicator for the type of the EPS. To allow for their chemical and technofunctional characterisation, the synthesis of higher amounts of EPS was performed by batch-fermentation at constant pH and decoupled from the product manufacturing with selected strains in complex or semidefined media. S. thermophilus ST‑143 synthesised ~ 300 mg/L ropy EPS, which were isolated as three different EPS fractions by applying particular purification steps: free EPS (EPSf), capsular derived EPS (EPSk) and a mixture of both EPS (EPSf+k). EPSf had a higher molecular mass (M = 2.6 x 10^6 Da) and a higher intrinsic viscosity (1.14 mL/mg) compared to EPSk (M = 7.4 x 10^3 Da, 1.4 x 10^5 Da; intrinsic viscosity = 0.06 mL/mg) and affected the rheological properties of aqueous solutions already at low concentration. However, EPSk appear to support interactions between the EPSf molecules. In chemically acidified milk gels a concentration dependent impact of EPSf and EPSf+k, which were added to the milk prior to acidification (c = 0 - 0,35 mg/g), was described for the first time. The maximum of the storage modulus as a measure for stiffness of the milk gels linearly increased with EPSf content (457 - 722 Pa). With EPSk no effects were observed. For the purpose of comparison dextran, a well described also uncharged and non gelling homopolysaccharide, was used as a model polysaccharide (0 - 300 mg/g). EPSf and dextran affected the gelation, increased gel stiffness of set gels and viscosity of stirred gels to a similar way, but the concentrations needed for that found to be completely different. The effects described for milk gels can be ascribed among others to depletion interactions between similar charged polymers (here proteins and polysaccharides).

This work presents a 6.5-kV 1-kA SiC bipolar diode module for megawatt-range medium voltage converters. The study comprises a review of SiC devices and bipolar diodes, a description of the die and module technology, device characterization and modelling and benchmark of the device at converter level. The effects of current change rate, temperature variation, and different insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules for the switching cell, as well as parasitic oscillations are discussed. A comparison of the results with a commercial Si diode (6.5 kV and 1.2 kA) is included. The benchmark consists of an estimation of maximum converter output power, maximum switching frequency, losses and efficiency in a three level (3L) neutral point clamped (NPC) voltage-source converter (VSC) operating with SiC and Si diodes. The use of a model predictive control (MPC) algorithm to achieve higher efficiency levels is also discussed. The analysed diode module exhibits a very good performance regarding switching loss reduction, which allows an increase of at least 10 % in the output power of a 6-MVA converter. Alternatively, the switching frequency can be increased by 41 %.:1 Introduction 2 State of the art of SiC devices and medium-voltage diodes 2.1 Silicon carbide diodes and medium-voltage modules 2.2 Medium-voltage power diodes 3 Characterization of the SiC PiN diode module 37 3.1 Introduction 3.2 Experimental setup 3.3 Experimental results: static behaviour 3.4 Experimental results: switching behaviour 3.5 Comparison with 6.5-kV silicon diode 3.6 Oscillations in the SiC diode 3.7 Summary 4 Comparison at converter level 4.1 Introduction 4.2 Power device modelling 4.3 Determination of maximum converter power rating 4.4 Analysis 4.5 Increased efficiency through model predictive control 4.6 Summary 5 Conclusion

Die Anforderungen an schnelle Dioden sind sehr hoch für große Spannungen und große Ströme. Die Beeinflussung des Bauelementverhaltens durch das Design des Dotierprofils mit einem tiefen mehrstufigen Feldstopp aus Selen bildet einen zentralen Punkt der Dissertation. Mit physikalischen Messverfahren werden die in der Literatur nur unzureichend untersuchten Eigenschaften von Selen in Silizium erfasst und als Basis für Bauelementsimulationen verwendet. Für die Untersuchung der Störstelleneigenschaften kommt die klassische aufwändige DLTS zum Einsatz. Des Weiteren werden für diese Untersuchungen die Vorteile der einfacheren frequenzabhängigen Admittanzspektroskopie ausführlich dargelegt. Anhand der Bauelementsimulationen erfolgt ein Vergleich mit Messungen und führt zur Vorstellung und Erläuterung einer verbesserten soften und robusten Diodenstruktur mit tiefen Donatoren aus Selen. / The focus of the following work is the correlation between the field-stop design and the behaviour of high-voltage power diodes. The objective is to present a further improvement of the diode performance using a special field-stop, which optimizes the diode in relation to a soft switching behaviour and an increased robustness. The function of such a field-stop is investigated. Benefits are shown of materials for field-stops with deep impurities in the semiconductor material and of multiple stepped deep field-stop structures. Therefore a central role have silicon diodes with selenium in the field-stop layer. Measurements and simulations with the power device simulator Sentaurus TCAD are done and explain the named correlations. The deep level transient spectroscopy is used as method to analyse the required impurity parameters. Beside this method the evaluation is done by the introduced frequency resolved admittance spectroscopy.

Coordination complexes [M(O2CCH2OC2H4OMe)2] (M = Co, 4; M = Mn, 5) are accessible by the anion exchange reaction between the corresponding metal acetates [M(OAc)2(H2O)4] (M = Co, 1; M = Mn, 2) and the carboxylic acid HO2CCH2OC2H4OMe (3). IR spectroscopy confirms the chelating or μ-bridging binding mode of the carboxylato ligands to M(II). The molecular structure of 5 in the solid state confirms a distorted octahedral arrangement at Mn(II), setup by the two carboxylato ligands including their α-ether oxygen atoms, resulting in an overall two-dimensional coordination network. The thermal decomposition behavior of 4 and 5 was studied by TG-MS, revealing that decarboxylation occurs initially giving [M(CH2OC2H4OMe)2], which further decomposes by M–C, C–O and C–C bond cleavages. Complexes 4 and 5 were used as CCVD (combustion chemical vapour deposition) precursors for the deposition of Co3O4, crystalline Mn3O4 and amorphous Mn2O3 thin films on silicon and glass substrates. The deposition experiments were carried out using three different precursor solutions (0.4, 0.6 and 0.8 M) at 400 °C. Depending on the precursor concentration, particulated layers were obtained as evidenced by SEM. The layer thicknesses range from 32 to 170 nm. The rms roughness of the respective films was determined by AFM, displaying that the higher the precursor concentration, the rougher the Co3O4 surface is (17.4–43.8 nm), while the manganese oxide films are almost similar (6.2–9.8 nm).

The synthesis and characterization of bis(ketoiminato)magnesium(II) complexes of composition [Mg(OCR2CH2CHR1NCH2CH2X)2] (X = NMe2: 3a, R1 = R2 = Me; 3b, R1 = Me, R2 = Ph. X = OMe: 3c, R1 = R2 = Me) are reported. Complexes 3a–c are accessible by the reaction of C(O)R2CH2CHR1N(H)CH2CH2X (X = NMe2: 1a, R1 = R2 = Me; 1b, R1 = Me, R2 = Ph. X = OMe: 1c, R1 = R2 = Me) with MgnBu2. The structure of 3b in the solid state was determined by a single crystal X-ray diffraction study, confirming that the Mg(II) ion is hexa-coordinated by two ketoiminato ligands, while each of the latter coordinates with its two N- and one O-donor atom in an octahedral MgN6O2 coordination environment in the OC-6-33 stereo-isomeric form. The thermal behavior of 3a–c was studied by TG and DSC under an atmosphere of Ar and O2 respectively. The respective Me-substituted complexes 3a,c decompose at lower temperatures (3a, 166 °C; 3c, 233 °C) than the phenyl derivative 3b (243 °C). PXRD studies indicate the formation of MgO. Additionally, TG-MS studies were exemplarily carried out for 3a, indicating the release of the ketoiminato ligands. Vapor pressure measurements were conducted at 80 °C, whereby 3a,c possess with 5.6 mbar (3a) and 2.0 mbar (3c) significantly higher volatilities than 3b (0.07 mbar). Complexes 3a–c were used as MOCVD precursors for the deposition of thin MgO films on silicon substrates. It was found that only with 3a,c thin, dense and rather granulated MgO layers of thicknesses between 28–147 nm were produced. The as-deposited MgO layers were characterized by SEM, EDX, and XPS measurements and the thicknesses of the as-deposited layers were measured by Ellipsometry and SEM cross-section images. Apart from magnesium and oxygen a carbon content between 3–4 mol% was determined.

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References / Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References

Zu den wenigen Methoden, die sich für eine prozessnahe Charakterisierung von dispersen Stoffsystemen bezüglich der Partikelgrößenverteilung eignen, zählt die Schalldämpfungsspektroskopie. Dennoch ist ihr Einsatz in der industriellen Praxis auf einen überschaubaren Bereich an Messaufgaben und Stoffsystemen beschränkt. Insbesondere findet sie kaum Einsatz für die Partikelgrößenanalyse von submikronen Emulsionen. Die vorliegende Arbeit macht es sich deshalb zum Ziel, ausgehend von grundsätzlichen Überlegungen die Eignung der Schalldämpfungsspektroskopie zur prozessnahen Charakterisierung des Dispersitätszustandes von submikronen Emulsionen zu bewerten und zu verbessern. Schwerpunkte der Arbeit sind die modellhafte Beschreibung des Schalldämpfungsverhaltens von hoch konzentrierten Partikelsystemen im Submikrometerbereich, die Abschätzung des Einflusses von Emulgatoren auf die Schalldämpfung, die Erkennbarkeit von Einzelheiten der Partikelgrößenverteilung, die Sensitivität berechneter Partikelgrößenverteilungen bezüglich der Partikelkonzentration und der verschiedenen Stoffeigenschaften sowie die Auswertung von Schalldämpfungsspektren bei Unkenntnis dieser Modellparameter. Die angesprochenen Aspekte werden am Beispiel typischer Charakterisierungsaufgaben diskutiert. / The ultrasonic spectroscopy is one of few measurement methods applicable to the online characterization of disperse systems with regard to particle size distribution. However, its application in industrial practise is restricted to a rather low number of measurement tasks and material systems. In particular it is hardly used for the particle size analysis of submicron emulsions. This thesis therefore aims to the evaluation of the ultrasonic spectroscopy regarding its applicability to the online characterization of submicron emulsions. Main issues of the thesis are the modelling of sound attenuation in dense particle systems, the estimation on the influence that surfactant layers exert on sound attenuation, the resolution at which size distribution can be measured, the sensitivity of calculated size distributions to model parameters (particle concentration and material properties) and the analysis of measured attenuation spectra by unknown model parameters. The meanining of these issues are illustrated for typical characterization tasks.

Photovoltaic energy is the most promising future energy source. Therefore, strong efforts are made to improve their price-to-efficiency ratio. New technologies and materials are being involved in the production, such as poly-crystalline materials rather than mono-crystalline silicon. Some of these materials are based on copperchalcopyrite with advantageous properties like directly tunable band gap, high absorption coefficients, low deposition temperatures, low-cost materials and capability of deposition on suitable materials. However, correlation between the thin film materials characteristics and device performance are not well understood, and increasing the efficiency needs an exhaustive comprehension of the different phenomena involved in their performance, such as role of defects, doping concentrations and potentials, which requires the development of innovative techniques for the characterization. Electron holography in the TEM would be very helpful, because it allows the quantitative reconstruction of the complex object wave. The measurement of phase and amplitude of the wave makes it possible to determine the potential in the object studied. In this manner, electron holography is a powerful tool for materials characterization at nanometre scale because it relates potential distributions with structure. However, artefacts can be introduced in the measurement. Therefore, the procedure of acquisition, reconstruction and correction of artefacts of the electron holograms, fundamental for the interpretation of the results in terms of potential, are in detail presented. Moreover, the object of study exhibits challenges to the technique because of their polycrystalline structure, which introduces dynamic interaction with the electron beam sometimes stronger than the desired one. Consequently it is necessary to have an adequate measurement procedure. To overcome this limitation, a characterization method including in-situ stimuli is proposed and applied to crystalline silicon and CIGS solar cells. For this, a suitable sample preparation procedure with Focused Ion Beam (FIB) milling, and a specially designed sample holder allowing illumination with light and biasing a TEM sample are developed and applied to solar cells. As result of the work, it is shown that expectedly the electron illumination has an important influence. It produces larger generation rates than 1 sun standard illumination. As counterpart, the recombination processes occurring at the surface of the small and thin sample tend to reduce the potential generated by the illumination. As consequence, only the p-n junction potential is usually measured. To produce an appreciable effect by illumination with light, the TEM lamella must be thicker, and the illumination intensity of the light must be strongly increased. This thesis realises the first extensive study of the application of electron holography to the measurement of potentials in solar cells applying in-situ illumination and biasing. The experimental findings were corroborated by simulation calculations. They show that the processes in the objects are essentially correctly understood, however, quantitative interpretation is not yet sufficiently accurate.:1. Introduction 2 Basics of Solar Cells 3 Potential measurement by electron holography 4 Application of electron holography on solar cells 5 Design, construction, characterisation and application of a TEM holder for in-situ biasing and illumination 6 TEM sample preparation for in-situ biasing and illumination 7 Measurement of built-in potential under in-situ illumination and bias of solar cells / Photovoltaik bietet eine vielversprechende Energiequelle der Zukunft. Deshalb werden große Anstrengungen unternommen, um ihr Preis-Nutzen-Verhältnis zu verbessern. Neue Technologien und Materialien, wie poly-kristalline Materialien werden interessanter als mono-kristallines Silizium. Einige dieser Materialien beruhen auf der Basis von Kupfer-Chalkopyrit mit vorteilhaften Eigenschaften, wie direkt einstellbarer Bandlücke, hohen Absorptionskoeffizienten, niedrigen Abscheidetemperaturen und Verwendung von Low-Cost-Materialien. Allerdings ist die Korrelation zwischen den Eigenschaften der Dünnschicht-Materialien und der Leistung der Solarzellen noch nicht ausreichend verstanden, um die Effizienz weiter zu steigern. Hierfür muss ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Phänomene wie der Rolle von Defekten, Dotierungskonzentrationen und Potenzialen erreicht werden, die die Entwicklung von innovativen Techniken für die Charakterisierung erfordert. Elektronen-Holographie kann zur Beantwortung dieser Fragen beitragen, weil sie die quantitative Rekonstruktion der komplexen Objektwelle im TEM erlaubt. Die Messung der Phase und der Amplitude der Welle macht es möglich, die Objektpotentiale zu bestimmen. Auf diese Weise wird Elektronen-Holographie ein leistungsfähiges Werkzeug für die Materialcharakterisierung im Nanometerbereich, weil sie Struktur und Potentialverteilung an derselben Stelle bestimmen kann. Doch können Artefakte und Missinterpretationen entstehen. Daher sind Aufzeichnung von Elektronenhologrammen sowie Rekonstruktion und Korrektur der Objektwelle von grundlegender Bedeutung für die Interpretation der Ergebnisse und werden im Detail vorgestellt. Ein spezielles Problem von polykristallinen Materialien ist die Tatsache, dass durch unterschiedlich orientierte Kristallite unterschiedliche Innere Potentiale gemessen werden können. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass die Elektronen mit unterschiedlichen Körnern in unterschiedlicher Weise dynamisch wechselwirken; dies führt zu Phasendifferezen, die erheblich stärker sein können als die eigentlich interessanten Halbleiterpotentiale. Deshalb werden die holographischen Untersuchungen so modifiziert, dass die Objekte in-situ, beispielsweise unter Anlegen elektrischer Spannungen (“biasing”) oder Beleuchtung mit Licht, untersucht werden. Die hierzu nötigen neuen Präparationsverfahren für die Objekte werden entwickelt. Ebenso werden neue in-situ Objekthalter entwickelt, die diese Parameter gezielt zu verändern gestatten. Als Ergebnis der Arbeit wird auch gezeigt, dass die Elektronenbeleuchtung einen wichtigen Einfluss auf die gemessenen Potentialverteilungen hat. Sie produziert größere Generationsraten von Elektronen-Loch-Paaren als 1 sun (Standard-Beleuchtung). Tatsächlich werden durch Rekombinationsprozesse an der Oberfläche der Probe die induzierten Potentiale in der Solarzelle verringert. Als Folge wird in der Regel nur das Potenzial des pn-Übergang gemessen. Um eine spürbare Wirkung durch Bestrahlung mit Licht zu erzeugen, muss die TEM-Lamelle dicker gewählt werden, und die Beleuchtung muss wesentlich intensiver sein als unter normalbedingungen. Diese Dissertation realisiert die erste umfassende Studie über die Anwendung von Elektronen-Holographie für die Messung von Potenzialen in Solarzellen unter Anwendung von Biasing und in-situ-Beleuchtung. Die experimentellen Befunde wurden mit umfangreichen Simulationsrechnungen verglichen. Diese zeigen, dass die Vorgänge im wesentlichen qualitativ verstanden sind, auch wenn sie die gemessenen Potentialverteilungen quantitativ oft noch nicht mit der erwünschten Genauigkeit wiedergeben.:1. Introduction 2 Basics of Solar Cells 3 Potential measurement by electron holography 4 Application of electron holography on solar cells 5 Design, construction, characterisation and application of a TEM holder for in-situ biasing and illumination 6 TEM sample preparation for in-situ biasing and illumination 7 Measurement of built-in potential under in-situ illumination and bias of solar cells

Diese Arbeit befasst sich mit der Nanostrukturierung von magnetischen Schichtsystemen mit Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), welche in der Form von Nanosäulen in magnetoresistiven Speichern (MRAM) eingesetzt werden. Solche Nanosäulen können zukünftig ebenfalls als Nanoemitter von Mikrowellensignalen eine Rolle spielen. Dabei wird von der Auswahl eines geeigneten TMR-Schichtsystems mit einer MgO-Tunnelbarriere über die Präparation der Nanosäulen mit Seitenisolierung bis hin zum Aufbringen der elektrischen Zuleitungen eine komplette Prozesskette entwickelt und optimiert. Die Strukturen werden mittels optischer Lithographie und Elektronenstrahllithographie definiert, die anschließende Strukturübertragung erfolgt durch Ionenstrahlätzen (teilweise reaktiv) sowie durch Lift-off. Rückmeldung über Erfolg oder Probleme bei der Strukturierung geben Transmissionselektronenmikroskopie (teilweise mit Zielpräparation per Ionenfeinstrahl, FIB), Rasterelektronenmikroskopie sowie die Lichtmikroskopie. Es können so TMR-Nanosäulen mit minimalen Abmessungen von bis zu 69 nm x 71 nm hergestellt werden, von denen Nanosäulen mit Abmessungen von 65 nm x 87 nm grundlegend magneto-elektrisch charakterisiert worden sind. Dies umfasst die Bestimmung des TMR-Effektes und des Widerstandes der Tunnelbarriere (RA-Produkt). Weiterhin wurde das Verhalten der magnetischen Schichten bei größeren Magnetfeldern bis +-200mT sowie das Umschaltverhalten der magnetisch freien Schicht bei verändertem Winkel zwischen magnetischer Vorzugsachse des TMR-Elementes und dem äußeren Magnetfeld untersucht. Der Nachweis des Spin-Transfer-Torque Effektes an den präparierten TMR-Nanosäulen ist im Rahmen dieser Arbeit nicht gelungen, was mit dem zu hohen elektrischen Widerstand der verwendeten Tunnelbarriere erklärt werden kann. Mit dünneren Barrieren konnte der Widerstand gesenkt werden, allerdings führt ein Stromfluss durch diese Barrieren schnell zur Degradation der Barrieren. Weiterführende Arbeiten sollten das Ziel haben, niederohmige und gleichzeitig elektrisch belastbare Tunnelbarrieren in einem entsprechenden TMR-Schichtsystem abzuscheiden. Eine erste Auswahl an Ansatzpunkten dafür aus der Literatur wird im Ausblick gegeben.:Einleitung I Grundlagen 1 Spinelektronik und Magnetowiderstand 1.1 Der Elektronenspin – Grundlage des Magnetismus 1.2 Magnetoresistive Effekte 1.2.1 AnisotroperMagnetowiderstand 1.2.2 Riesenmagnetowiderstand 1.2.3 Tunnelmagnetowiderstand 1.3 Spin-Transfer-Torque 1.4 Anwendungen 1.4.1 Festplattenleseköpfe 1.4.2 Magnetoresistive Random AccessMemory (MRAM) 1.4.3 Nanooszillatoren für drahtlose Kommunikation 2 Grundlagen der Mikro- und Nanostrukturierung 2.1 Belacken 2.2 Belichten 2.2.1 Optische Lithographie 2.2.2 Elektronenstrahllithographie 2.3 Entwickeln 2.4 Strukturübertragung 2.4.1 Die Lift-off Technik 2.4.2 Ätzen 2.5 Entfernen der Lackmaske 2.6 Reinigung 2.6.1 Quellen von Verunreinigungen 2.6.2 Auswirkungen von Verunreinigungen 2.6.3 Entfernung von Verunreinigungen 2.6.4 Spülen und Trocknen der Probenoberfläche 3 Ionenstrahlätzen 3.1 Physikalisches Ätzen – Sputterätzen 3.2 Reaktives Ionenstrahlätzen – RIBE 3.3 Anlagentechnik 3.3.1 Parameter 3.3.2 Homogenität 3.3.3 Endpunktdetektion II Ergebnisse und Diskussion 4 TMR-Schichtsysteme 4.1 Prinzipielle Schichtfolge 4.2 Verwendete TMR-Schichtsysteme 4.3 Rekristallisation von Kupfer 4.4 Formierung der TMR-Schichtsysteme 4.4.1 Antiferromagnetische Kopplung an PtMn 4.4.2 Rekristallisation an der MgO-Barriere 4.5 Anpassung der MgO-Schicht – TMR-Effekt und RA-Produkt 4.6 Magnetische Charakterisierung 5 Probendesign 5.1 Beschreibung der vier lithographischen Ebenen 5.2 Layout für statische und dynamischeMessungen 5.2.1 Geometrie 5.2.2 Anforderungen für die Hochfrequenzmessung 5.3 Layout für Zuverlässigkeitsmessungen 5.3.1 Geometrie 5.3.2 Voraussetzungen für die Funktion 5.4 Chiplayout 5.4.1 Zusatzstrukturen 5.4.2 Anordnung der Elemente 6 Fertigung eines Maskensatzes für die optische Lithographie 6.1 Vorbereitung desMaskenrohlings 6.2 Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 6.3 Ätzen der Chromschicht 7 Ergebnisse und Diskussion der Probenpräparation 7.1 Definition der Grundelektrode 7.1.1 Freistellen der Grundelektrode 7.1.2 Gratfreiheit der Grundelektrode 7.1.3 Oberflächenqualität nach der Strukturierung 7.2 Präparation der magnetischen Nanosäulen 7.2.1 Aufbringen einer Ätzmaske 7.2.2 Ionenstrahlätzen der TMR-Nanosäule 7.2.3 Abmessungen der präparierten Nanosäulen 7.3 Vertikale Kontaktierung 7.3.1 Seitenwandisolation 7.3.2 Freilegen der Kontakte 7.3.3 Aufbringen der elektrischen Zuleitungen 7.4 Die komplette Prozesskette und Ausbeute 8 Magneto-elektrische Charakterisierung 8.1 Messung des Tunnelmagnetowiderstandes 8.2 Stabilität der magnetischen Konfiguration 8.3 Spin-Transfer-Torque an TMR-Nanosäulen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis / This thesis deals with the fabrication of nanopillars with tunnel magnetoresistance effect (TMR-effect), which are used in magnetoresistive memory (MRAM) and may be used as nanooscillators for future near field communication devices. Starting with the selection of a suitable TMR-layer stack with MgO-tunnel barrier, the whole process chain covering the fabrication of the nanopillars, sidewall isolation and preparation of the supply lines on top is developed and optimised. The structures are defined by optical and electron beam lithography, the subsequent patterning is done by ion beam etching (partially reactive) and lift-off. Techniques providing feedback on the nanofabrication are transmission electron microscopy (partially with target preparation by focused ion beam, FIB), scanning electron microscopy and optical microscopy. In this way nanopillars with minimal dimensions reaching 69 nm x 71 nm could be fabricated, of which nanopillars with a size of 65 nm x 87 nm were characterized fundamentally with respect to their magnetic and electric properties. This covers the determination of the TMR-effect and the resistance of the tunnel barrier (RA-product). In addition, the behaviour of the magnetic layers under higher magnetic fields (up to +-200mT) and the switching behaviour of the free layer at different angles between the easy axis of the TMR-element and the external magnetic field were investigated. The spin transfer torque effect could not be detected in the fabricated nanopillars due to the high electrical resistance of the tunnel barriers which were used. The resistance could be lowered by using thinner barriers, but this led to a quick degradation of the barrier when a current was applied. Continuative work should focus on the preparation of tunnel barriers in an appropriate TMR-stack being low resistive and electrically robust at the same time. A first selection of concepts and ideas from the literature for this task is given in the outlook.:Einleitung I Grundlagen 1 Spinelektronik und Magnetowiderstand 1.1 Der Elektronenspin – Grundlage des Magnetismus 1.2 Magnetoresistive Effekte 1.2.1 AnisotroperMagnetowiderstand 1.2.2 Riesenmagnetowiderstand 1.2.3 Tunnelmagnetowiderstand 1.3 Spin-Transfer-Torque 1.4 Anwendungen 1.4.1 Festplattenleseköpfe 1.4.2 Magnetoresistive Random AccessMemory (MRAM) 1.4.3 Nanooszillatoren für drahtlose Kommunikation 2 Grundlagen der Mikro- und Nanostrukturierung 2.1 Belacken 2.2 Belichten 2.2.1 Optische Lithographie 2.2.2 Elektronenstrahllithographie 2.3 Entwickeln 2.4 Strukturübertragung 2.4.1 Die Lift-off Technik 2.4.2 Ätzen 2.5 Entfernen der Lackmaske 2.6 Reinigung 2.6.1 Quellen von Verunreinigungen 2.6.2 Auswirkungen von Verunreinigungen 2.6.3 Entfernung von Verunreinigungen 2.6.4 Spülen und Trocknen der Probenoberfläche 3 Ionenstrahlätzen 3.1 Physikalisches Ätzen – Sputterätzen 3.2 Reaktives Ionenstrahlätzen – RIBE 3.3 Anlagentechnik 3.3.1 Parameter 3.3.2 Homogenität 3.3.3 Endpunktdetektion II Ergebnisse und Diskussion 4 TMR-Schichtsysteme 4.1 Prinzipielle Schichtfolge 4.2 Verwendete TMR-Schichtsysteme 4.3 Rekristallisation von Kupfer 4.4 Formierung der TMR-Schichtsysteme 4.4.1 Antiferromagnetische Kopplung an PtMn 4.4.2 Rekristallisation an der MgO-Barriere 4.5 Anpassung der MgO-Schicht – TMR-Effekt und RA-Produkt 4.6 Magnetische Charakterisierung 5 Probendesign 5.1 Beschreibung der vier lithographischen Ebenen 5.2 Layout für statische und dynamischeMessungen 5.2.1 Geometrie 5.2.2 Anforderungen für die Hochfrequenzmessung 5.3 Layout für Zuverlässigkeitsmessungen 5.3.1 Geometrie 5.3.2 Voraussetzungen für die Funktion 5.4 Chiplayout 5.4.1 Zusatzstrukturen 5.4.2 Anordnung der Elemente 6 Fertigung eines Maskensatzes für die optische Lithographie 6.1 Vorbereitung desMaskenrohlings 6.2 Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 6.3 Ätzen der Chromschicht 7 Ergebnisse und Diskussion der Probenpräparation 7.1 Definition der Grundelektrode 7.1.1 Freistellen der Grundelektrode 7.1.2 Gratfreiheit der Grundelektrode 7.1.3 Oberflächenqualität nach der Strukturierung 7.2 Präparation der magnetischen Nanosäulen 7.2.1 Aufbringen einer Ätzmaske 7.2.2 Ionenstrahlätzen der TMR-Nanosäule 7.2.3 Abmessungen der präparierten Nanosäulen 7.3 Vertikale Kontaktierung 7.3.1 Seitenwandisolation 7.3.2 Freilegen der Kontakte 7.3.3 Aufbringen der elektrischen Zuleitungen 7.4 Die komplette Prozesskette und Ausbeute 8 Magneto-elektrische Charakterisierung 8.1 Messung des Tunnelmagnetowiderstandes 8.2 Stabilität der magnetischen Konfiguration 8.3 Spin-Transfer-Torque an TMR-Nanosäulen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

Seit 20 Jahren unterteilt man Monozyten in eine klassische CD14++/CD16-Population und eine proinflammatorische CD16+ Population. Letztere macht 10-20 % der peripheren Blutmonozyten aus und ist unter verschiedenen pathologischen Zuständen drastisch erhöht. Seit Kurzem wird die CD16+ Fraktion in zwei weitere Untergruppen aufgeteilt, die CD14++/CD16+ und die CD14+/CD16+ Monozyten. In der hier vorliegenden Arbeit wurde versucht, die relativ neue und wenig charakterisierte Subpopulation der CD14++/CD16+ Monozyten näher zu beschreiben. Es sollte die Frage beantwortet werden, ob diese sich von den übrigen Subpopulationen abzugrenzen lässt und damit als eigenständige Zellgruppe anzusehen ist. Die von gesunden Spendern gewonnen peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) wurden mithilfe einer Magnetsäulenvorseparation von einem Großteil der T-, B- und NK-Zellen befreit. Die restlichen Zellen wurden mit Anti-CD14-FITC und Anti-CD16-PE markiert. In einem Hochgeschwindigkeitssortierer wurden diese, anhand ihres Fluoreszenzmusters, in die drei Subpopulationen CD14++/CD16- (Sub1), CD14++/CD16+ (Sub2) und CD14+/CD16+ (Sub3) aufgeteilt. Durch dieses Verfahren konnte ein hoher Reinheitsgrad erreicht werden. Die erhaltenen Subpopulationen wurden mit heterologen CD4+ T-Lymphozyten zusammen gebracht. Die Reaktion dieser T-Zellen auf die verschiedenen Subpopulationen wurde im Proliferations- und Sekretionsassay (IFN-γ, IL-4) studiert. Des Weiteren wurde die Zytokinsekretion der Monozytenarten nach definierter Stimulierung (LPS, Zymosan, aktivierte T-Zellen) analysiert. In einem zweiten Versuchskomplex wurden aus den jeweiligen Subpopulationen unreife dendritische Zellen (Sub-DCs) differenziert und diese auf bestimmte Oberflächenmarker bzw. deren Verhalten mit heterologen CD4+ T-Zellen im Proliferations-/Sekretionsassay (IFN-γ, IL-4) untersucht. Nach 7 Tagen Inkubation fanden sich im Sub2- und Sub3-Ansatz ca. 10 % mehr proliferierende T-Zellen als im Sub1-Ansatz. Dabei lag der Anteil der CD25+ T-Zellen in diesen beiden Versuchsansätzen ebenfalls um 10 % höher. Der Proliferationsassay über 14 Tage zeigte für die Sub3 ca. 10-15 % mehr proliferierende T-Zellen als für die anderen Populationen. Das Niveau der CD25-Expression der T-Zellen war hierbei in allen drei Ansätzen gleich. Im Sekretionsassay induzierten alle drei Subpopulationen eine Th1-Antwort, jedoch mit einem leicht höheren Anteil IFN-γ-positiver T-Zellen für die CD16+ Monozyten. Durch LPS-Gabe produzierten die CD14+/CD16+ Monozyten am meisten TNF-α, gefolgt von den CD14++/CD16+. Bei den CD14++/CD16- fanden sich die geringsten Mengen an TNF-α. Zusammen mit aktivierten T-Zellen demonstrierten die CD14++/CD16+ Monozyten die stärkste TNF-α-Sekretion unter allen anderen Subpopulationen. Für die beiden CD16+ Populationen wurden nach LPS-Stimulation höhere Werte für IL-1β bestimmt als für die klassischen Monozyten. Sowohl im LPS- als auch im Zymosanansatz lag die IL-6-Sekretion der CD14++/CD16- Subpopulation über der der anderen zwei Fraktionen. Unter allen drei Stimuli wurden die höchsten Werte für IL-8 bei den CD14++/CD16- Monozyten detektiert, gefolgt von den CD14++/CD16+. Am niedrigsten lag die IL-8-Produktion bei den CD14+/CD16+. Die IL-10-Sekretion im LPS- und im Zymosanansatz der CD14++/CD16- und CD14++/CD16+ Monozyten war gegenüber der CD14+/CD16+ Subpopulation erhöht. Nach Entwicklung der unreifen dendritischen Zellen aus den entsprechenden Monozytenarten weisen diese eine differenzierte Morphologie auf. Die DCs der CD14+/CD16+ Monozyten hatten eine stärkere HLA-DR-Expression in der mittleren Fluoreszenzintensität als die anderen beiden Sub-DC-Populationen, wobei sich keine Unterschiede in der HLA-DRExpressionsintensität zwischen Sub1- und Sub2-DCs feststellen ließen. Der Anteil der CD11c positiven Zellen war bei den Sub1-DCs deutlich größer als bei den Sub2-DCs. Dagegen exprimierten die Sub3-DCs praktisch kein CD11c. Im Proliferationsassay über 7 Tage ergaben sich keine signifikanten Differenzen zwischen den Subpopulationen. Allerdings zeigte sich eine Tendenz zu geringeren Werten im Anteil proliferierender bzw. CD25-positiver T-Lymphozyten für den Sub2-DC-Ansatz. Nach 14 Tagen im Assay war der Anteil der proliferierenden T-Zellen bei den Sub1-DCs um 10 % höher als bei den Sub2-DCs. Es fanden sich ca. 10 % mehr CD25+ T-Zellen im Sub1-DC-Ansatz als in den anderen beiden Ansätzen. Der Sekretionsassay erbrachte für alle Sub-DCs eine Th1-Induktion der T-Zellen. Dabei ließen sich keine Abweichungen im Anteil IFN-γ-positiver T-Zellen zwischen den einzelnen Sub-DC-Kulturen nachweisen. Die gewonnen Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen auf der einen Seite das proinflammatorische Potential (z.B. TNF-α-Sekretion, erhöhte Proliferation), auf der anderen Seite die antiinflammatorische Komponente (IL-10-Sekretion) der CD14++/CD16+ Monozyten. Eine Rolle in der Regulation von entzündlichen und infektiologischen Erkrankungen erscheint für diese Subpopulation denkbar. Die Subpopulation 2 kann dabei als eigenständige Monozytenfraktion betrachtet werden. Die funktionellen Unterschiede zwischen den analysierten Monozytensubpopulationen zeigten sich auch nach deren Differenzierung zu unreifen dendritischen Zellen. In Anbetracht des erhöhten Anteils der CD16+ Monozyten im Rahmen diverser autoimmuner Krankheiten und der immer klarer werdenden Unterteilung in eine CD14++/CD16+ und eine CD14+/CD16+ Subpopulation, sollten weitere Untersuchungen zur klinischen Relevanz dieser Monozytengruppen durchgeführt werden. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse könnten bei der Zuordnung und Interpretation in diese zukünftigen klinischen Befunde behilflich sein. / For more than 20 years monocytes were subdivided in the classical CD14++/CD16- population and the proinflammatory CD16+ populations. The latter one includes about 10-20 % of the peripheral blood monocytes and is dramatically expanded under different pathological circumstances. Recently, the CD16+ fraction was further subdivided into two subpopulations: The CD14++/CD16+ and CD14+/CD16+ monocytes. In the present paper, the subpopulation of CD14++/CD16+ monocytes was characterized in order to answer the question if this subset can be distinguished as an independent cell population. T cells, B cells and NK cells were depleted from peripheral mononuclear blood cells (PBMCs) from healthy donors using immunomagnetic cell separation. Subsequently, the pre-separated cells were stained with anti-CD14-FITC and anti-CD16-PE and separated by fluorescence activated cell sorting (FACS) in three subpopulations: The CD14++/CD16- (Sub1), the CD14++/CD16+ (Sub2) and the CD14+/CD16+ (Sub3). The achieved purity was sufficient for the subsequent experiments. The obtained subpopulations were co-cultured together with heterologous CD4+ T lymphocytes. The reaction of these T cells to the different subpopulations was studied in the proliferation and secretion assay (IFN-γ, IL-4). Furthermore, the cytokine secretion of the monocyte subsets after defined stimulation (LPS, Zymosan, activated T cells) was analysed. In a second set of experiments, immature dendritic cells were differentiated from the monocyte subpopulations (Sub-DCs) and phenotypically and functionally characterized according to the expression of cell surface markers and the response to heterologous CD4+ T cells in the proliferation/secretion assay (IFN-γ, IL-4). After 7 days of incubation, the Sub2 and Sub3 of the monocytes induced approximately 10 % higher proliferation rates of T cells than the Sub1. The resulting frequency of CD25+ T cells in these two co-culture settings was also 10 % higher. The proliferation analysis after 14 days again showed for the Sub3 ca. 10-15 % more proliferating T cells than for the other populations. At this, the frequency of CD25 expression was equal in all co-cultures. In the secretion assay all three subpopulations induced a Th1 response, but the range of IFN-γ-positive T cells was somewhat higher for the CD16+ monocytes. Under LPS stimulation the CD14+/CD16+ monocytes produced the highest amounts of TNF-α followed by the CD14++/CD16+. The CD14++/CD16- showed the lowest amounts of TNF-α. In co-culture with activated T cells the CD14++/CD16+ monocytes demonstrated the strongest TNF-α secretion from all subpopulations. After LPS stimulation, a higher level of IL-1β was measured for both CD16+ populations than for the classical monocytes. In the LPS and the Zymosan stimulated cultures, the IL-6 secretion of the CD14++/CD16- subpopulation was higher than in the two other fractions. Under all three stimuli the highest levels of IL-8 were detected for the CD14++/CD16- monocytes followed by the CD14++/CD16+. The lowest IL-8 production was found by the CD14+/CD16+. The IL-10 secretion of the CD14++/CD16- and CD14++/CD16+ monocytes was increased compared to the CD14+/CD16+ subpopulation after LPS and Zymosan stimulation. The in vitro generated immature dendritic cells from the different monocyte subsets showed a differentiated morphology. The DCs of the CD14+/CD16+ monocytes had the strongest HLA-DR expression compared to the other two Sub-DC populations. No differences in the HLA-DR intensity were found between the Sub1- and Sub2-DCs. The rate of CD11c-positive cells was significantly higher in the Sub1-DCs than in the Sub2-DCs. However, the Sub3-DCs expressed no CD11c altogether. The proliferation assay over 7 days showed no significant differences between the subpopulations. Nevertheless, a tendency for lower levels of proliferating or CD25-positive T lymphocytes was seen in T cells co-cultured with the Sub2-DC. After 14 days, the ratio of proliferating T cells was 10 % higher with the Sub1-DCs than with the Sub2-DCs. The Sub1-DC co-culture yielded ca. 10 % more CD25+ T cells than the other two. The secretion assay revealed for all Sub-DCs a Th1 response of the T cells, with no differences in the amount of IFN-γ-positive T cells between the Sub-DC cultures. The results illustrate on one hand the proinflammatory potential (e.g. TNF-α secretion, higher proliferation), on the other hand the antiinflammatory effect (IL-10 secretion) of CD14++/CD16+ monocytes. A role in the regulation of inflammatory and infectious diseases seems to be possible for this subpopulation. The subpopulation 2 can be regarded as an independent fraction of monocytes. The functional differences between the analyzed monocyte subpopulations are further underscored following differentiation into immature dendritic cells. Considering the increased proportion of CD16+ monocytes in various autoimmune diseases and their clear subdivision in a CD14++/CD16+ and a CD14+/CD16+ subpopulation, new investigations about the clinical relevance are warranted. The findings obtained in the work presented could be in the basis for these future clinical studies.