Das Ziel der Arbeit bestand in der Präparation von multifunktionellen phasenseparierten Blockcopolymerfilmen, die an der Oberfläche über polymeranaloge Reaktionen modifiziert werden können. Dafür wurden zunächst phasenseparierte Blockcopolymere über RAFT-Polymerisation synthetisiert, in die sowohl funktionelle als auch Vernetzergruppen integriert wurden. Als funktionelle Monomere kamen dabei Propargylmethacrylat, Propargyloxystyrol, Vinylbenzylchlorid und Pentafluorostyrol zum Einsatz. Die Vernetzergruppen wurden über die Monomere Vinylpyridin, Glycidylmethacrylat, 4-Benzoyl-3-hydroxyphenylmethacrylat und Dimethylmaleinimidobutylmethacrylat eingebaut. Die erhaltenen Polymere wurden hinsichtlich ihrer Molmasse und ihrer thermischen Eigenschaften mit GPC, NMR, DSC und TGA untersucht. Des Weiteren erfolgten polymeranaloge Reaktionen, wie die kupferkatalysierte Cycloaddition von Aziden an Alkinen, eine cäsiumvermittelte Veresterung der Vinylbenzylchloridgruppe mit Liponsäure als auch eine Substitution am Pentafluorostyrol mit Thiolen, an den synthetisierten Blockcopolymeren. Dünne Filme dieser Blockcopolymere wurden mit Rasterkraftmikroskopie untersucht und dabei teilweise Phasenseparation erhalten. Die Filme wurden darauf chemisch, thermisch als auch photochemisch vernetzt, um die erhaltenen Strukturen zu fixieren. Dabei konnte ein vollständiger Erhalt der Phasenstrukturen nicht erreicht werden. Allerdings zeigten die thermischen als auch photochemischen Vernetzungen die vielversprechendsten Ergebnisse.

The discovery of high temperature superconductors led to a tremendous boom in the development of new applications based on this material. Due to the significant anisotropy and the dependence of the critical current density on the misorientation of grains, the so-called coated conductor technology was developed for these materials to realize long wires. These conductors are applied at liquid nitrogen temperature for cables or motors as well as in liquid helium for high-field applications, such as in magnets for particle accelerators or future fusion reactors. One of the main aspects of using superconducting materials in the above-mentioned areas is their high current-carrying capacity, which decreases for a number of reasons. Therefore, studying the superconducting current flow in such conductors remains a priority to understand the main mechanisms and to increase the critical current density in a wide range of temperatures and magnetic fields. The major goal of this thesis was to study the correlation between the local microstructure and the superconducting properties for Ag-doped YBa2Cu3O7−δ (YBCO), (Nd1/3Eu1/3Gd1/3)Ba2Cu3O7−δ (NEG) and the iron-based superconductor Ba(Fe1−xNix)2As2 (Ba122:Ni). Therefore, epitaxial films were grown of these materials by pulsed laser deposition on single crystals and two different commercial coated conductor templates having a different degree of granularity. Experimental techniques such as electron backscattering diffraction (EBSD) and scanning Hall probe microscopy (SHPM) allow to investigate both the local microstructure and local distribution of superconducting current in these films. Ag-doped YBCO films with different thickness were deposited on single crystalline SrTiO3 substrates as well as on RABiTS and IBAD-MgO-based templates. It is expected, that silver as dopant improves the growth of the films, and has a beneficial influence on the current transport across grain boundaries, which is of considerable interest for metal-based templates due to their granular structure. EBSD studies on the local microstructure revealed only minor changes with silver concentration. Nevertheless, an improvement in transport properties was observed for thicker YBCO:Ag layers on SrTiO3 and thin films on both metal-based templates. SHPM measurements show an improvement of the local current distribution, which is probably due to the improvement of the current transport between the grains. NEG films were grown with different thicknesses on RABiTS and IBAD-MgO-based templates for the first time. Structural studies revealed an epitaxial growth of all samples on both metal-based templates. Whereas NEG layers on SrTiO3 showed broad superconducting transitions due to film inhomogeneities, a narrow transition at about 89 K was measured for films grown on the metal templates. However, the critical current density is still inferior to YBCO films of similar thickness. This might be improved by further optimization of the growth and oxygen loading conditions. Finally, the Ba122:Ni films were studied on single crystalline CaF2 substrates and commercial metal-based templates. This material might be interesting for applications due to a low anisotropy, high upper critical fields and critical currents as well as a reduced sensitivity to grain boundaries. Structural studies showed an epitaxial growth on RABiTS templates, whereas no epitaxy was found on IBAD-MgO based tapes. Simultaneously, a broad superconducting transition was observed on the metallic templates, which requires a further optimization of the growth process. Detailed studies of the superconducting and electronic properties for Ba122:Ni films on CaF2 substrates revealed similar properties as for single crystals, which opens the prospects to use such films for different applied and fundamental tasks.

Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Eigenschaften von dünnen GaN-Schichten gewachsen in verschiedenen Orientierungen. Hierbei werden die optischen Eigenschaften von verspannten M- und A-plane sowie unverspannten C-plane GaN-Schichten untersucht und die Ergebnisse im Rahmen von Bandstrukturberechnungen diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Bandstrukturverschiebungen theoretisch mittels eines k.p-Näherungsansatzes untersucht. Diese Bandverschiebungen beeinflussen sowohl die Übergangsenergien als auch die Oszillatorstärken. Man findet, dass die C-plane Schicht im Falle einer isotropen Verspannung in der Filmebene keine Anisotropie der optischen Polarisation zeigt. In beiden Fällen zeigen die drei Übergänge von den drei oberen Valenzbändern in das untere Leitungsband andere Polarisationseigenschaften als die entsprechenden Übergänge in C-plane GaN-Schichten. Es wird beobachtet, dass für einen bestimmten Wertebereich der Verspannung in der Filmebene diese Übergänge nahezu vollständig x-,z- bzw. y-artig polarisiert sind. Die verwendeten Schichten wurden auch mittels Transmissionspektroskopie untersucht. Im Falle der M-plane GaN-Schichten können zwei fundamentale Übergänge identifiziert werden, wobei der elektrische Feldvektor E des einfallenden Lichtes einmal parallel (z-Polarisation) und einmal senkrecht (x-Polarisation) auf der c-Achse steht. Die M-plane GaN-Schicht besitzt unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten für z-Polarisation und x-Polarisation, welche zu zusätzlichem Dichroismus und Doppelbrechung führen. Als Resultat findet eine Filterung der Polarisation für einfallendes, linear polarisiertes Licht statt. Die elektrische Feldkomponente mit x-Polarisation wird stärker absorbiert als die Komponente mit z-Polarisation. Diese Polarisationsfilterung äußert sich für schmalbandiges Licht in Form einer Drehung der Polarisationsebene in Richtung der c-Achse, wobei ein maximaler Rotationswinkel von 40 Grad gefunden wurde. / In this work, we focus on the optical response of GaN thin films grown along various orientations. The optical properties of strained M- and A- and unstrained C-plane GaN thin films are investigated, and the results are explained with help of band-structure calculations. We calculate the strain-induced band-structure modification using the k.p perturbation approach. The valence-band (VB) states are modified affecting both the transition energies as well as the oscillator strengths. We observe that C-plane GaN does not show any in-plane polarization anisotropy, when an isotropic in-plane strain is applied. For the case of M- and A-plane GaN, one expects to see an in-plane polarization anisotropy even for the unstrained case. Additionally, the in-plane strain significantly changes the band structure and the symmetry of the VB states. The three transitions, involving electrons in the conduction band (CB) and holes in the top three VBs, will exhibit a very different polarization characteristic than the ones for C-plane GaN. These transitions are predominantly x, z, and y polarized, respectively, for a certain range of in-plane strain values, present in our samples. For M-plane GaN thin films, two fundamental transitions can be identified, which occur when the electric field vector E is perpendicular (x-polarization) and parallel c (z-polarization). These transitions give rise to a transmittance spectrum separated by 50 meV at room temperature with respect to each other. This result in a polarization filtering of an incident linearly polarized light beam after transmission, because the electric field component with x-polarization is more strongly absorbed than with z-polarization. This filtering manifests as a rotation of the polarization vector toward the c axis and can be as large as 40 degrees for an initial angle of 60 degrees, for our samples.

Diese Arbeit ist ein Beitrag zur theoretischen Chemie sowie zur Oberflächenchemie. Durch Kombination von computergestützten und experimentellen Untersuchungen wird die atomare Struktur von dünnen SiO2-Filmen auf Ru(0001)-Unterlagen, von eisendotierten SiO2-Filmen auf diesen Unterlagen und von H2O-Filmen auf MgO(001)-Oberflächen bestimmt. Die atomaren Strukturmodelle wurden entweder mit dem neu entworfenen und im Paket DoDo implementierten genetischen Algorithmus oder mittels auf Sachkenntnis gestützter Vermutungen erhalten. Die simulierten Eigenschaften der so erhaltenen Strukturen stimmen sehr gut mit den experimentellen Daten (Raster-Tunnel-Mikroskopie, Infrarot-Spektroskopie) überein. Die erfolgreiche Strukturbestimmung mithilfe des DoDo-Programms zeigt, dass genetische Algorithmen zur systematischen und extensiven Erkundung der Energielandschaften 2D-periodischer Systeme geeignet sind. / This work is a contribution in the field of theoretical chemistry and surface science. The joint computational and experimental studies investigated the atomic structure of ultrathin silica and iron-doped silica films formed on the Ru(0001) surface and water films formed on the MgO(001) surface. The atomic structure models were obtained using either the educated guess approach or the genetic algorithm that was designed and implemented within the DoDo package. The properties simulated for the resulting models are in a very good agreement with the experimental data (scanning tunnelling microscopy, infrared spectroscopy). The successful structure determination using the DoDo program shows that the genetic algorithm technique is capable of systematic and extensive exploration of the energy landscapes for 2D-periodic systems.

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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.

Thin films of a ternary alloys between aluminum, manganese and copper (AlMnCu), prepared at low temperature, are reported in the present work. It is a study along two binary edges (Al100−xMnx and Al100−xCux (from literature)), the first almost along the entire range of concentrations, and two different cuts through the ternary system. The first cut begins at amorphous Al50Mn50 and adds Cu step by step (from literature). The second cut begins at amorphous Al60Cu40 and varies Al and Mn such that the Cu-content stays constant. There is a wide amorphous range, purely amorphous or with additional quasi-crystalline local features, and there are ranges where mixtures between amorphous and nano- or partially crystalline phases with a high content of lattice defects exist. The work exclusively deals with the development of the static structure and its thermal stability, as well as the development of its electronic transport properties. The ternary AlMnCu is a model for a deeper understanding of different scenarios of structure stabilization and their interaction, with consequences on the emergence of physical properties. The analysis focuses on self-organizing spherical-periodic, global resonance effects between two global subsystems of the alloy under consideration, the Fermi gas as one and the forming static structure of ions as the other. The global resonances are self organizing by i.e. an exchange of characteristic momenta and energy between the subsystems and trigger, besides a particular structure, particle-density anomalies and/or hybridization effects. The work shows strong evidence of a combined action of the particle-density anomalies with the effective valence of the atoms involved, in order to maintain the resonance condition under all circumstances. Whereas at high Al-content, additionally, local features of quasi-crystallinity arise, closer to pure Mn phase separations arise, causing mixtures of amorphous with nano-crystalline phases or crystals with a high content of lattice distortions. Reports on density anomalies, hybridization effects, and angular correlations, have been published quite often. In the present work, besides similar effects in a ternary system, first indications for phase separations and lattice defects as additional scenarios of stabilizing condensed matter are reported. The resonance, seen as spherical-periodic-order at short- and medium-range distances in real space, causes in reciprocal space a resonance maximum (analogous to a Bragg peak in crystals). Its location on the axis of the scattering vector is defined by the electron system and a pseudo-gap in the electronic density of states arise at the Fermi energy. The origin of the structural order and its thermal stability, the pseudo-gap at the Fermi energy, as well as the transport properties with its anomalies, all are attributed to the resonance. The spherically-periodic atomic order in an amorphous phase is analogous to the planar order in a crystal. The interatomic distances between the nearest neighboring shells at short- and medium range distances coincide with half the Fermi wavelength, also called Friedel-wavelength. / In der vorliegenden Arbeit wird über bei niedriger Temperatur hergestellte dünne Schichten aus einem ternären Legierungssystem zwischen Aluminium, Mangan und Kupfer (AlMnCu) berichtet, über zwei binäre Randlegierungen (Al100−xMnx und Al100−xCux (aus der Literatur)) und über zwei verschiedene Schnitte durch den ternären Bereich. Ein Schnitt durch den ternären Bereich beginnt bei amorphem Al50Mn50 und fügt schrittweise Cu zur Legierung (aus der Literatur). Der zweite Schnitt beginnt bei amorphem Al60Cu40 und fügt schrittweise Al und Mn so zu, dass der Cu-Gehalt konstant bleibt. Es gibt amorphe Bereiche, teilweise mit weiteren lokal quasi-kristallinen zusätzlichen Merkmalen, sowie Bereiche, in denen Mischungen aus amorphen mit nano oder teilkristallinen Phasen auftreten. Die Arbeit behandelt die Entwicklung der statischen Struktur und deren thermische Stabilität, sowie die Entwicklung elektronischer Transporteigenschaften. Das ternäre AlMnCu ist ein Modellsystem für ein tieferes Verständnis der verschiedenen Szenarien struktureller Stabilisierung und deren Interaktion, mit Auswirkungen auf ein tieferes Verständnis der mit der Struktur sich entwicklenden physikalischen Eigenschaften. Die Analyse konzentriert sich auf sich selbstorganisierende sphärisch-periodische, globale Resonanzeffekte zwischen zwei globalen Untersystemen des gewählten Materialsystems, der Fermi-Kugel als einem und der sich bildenden statischen Struktur der Ionen als dem anderen. Die globalen Resonanzen bilden sich u.a. durch einen Austausch von charakteristischen Impulsen und Energie zwischen den Untersystemen, die neben einer bestimmten Struktur zunächst auch Teilchendichteanomalien und/oder Hybridisierungseffekte erzeugen. Die vorliegende Arbeit zeigt dabei starke Anzeichen für eine kombinierte Wirkung dieser Effekte um die Resonanzbedingung unter allen Umständen beizubehalten. Bei hohen Al-Anteilen treten zusätzlich lokale Merkmale von quasi-Kristallinität, mit 5-facher Winkelkorrelation auf, um auch diesen Bereich strukturell zu stabilisieren. Bei hohen Mn-Anteilen sind es lokale Phasentrennung in amorphe und nano-kristalline Phasen oder hohe Anteile von Gitterdeffekten, die zusätzlich auftreten. Über Dichteanomalien, Hybridisierungseffekte und Winkelkorrelationen wurde in der Vergangenheit bereits mehrfach berichtet. In der vorliegenden Arbeit sind es, neben der modellhaften Behandlung dieser im ternären System, die Hinweise zu Phasentrennung und Gitterdeffekten als zusätzliche Szenarien zur Stabilisierung kondensierter Materie, über die erstmalig berichtet wird. Die auf dem Austausch von Impuls beruhende Resonanz, als sphärisch-periodische-Ordnung im nahen und mittleren Abstandsbereich des Ortsraumes zu sehen, verursacht im reziproken Raum ein Resonanzmaximum (analog zu einem Bragg-peak in kristallinen Systemen), dessen Lage auf der Achse der Streuvektoren vom Elektronensystem definiert wird, und eine Pseudolücke in der elektronischen Zustandsdichte der Elektronen an der Fermi-Energie. Letztendlich werden die Entstehung der strukturellen Ordnung selbst, ihre thermische Stabilität, als auch die Transporteigenschaften mit ihren Anomalien auf diese Pseudolücke und demzufolge auf die Resonanz zurückgeführt. Die sphärisch-periodische Ordnung der Atome in einer amorphen Phase ist analog zur planaren Ordnung in einem Kristall. Die Atomabstände zwischen den Nächstnachbarschalen im mittleren, aber auch nahen Abstandsbereich, stimmen über große Distanzen mit der halben Fermi-Wellenlänge überein, die man auch als Friedel-Wellenlänge bezeichnet.

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We have measured the optical properties of films of the organic semiconductors PTCDA (3,4:9,10-perylene-tetracarboxylic dianhydride) and HBC (peri-hexabenzocoronene), prepared by Organic Molecular Beam Expitaxy (OMBE), on different substrates by means of Differential Reflectance Spectroscopy (DRS). The optical setup enables us to directly follow the thickness dependent optical properties of the organic films, starting from submonolayer coverage up to thicker films on the order of 20 monolayers (ML) film thickness. Due to the different optical nature of the different substrates used, i.e., mica, glass, Au(111), and HOPG, the direct interpretation of the DRS signal is not feasible. Therefore, we have proposed a method by which the calculation of the optical constants n (index of refraction) and k (absorption index) of thin films on arbitrary substrates from just one spectral measurement (in our case the DRS) becomes possible. The results fulfill a priori a Kramers-Kronig consistency and no specific model is needed to express the spectral behavior of the optical constants. Based on our method, we have successfully calculated the optical constants, and therefore the absorption behavior, of films of different thickness of PTCDA on mica, glass, Au(111), and HOPG, as well as of HBC on mica, glass, and HOPG. Extrinsic effects due to island growth or the presence of a polarizable substrate (screening) have been accounted for. We have introduced a finite dipole model which considers the extended geometry and anisotropy of the organic molecules. The calculated absorption behavior is discussed in great detail in terms of spectral changes with varying film thickness, different growth modes, degree of ordering of the films, interactions with the substrates and oscillator strength. A direct observation of a monomer-dimer transition in solid films could be observed for the first time. Our results indicate an exciton delocalization over about 4 molecules for both molecules.