Entladungsbasierte Elektronenquellen mit Kaltkathode waren gegen Ende des 19. Jahr hunderts weithin genutzte Forschungswerkzeuge und ermöglichten die Entdeckung des Elektrons und der Röntgenstrahlung. In jüngster Zeit erfahren sie erneutes Interesse in Wissenschaft und Industrie, motiviert durch ihre Fähigkeit, Elektronenstrahlen hoher Leistung für Produktionsprozesse (wie das Schweißen, die Materialverdampfung in der Vakuum beschichtung oder die Vakuum-Schmelzveredlung in der Metallurgie) basierend auf einem robusten Design sowie einfachen Versorgungs- und Steuerungssystemen zu erzeugen. Entladungsbasierte Elektronenquellen könnten also eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu den gegenwärtig noch etablierten Elektronenstrahlkanonen mit Glühkathoden bieten. Trotz der langen Geschichte und vieler empirischer Ansätze, Gasentladungen zur Elektronenstrahlerzeugung für diverse Anwendungen zu nutzen, sind die bestimmenden Mechanismen bei dieser Art von Elektronenquellen immer noch unzulänglich verstanden. Es war deshalb das Ziel der für die vorliegende Dissertation durchgeführten experimentellen und theoretischen Arbeiten, nicht nur die technologischen Potentiale und Limitierungen entladungsbasierter Elektronenstrahlquellen zu untersuchen, sondern auch die Kenntnis grundlegender physikalischer Effekte zu verbessern. Analysiert wurden zunächst verschiedene, im Fraunhofer FEP vorhandene Kaltkathoden-Strahlquellen, die - ungeachtet der Tatsache, dass sie für unterschiedliche Anwendungen konstruiert wurden - sämtlich auf demselben Funktionsprinzip beruhen: Innerhalb des Gerätes wird eine Hochspannungs-Glimmentladung (HSGE) unterhalten. Ionen erfahren im Kathodenfall einen Energiezuwachs, treffen auf die Kathode und setzen dort Sekundärelektronen frei. Diese Elektronen werden in Richtung des Plasmas be schleu nigt und verlassen schließlich die Strahlquelle, um am Prozessort die beabsichtigte Wirkung zu erzielen. Zur Optimierung der Stabilität der die Ionen produzierenden Entladung, der Effizienz der Strahlerzeugung sowie der Strahlleistungsdichte und Kathodenlebensdauer wurden verschiedene Kombinationen von Kathodenmaterialien und Plasma-Arbeitsgasen experimentell untersucht. Die Abhängigkeit der Ausdehnung des Kathodenfalls von Strom und Spannung der Entladung wurde gemessen und konnte durch ein analytisches Modell erklärt werden. Emittanz und Richtstrahlwert sind wichtige Kenngrößen zur Charakterisierung der Qualität von Elektronenstrahlen. Beide wurden in dieser Arbeit für den Elektronenstrahl einer HSGE-basierten Kaltkathoden-Schweißstrahlquelle bestimmt, wobei zwei Ansätze verfolgt wurden: Zum einen konnte die Emittanz aus der Randstrahlgleichung gewonnen werden, die den experimentell beobachteten Verlauf des Strahldurchmessers entlang der Ausbreitungsachse analytisch beschreibt. Zum anderen wurde die Emittanz anhand des aus der numerischen Simulation berechneten Phasenraumprofils ermittelt. Eine Kernaufgabe dieser Arbeit war es, Software-Werkzeuge zur Simulation der Strahl erzeugung in verschiedenen geometrischen Konfigurationen zu entwickeln und zu validieren, mit denen künftig die Konstruktion und Optimierung neuer entladungsbasierter Strahlerzeuger unterstützt werden sollte. Da kommerziell verfügbare Programme zur Simulation der Erzeugung und Führung von Elektronenstrahlen grundlegende Effekte plasma basierter Quellen, wie z. B. die Raumladung der Ionen oder die ioneninduzierte Sekundär elektronen-Freisetzung, nicht berücksichtigen, wurde für diese Arbeit eine neue Herangehensweise favorisiert: „Particle-in-Cell“ (PIC)-Algorithmen werden in der Plasma forschung üblicherweise zur Modellierung von Entladungen sowie zum Studium nichtlinearer Probleme, wie z. B. Instabilitäten, verwendet. Deshalb wurde nun eine PIC-Simulations umgebung zur Modellierung der HSGE und der damit verbundenen Strahlerzeugung entwickelt. Die Simulation reproduziert experimentelle Ergebnisse, wie etwa die Charakteristik der Entladung, die Emittanz des Strahls oder die Ausdehnung des Kathodendunkelraums, in befriedigender Weise. Schließlich wurde im Rahmen dieser Arbeit eine entladungsbasierte Elektronenstrahlquelle neuen Typs entwickelt und charakterisiert, die die Einfachheit der bekannten Kaltkathoden-Strahler und vorteilhafte Leistungsparameter, z. B. eine hohe Strahlleistungsdichte und niedrige Arc-Rate, wie sie bisher nur mit traditionellen Glühkathodenstrahlern erreichbar waren, in sich vereinigt. Die Kathode bestand aus LaB6 - einem Material, das sowohl eine hohe Sekundärelektronen-Ausbeute als auch eine niedrige Austrittsarbeit aufweist - und wurde gegen die Halterung thermisch isolierend montiert. Dadurch kann sie von Ionen aus einer HSGE auf hohe Betriebstemperaturen geheizt werden und in erheblichem Maße thermisch freigesetzte Elektronen emittieren. Neben technisch nützlichen Gebrauchs eigenschaften weist diese so genannte „Hybrid-Kathode“ auch ein physikalisch interessantes Verhalten auf. Einige neuartige Effekte, die von Entladungen mit kalten Kathoden nicht bekannt waren, konnten beobachtet und erklärt werden, wie z.B. die auffällige „N-förmige“ Druck-Strom-Charakteristik, die bei plötzlicher Abschaltung der Entladung nur langsam und ungleichmäßig abklingende Elektronenemission, die Limitierung des erreichbaren Strahl stromes und eine Fülle von Kathodenverschleiß-Mechanismen. Physikalische Modelle zur Beschreibung verschiedener Aspekte der Hybridkathoden-Entladung wurden erarbeitet und mit den experimentellen Befunden verglichen. / Discharge-based, cold-cathode electron sources were routinely used as research tools at the end of the 19th century and facilitated then the discovery of the electron and of the x-rays. In recent time, they experience a renewed interest in science and industry due to their capability of generating high power electron beams for production processes (like welding, evaporation of materials for vapor deposition, and vacuum melt refining in metallurgy) relying on rugged mechanic designs as well as simple supply and control systems. Hence, discharge-based electron sources could provide an economically attractive alternative to the currently established electron beam guns with thermionic cathodes. Despite the long history and many empirical trials to utilize electron beam generation by gas discharges in several applications, the mechanisms governing this kind of electron sources are far from being well understood. Therefore, it was the purpose of the theoretical and experimental work performed for this thesis not only to investigate in the technological potentials and limitations of discharge-based electron beam guns but also to improve the knowledge of physical basic effects. At first, several cold-cathode beam sources existing at Fraunhofer FEP were analyzed. Regardless that they were designed for different applications, all were based on the same function principle: A high-voltage glow-discharge (HVGD) is sustained inside the device. Ions gain energy in the cathode fall, hit the cathode and release secondary electrons. These electrons will be accelerated towards the plasma then and can finally leave the beam source to perform the desired action at the process site. In order to optimize stability of the ions generating discharge, efficiency of the beam generation, beam power density and longevity of the cathode, different combinations of cathode materials and plasma forming gases have been investigated experimentally. The dependence of the cathode dark space width on current and discharge voltage was measured and could be explained by an analytic model. Emittance and brightness are important measures which quantify the quality of electron beams. In this work, both were determined for the beam originating from a HVGD based cold-cathode electron gun designed for welding following two approaches: First the emittance could be extracted from the envelope equation which analytically describes the evolution of the experimentally observed beam diameter along the propagation axis. Second the emittance was calculated from numerically simulated traces in the phase space. It was a core purpose of this work to develop and validate software tools capable of simulating the beam formation in various geometric configurations. This task was aimed at supporting the design and optimization of new discharge-based beam sources. Since commercially available software for modeling electron beam generation and transport do not consider the key mechanisms of plasma-based sources like the ion space charge or the ion-dependent production of free electrons, a new attempt was favored for this work: Particle-in-Cell (PIC) are being used in plasma research for studying nonlinear problems like instabilities. Therefore, a PIC simulation environment was utilized to numerically model the HVGD and the related beam generation. The simulation satisfactorily reproduces experimental findings, like the characteristics of the discharge, the emittance of the beam or the cathode dark space dimension. Finally, a discharge-based electron-beam sources of a new type was developed and characterized in the frame of this work. It merges the simplicity of known cold cathode devices with beneficial performance parameters, like high beam power density and low arcing rate, which have been reached so far with traditional thermionic electron sources only. The cathode of the new beam source consists of LaB6 - a material with a high secondary electron yield and a low thermionic work function - and was mounted thermally insulated against the holder. Then, an elevated operation temperature resulting in considerable thermionic emission was maintained by ions extracted from a HVGD. Besides to technically advantageous features, this so called “hybrid“ cathode mode of beam generation shows a physically interesting behaviour. Several new effects - not known from traditional cold-cathode discharges - could be observed, like a peculiar “N-shaped“ appearance of the pressure-current characteristic, the slowly and irregularly decreasing electron emission after a sudden discharge cutoff, a limitation of achievable beam current, and a multitude of possible cathode wear mechanisms. Physical models describing various features of the hybrid cathode discharge were elaborated and compared with the experimental findings.

This thesis presents the first study of the damping of a Bloch oscillating wave packet by Zener tunneling to above-barrier states [1]. We investigate the time evolution of an below-barrier subband Wannier-Stark wave packet in a strongly coupled GaAs/AlGaAs superlattice (SL) with shallow quantum well barriers by optical interband spectroscopy. We use a sub-100 fs homodyne pump-probe technique which is sensitive to the intraband polarization. The presented experimental data unambiguously show an electric field-dependent continuous decrease of the intraband coherence time. Besides the continuous field-induced damping of the intraband polarization, we observe the signature of resonant Zener tunneling of a Bloch oscillating wave packet between discrete states belonging to below and above-barrier bands. This coupling manifests itself as a revival of the intraband polarization [2]. The experiment is modelled in two aspects. First, in a 1D single-particle calculation the wave functions the BO wave packet is composed of are derived. Here, the inter-subband dynamics are found to be given by the energetic splitting between nearly-degenerate below and above-barrier states. The wave packet tunnels from the below-barrier band to the above-barrier band while remaining coherently oscillating. At this time, it is spatially spread over more than 100 nm...

In semiconductor superlattices, the carrier band structure can be tailored by the proper choice of their geometry. Therefore, superlattices are a model system for the study of coherent high-field transport phenomena in a periodic potential with applied static electric field. This thesis is structured in two parts. I. Zener Tunneling in Semiconductor Superlattices. In this work,semiconductor superlattices with shallow barriers and narrow band gaps were employed to investigate the Zener breakdown. In these samples, tunneling in the electron Wannier-Stark ladder spectrum is addressed as coupling of the electron states of a single bound below-barrier band to the states of the above-barrier spectrum. The field-dependent evolution of the Wannier-Stark ladder states was traced in the optical interband spectrum. Superlattices with different geometries were employed, to clarify the influence of the particular miniband structure on the Zener tunneling behavior. It was shown that in the presence of Zener tunneling, the Wannier-Stark ladder picture becomes invalid. Tunneling is demonstrated to lead to a field-induced delocalization of Wannier-Stark ladder states. In addition, the coherent polarization lifetime was analyzed as a measure of the tunneling probability. II. Terahertz Emission of Exciton Wave Packets in Semiconductor Superlattices. By means of Terahertz spectroscopy, the coherent intraband dynamics of exciton wave packets in biased superlattices after the selective ultrafast excitation of the Wannier-Stark ladder spectrum was investigated. The dynamics of Bloch oscillations was investigated under broadband excitation. It is demonstrated, that the Bloch oscillation amplitude can be controlled by altering the pump pulse energy. The xperimental results can only be explained in a full exciton picture, incorporating bound 1s exciton states and the associated exciton in-plane continuum. The intraband dipole of single Wannier-Stark ladder excitons was measured by detecting the Terhartz response after excitation of the Wannier-Stark ladder with a spectrally narrow rectangular pump pulse. In addition, experiments revealed a previously unknown mechanism for the generation of Bloch oscillating exciton wave packets. This was demonstrated for an incident pump spectrum which was too narrow to excite a superposition of Wannier-Stark ladder states. The effect is based on the sudden, non-adiabatic, change in the net dc internal field due to creation of electron-hole pairs with permanent dipole moments. The non-adiabatic generation of Bloch oscillations is a highly nonlinear effect mediated by strong exciton-exciton interactions.The central role that play exciton-exciton interactions in the intraband dynamics became especially evident when the Wannier-Stark ladder was selectively excited by two spectrally narrow laser lines. The experiments demonstrated a resonant enhancement of the intraband transition matrix element when 1s exciton wavepackets are excited. / In Halbleiter-Übergittern kann die Bandstruktur von Ladungsträgern durch die geeignete Wahl der Geometrie eingestellt werden. Deshalb sind Halbleiter-Übergitter ein Modellsystem für Untersuchungen des kohärenten Ladungstransportes im periodischen Potential bei hohen, statischen, elektrischen Feldern. Diese Doktorarbeit ist in zwei Teile untergliedert. I. Zener-Tunneln in Halbleiter-Übergittern In dieser Arbeit werden Halbleiter-Übergitter mit flachen Barrieren und schmalen Bandlücken eingesetzt, um den Effekt des Zener-Durchbruchs zu untersuchen. In diesen Strukturen wird das Zener-Tunneln im Elektronen-Spektrum der Wannier-Stark-Leiter adressiert. Dabei handelt es sich um die Kopplung von Elektronen-Zuständen eines einzelnen Minibandes unterhalb der Potentialbarriere des Quantentopfes mit Zuständen oberhalb der Barriere. Die Feldabhängigkeit der Wannier-Stark-Leiter-Zustände wurde im optischen Interband-Spektrum detektiert. Übergitter mit unterschiedlichen Geometrien wurden untersucht, um den Einfluss der spezifischen Miniband-Struktur auf die Charakteristiken des Zener-Tunnelns aufzuklären. Es wurde gezeigt, dass im Regime des Zener-Tunnelns das Wannier-Stark-Leiter-Bild nicht mehr gültig ist. Dabei wird demonstriert, dass Tunneln zu einer feldabhängigen Delokalisierung der Wannier-Stark-Leiter-Zustände führt. Außerdem wird die Kohärenz-Lebensdauer der Polarisation analysiert. Sie bildet die Tunneln-Wahrscheinlichkeit ab. II. Terahertz Emission von Exzitonen-Wellen-Paketen in Halbleiter-Übergittern Mit Hilfe von Terahertz-Spektroskopie wurde die kohärente Intraband-Dynamik von Exzitonen-Wellen-Paketen in vorgespannten Halbleiter-Übergittern nach der selektiven, ultrakurzen Anregung des Wannier-Stark-Leiter-Spektrums untersucht. Die Dynamik von Bloch-Oszillatonen wurde durch spektral breitbandiger Anregung detektiert. Es wird gezeigt, dass die Amplitude von Bloch-Oszillationen durch die Änderung der Energie des Anrege-Pulses beeinflusst werden kann. Die experimentellen Resultate können nur in einem ganzheitlichen Exzitonenbild erklärt werden. Es umfaßt die gebundenen 1s-Exziton-Zustände und das zugehörige Exzitonen-Kontinuum in der Quantentopfschicht. Der Intraband-Dipol einzelner Wannier-Stark-Leiter-Exzitonen wurde durch die Detektion der Terahertz-Antwort auf die Anregung der Wannier-Stark-Leiter mit einem spektral schmalen Anrege-Puls vermessen. Außerdem wird in den Experimenten ein zuvor ungekannten Mechanismus der Anregung von bloch-oszillierenden Wellen-Paketen beobachtet. Dieser Effekt wird für ein eingestrahltes Anrege-Spektrum, welches spektral zu schmal für die Anregung einer Überlagerung von Wannier-Stark-Leiter-Zuständen ist, demonstriert. Der Mechanismus basiert auf die unmittelbare, nicht-adiabatische Änderung des effektiven, internen, statischen Feldes auf Grund der Anregung von Elektron-Loch-Paaren mit permanentem Dipolmoment. Die nicht-adiabatische Anregung von Bloch-Oszillationen ist ein hoch nicht-linearer Effekt, der durch starke Exziton-Exziton Wechselwirkung vermittelt wird. Die zentrale Rolle, die die Exziton-Exziton Wechselwirkung in der Intraband-Dynamik spielt, wurde besonders deutlich bei der selektiven Anregung der Wannier-Stark-Leiter durch zwei spekral schmale Laserlinien. Die Experimente demonstrieren eine resonante Überhöhung des Intraband-Übergangs-Matrix-Elements, wenn 1s-Exziton-Wellen-Pakete angeregt werden.

Die Entwicklung Sachsens im 19. Jh. - Die Geschichte der ersten beiden sächsischen Baugenossenschaften: (1.) in Mittweida und (2.) in Meißen – Die Pioniere des deutschen Genossenschaftswesens: Victor Aimè Huber und Schulze-Delitzsch. - (1.) Die Entwicklung der Industrie in Mittweida und 1873 die Gründung des Bauvereins zu Mittweida - Die drei Wohnbauten des Bauvereins mit Lageplan und alten Bauzeichnungen sowie kritische Untersuchung der Wohnungsgrundrisse. - (2.) Die Entwicklung Meißens zu einer Industriestadt des 19. Jahrhunderts und die Bedeutung ihrer keramischen Industrie. - Zur Gründung des Meißner Bauvereins Jahre 1873 und seiner Baugeschichte. - Die drei genossenschaftlichen Wohnbauten mit Lageplan und alten Bauzeichnungen. Kritische Betrachtung der Wohnungsgrundrisse unter Berücksichtigung des Einbaus von Kachelöfen aus Meißener Produktion. - (3.) Ein Epilog: Das Heizen der Wohnung im 19. Jh. - Verbesserung der Heiz- und Kochtechnik durch den Einsatz von Kachelöfen - Die Kachelproduktion in Meißen und in Velten/Mark. - Zur Gewinnung von Rohbraunkohle und der Brikettierung - Das Braunkohlenbrikett. - Fotografien gusseiserner Öfen und Kachelöfen aus Meißen und Velten/Mark im 19.Jh. Insgesamt 51 Seiten mit 33 Abbildungen.

In the present work, the implications of ion irradiation on the magnetostatic and dynamic properties of soft magnetic Py/Ta (Py = Permalloy: Ni80Fe20) single and multilayer films have been investigated with the main objective of finding a way to determine their saturation magnetization. Both polar magneto-optical Kerr effect (MOKE) and vector network analyzer ferromagnetic resonance (VNA-FMR) measurements have proven to be suitable methods to determine µ0MS, circumventing the problem of the unknown effective magnetic volume that causes conventional techniques such as SQUID or VSM to fail. Provided there is no perpendicular anisotropy contribution in the samples, the saturation magnetization can be determined even in the case of strong interfacial mixing due to an inherently high number of Py/Ta interfaces and/or ion irradiation with high fluences. Another integral part of this work has been to construct a VNA-FMR spectrometer capable of performing both azimuthal and polar angle-dependent measurements using a magnet strong enough to saturate samples containing iron. Starting from scratch, this comprised numerous steps such as developing a suitable coplanar waveguide design, and writing the control, evaluation, and fitting software. With both increasing ion fluence and number of Py/Ta interfaces, a decrease of saturation magnetization has been observed. In the case of the 10×Py samples, an immediate decrease of µ0MS already sets in at small ion fluences. However, for the 1×Py and 5×Py samples, the saturation magnetization remains constant up to a certain ion fluence, but then starts to rapidly decrease. Ne ion irradiation causes a mixing and broadening of the interfaces. Thus, the Py/Ta stacks undergo a transition from being polycrystalline to amorphous at a critical fluence depending on the number of interfaces. The saturation magnetization is found to vanish at a Ta concentration of about 10–15 at.% in the Py layers. The samples possess a small uniaxial anisotropy, which remains virtually unaffected by the ion fluence, but slightly reduces with an increasing number of Py/Ta interfaces. In addition to magnetostatics, the dynamic properties of the samples have been investigated as well. The Gilbert damping parameter α increases with both increasing number of Py/Ta interfaces and higher ion fluences, with the former having a stronger influence. The inhomogeneous linewidth broadening ΔB0 increases as well with increasing number of Py/Ta interfaces, but slightly decreases for higher ion fluences. / In dieser Dissertation ist der Einfluss von Ionenbestrahlung auf die magnetostatischen und dynamischen Eigenschaften von weichmagnetischen Py/Ta-Einzel- und Multilagen (Py = Permalloy: Ni80Fe20) untersucht worden, wobei das Hauptziel gewesen ist, eine Methode zur Bestimmung der Sättigungsmagnetisierung zu finden. Sowohl polare magneto-optische Kerr-Effektmessungen (MOKE) als auch ferromagnetische Resonanzmessungen mittels eines Vektornetzwerkanalysators (VNA-FMR) haben sich als geeignet erwiesen, um µ0MS zu bestimmen, wobei das Problem des unbekannten effektiven magnetischen Volumens umgangen wird, welches bei der Verwendung von Techniken wie SQUID oder VSM auftreten würde. Unter der Voraussetzung, dass die Proben keinen senkrechten magnetischen Anisotropiebeitrag besitzen, kann die Sättigungsmagnetisierung selbst im Fall starker Grenzflächendurchmischung infolge einer großen Anzahl an Py/Ta-Grenzflächen und/oder Ionenbestrahlung mit hohen Fluenzen bestimmt werden. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Konstruktion eines VNA-FMR-Spektrometers gewesen, welches vollautomatisiert ist, polare und azimutale Winkelabhängigkeiten messen kann und einen Magneten besitzt, der Proben, die Eisen beinhalten, sättigen kann. Von Grund auf beginnend umfasste dies zahlreiche Schritte wie z. B. die Entwicklung eines geeigneten koplanaren Wellenleiterdesigns sowie das Schreiben von Steuerungs-, Auswertungs- und Fitprogrammen. Mit steigender Fluenz und Zahl an Py/Ta-Grenzflächen ist eine Abnahme der Sättigungsmagnetisierung beobachtet worden. Im Fall der 10×Py-Proben findet diese bereits bei kleinen Fluenzen statt. Im Gegensatz dazu bleibt µ0MS der 1×Py- und 5×Py-Proben bis zu einer bestimmten Fluenz konstant, bevor sie sich dann umso schneller verringert. Die Bestrahlung mit Ne-Ionen verursacht eine Durchmischung und Verbreiterung der Grenzflächen. Infolgedessen erfahren die Py/Ta-Proben bei einer kritischen Fluenz, die von der Zahl der Grenzflächen abhängig ist, einen Phasenübergang von polykristallin zu amorph. Die Sättigungsmagnetisierung verschwindet ab einer Ta-Konzentration von etwa 10–15 Atom-% in den Py-Schichten. Die Proben besitzen eine kleine uniaxiale Anisotropie, die praktisch unbeeinflusst von der Fluenz ist, sich jedoch mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen leicht verringert. Neben den statischen sind auch die dynamischen magnetischen Eigenschaften der Proben untersucht worden. Der Gilbert-Dämpfungsparameter α erhöht sich sowohl mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen als auch mit höheren Fluenzen, wobei Erstere einen größeren Einfluss hat. Die inhomogene Linienverbreiterung ΔB0 nimmt ebenfalls mit steigender Zahl an Py/Ta-Grenzflächen zu, verringert sich jedoch bei größeren Fluenzen leicht.

Ausgangspunkt der Untersuchungen war die Wahrnehmung von massenhaften Wohnungsleerständen in den innerstädtischen älteren Geschosswohnungsbeständen Ostdeutschlands. In den Gebäuden der Gründerzeit steht derzeit etwa jede dritte Wohnung leer. Darin liegt nicht nur aus ökonomischer, sondern auch aus ökologischer Perspektive eine enorme Ressourcenvergeudung. Lohnt sich für diese Gebäude eine Sanierung? Wer könnten die künftigen Nutzer sein und wie sind deren Wohnpräferenzen einzuschätzen? Welche Entwicklungstendenzen und -potenziale sind erkennbar? Mit diesen Fragen befasst sich die vorliegende IÖR-Schrift "Nutzbarkeit des älteren Geschosswohnungsbestandes". Den Kern der Untersuchungen bildet eine Haushaltsbefragung in ausgewählten Wohngebieten, die in Abstimmung mit Experten der Praxis so gewählt wurden, dass typische Entwicklungsdynamiken abgebildet werden. Wesentliche Bausteine der Beurteilung von Zuzugs- und Bleibepotenzialen unterschiedlicher Nutzergruppen sind die Gruppierung potenzieller Nachfrager nach Haushaltstypen, ein Qualitätstypenansatz für Wohngebäude sowie ein mehrdimensionales Konzept der Wohnzufriedenheit. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Wohnungen in den älteren Geschosswohnungsbeständen für ein breites Nutzerspektrum mit unterschiedlichen Präferenzen geeignet sind. Allerdings ist festzustellen, dass sowohl das Zuzugs- als auch das Bleibepotenzial bei den einzelnen Haushaltstypen unterschiedlich ausgeprägt ist. Die Autoren kommen abschließend zu der Empfehlung, dass man in den Gebieten vorfindliche eigendynamische Nutzungsansätze unterstützen sollte, wobei auch mögliche Bedenken hinsichtlich typischer, unerwünschter sozialer Effekte im Zusammenhang mit Sanierungs- und Modernisierungsprozessen durch die weit bedeutendere Problematik der zögerlichen Wiedernutzung der Gebiete nach dramatischen Bevölkerungsverlusten relativiert werden.

Developed rechargeable batteries are urgently required to make more efficient use of renewable energy sources to support our modern way of life. Among all battery types, lithium batteries have attracted the most attention because of the high energy density (both gravimetric and volumetric), long cycle life, reasonable production cost and the ease of manufacturing flexible designs. Indeed, electrode material characteristics need to be improved urgently to fulfil the requirements for high performance lithium ion batteries. TiO2-based anodes are highly promising materials for LIBs to replace carbon due to fast lithium insertion/extraction kinetics, environmentally-friendly behavior, low cost and low volume change (less than 4%) therewith, high structural stability as well as improved safety issues are obtained. Nevertheless, the low ionic and electric conductivity (≈ 10−12 S m−1) of TiO2 represent the main challenge. In short, the present work aims at developing, optimization and construction of novel anode materials for lithium ion batteries using materials that are stable, abundant and environmentally friendly. Herein, both of two-phase Ti80Co20 and single phase Ti-Sn alloys (with different Sn contents of 1 to 10 at.%) were used to fabricate highly ordered, vertically oriented and dimension-controlled 1D nanotubes of mixed transition metal oxides (TiO2-CoO and TiO2-SnO2) via a straight-forward anodic oxidation step in organic electrolytes containing NH4F. Surface morphology and current density for the initial nanotube formation are found to be dependent on the crystal structure of the alloy phases. Various characterization tools such as SEM, EDXS, TEM, XPS and Raman spectroscopy were used to characterize the grown nanotube films. The results reveal the successful formation of mixed TiO2-CoO and TiO2-SnO2 nanotubes under the selected voltage ranges. The as-formed nanotubes are amorphous and their dimensions are precisely controlled by tuning the formation voltage. The electrochemical performance of the grown nanotubes was evaluated against a Li/Li+ electrode at different current densities. The results revealed that TiO2-CoO nanotubes prepared at 60 V exhibited the highest areal capacity of ~ 600 µAh cm–2 (i.e. 315 mAh g–1) at a current density of 10 µA cm–2. At higher current densities TiO2-CoO nanotubes showed nearly doubled lithium ion intercalation and a coulombic efficiency of 96 % after 100 cycles compared to lower effective TiO2 nanotubes prepared under identical conditions. To further improve the electrochemical performance of the TiO2-CoO nanotubes, a novel ternary carbon nanotubes (CNTs)@TiO2-CoO nanotubes composite was fabricated by a two-step synthesis method. The preparation includes an initial anodic fabrication of well-ordered TiO2-CoO NTs from a Ti-Co alloy, followed by growing of CNTs horizontally on the top of the oxide films using a simple spray pyrolysis technique. The unique 1D structure of such a hybrid nanostructure with the inclusion of CNTs demonstrates significantly enhanced areal capacity and rate performances compared to pure TiO2 and TiO2-CoO NTs without CNTs tested under identical conditions. The findings reveal that CNTs provide a highly conductive network that improves Li+ ion diffusivity promoting a strongly favored lithium insertion into the TiO2-CoO NT framework, and hence results in high capacity and extremely reproducible high rate capability. On the other hand, the results demonstrate that TiO2-SnO2 nanotubes prepared at 40 V on a Ti-Sn alloy with 1 at.% Sn display an average 1.4 fold increase in areal capacity with excellent cycling stability over more than 400 cycles compared to the pure TiO2 nanotubes fabricated and tested under identical conditions. The thesis is organized as follows: Chapter 1: General introduction, in which the common situation of energy demand, along with the importance of lithium ion batteries in renewable energy systems and portable devices are discussed. A brief introduction to TiO2-based anode in lithium ion batteries and the genera strategies for developing TiO2 anodes are also presented. The scope of this thesis as well as the main tasks are summarized. Chapter 2: The basic concepts of lithium ion batteries with an overview about their main components are discussed, including a brief information about the anode materials and the crystal structure of TiO2 anode. A detailed review for TiO2 nanomaterials for LIBs including the fabrication methods and the electrochemical performance of various TiO2 nanostructures (nanoparticles, nanorods, nanoneedles, nanowires and nanotubes) as well as porousTiO2 nanostructures is presented. The fabrication of TiO2 nanotubes by anodic oxidation, along with the growth mechanism are highlighted. The factors affecting the electrochemical performance of anodically fabricated pure TiO2, TiO2/carbon composites and TiO2-mixed with another metal oxide are reviewed. Chapter 3: In this chapter, the synthesis of TiO2-CoO, (CNTs)@TiO2-CoO and TiO2-SnO2 nanotubes, along with the characterization techniques and the electrochemical basics and concepts are discussed. Chapter 4: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of TiO2-CoO nanotubes and ternary (CNTs)@TiO2/CoO nanotube composites are presented. Chapter 5: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of ternary (CNTs)@TiO2-CoO nanotube composites are explained. Chapter 6: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of TiO2-SnO2 nanotubes are presented. Chapter 7: Summarizes the results presented in this work finishing with realistic conclusions, and highlights interesting work for the future. / Um die zur Aufrechterhaltung unserer modernen Lebensweise unabdingbaren erneuerbaren Energiequellen effizient nutzen zu können, werden hochentwickelte wiederaufladbare Batterien dringend benötigt. Lithium-Ionenbatterien gelten aufgrund ihrer hohen Energiedichte (sowohl gravimetrisch als auch volumetrisch), ihrer langen Lebensdauer, moderater Produktionskosten und aufgrund der Möglichkeit, vielfältige Konzepte einfach herstellen zu können, als vielversprechend. Dennoch müssen die Elektrodenmaterialien dringend verbessert werden, um den Ansprüchen an zukünftige hochentwickelte Lithium-Ionenbatterien gerecht zu werden. TiO2-basierte Anoden gelten aufgrund ihrer schnellen Lade- und Entladekinetik, ihres umweltfreundlichen Verhaltens und niedriger Kosten als aussichtsreiche Alternativen zu Kohlenstoffen. Durch die geringe Volumenänderung beim Lithiumeinbau (unter 4%) werden außerdem eine hohe strukturelle Stabilität und erhöhte Sicherheit gewährleistet. Die hauptsächlichen Herausforderungen stellen die niedrige ionische und elektrische Leitfähigkeit (≈ 10−12 S m−1) von TiO2 dar. Zusammengefasst liegt das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung, Optimierung und Herstellung neuartiger Anodenmaterialien für Lithium-Ionenbatterien unter Verwendung stabiler, verfügbarer und umweltfreundlicher Materialien. In dieser Arbeit wurden sowohl zweiphasiges Ti80Co20 und einphasige Ti-Sn-Legierungen (mit verschiedenen Sn-Gehalten zwischen 1 und 10 at-%) zur Herstellung hochgeordneter, vertikal orientierter eindimensionaler Nanoröhren aus gemischten Übergangsmetalloxiden (TiO2–CoO und TiO2–SnO2) mittels anodischer Oxidation in NH4F-haltigen organischen Elektrolyten genutzt. Dabei wurden Abhängigkeiten der Oberflächenmorphologie und der Stromdichte für die Bildung der Nanoröhren von der Kristallstruktur der zugrundeliegenden Legierung beobachtet. Vielfältige Methoden wie REM, EDXS, TEM, XPS und Ramanspektroskopie wurden genutzt, um die Nanoröhren zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass gemischte TiO2-CoO und TiO2-SnO2 Nanoröhren in den gewählten Spannungsfenstern erfolgreich gebildet werden konnten. Die so hergestellten Nanoröhren sind amorph und in ihren Dimensionen präzise durch die Wahl der Spannung einstellbar. Eine elektrochemische Beurteilung der Nanoröhren erfolgte durch Tests gegen eine Li/Li+-Elektrode bei veschiedenen Stromdichten. Die Resultate zeigen, dass TiO2-CoO-Nanoröhren, welche bei 60 V hergestellt wurden, die höchsten Flächenkapazitäten von ~ 600 µAh cm–2 (d.h. 315 mAh g–1) bei einer Stromdichte von 10 µA cm–2 aufweisen. Bei höheren Stromdichten zeigen TiO2-CoO-Nanoröhren nahezu verdoppelte Lithiuminterkalation und eine Coulomb-Effizienz von 96 % nach 100 Zyklen, verglichen mit weniger effektiven TiO2–Nanoröhren, welche unter identischen Bedingungen hergestellt wurden. Um die elektrochemischen Eigenschaften der TiO2-CoO-Nanoröhren weiter zu verbessern, wurde ein neuer Komposit aus Kohlenstoff-Nanoröhren und TiO2-CoO-Nanoröhren ((CNT)s@TiO2/CoO) durch eine zweistufige Synthese hergestellt. Die Herstellung beinhaltet zunächst die anodische Bildung geordneter TiO2/CoO-Nanoröhren, ausgehend von einer Ti-Co-Legierung, gefolgt von einem horizontalen Kohlenstoff-Nanoröhren-Wachstum auf dem Oxid mittels einer simplen Sprühpyrolyse. Die einzigartige 1D-Struktur einer solchen hybriden Nanostruktur mit eingebundenen CNTs zeigt deutlich erhöhte Flächenkapazitäten und Belastbarkeiten im Vergleich zu Nanoröhren aus TiO2 und TiO2/CoO-Nanoröhren ohne CNTs, die unter identischen Bedingungen getestet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die CNTs ein hochleitfähiges Netzwerk bilden, welches die Diffusion von Lithium-Ionen und deren Einbau in die TiO2/CoO-Nanoröhren begünstigt und somit hohe Kapazitäten und reproduzierbare hohe Belastbarkeiten bewirkt. Außerdem zeigen die Resultate, dass TiO2-SnO2 Nanoröhren, welche bei 40 V auf einer Ti-Sn-Legierung mit 1 at.% Sn hergestellt wurden, im Mittel eine 1,4-fache Erhöhung der Flächenkapazität und eine exzellente Zyklenstabilität über mehr als 400 Zyklen, verglichen mit unter identischen Konditionen hergestellten und getesteten TiO2-Nanoröhren, zeigen. Die Arbeit ist wie folgt organisiert: Kapitel 1: Allgemeine Einführung, in der die Energienachfrage und die Bedeutung von Lithium-Ionenbatterien in erneuerbaren Energiesystemen und tragbaren Geräten diskutiert wird. Eine kurze Einleitung zu TiO2-basierten Anoden in Lithium-Ionenbatterien und allgemeine Strategien zur Entwicklung von TiO2-Anoden werden ebenfalls gezeigt. Das Ziel der Arbeit und hauptsächliche Aufgaben werden zusammengefasst. Kapitel 2: Das grundlegende Konzept der Lithium-Ionenbatterie mit einem Überblick über ihre Hauptkomponenten wird diskutiert. Dies beinhaltet auch eine kurze Darstellung der Anodenmaterialien und der Kristallstruktur von TiO2-Anoden. Eine detaillierte Übersicht über TiO2-Nanomaterialien für LIB, welche Herstellungsmethoden und die elektrochemische Performance verschiedener TiO2-Nanostrukturen (Nanopartikel, Nanostäbe, Nanonadeln, Nanodrähte und Nanoröhren) und poröser TiO2-Nanostrukturen beinhaltet, wird gezeigt. Die Bildung von TiO2-Nanoröhren durch anodische Oxidation und der Wachstumsmechanismus werden hervorgehoben. Faktoren, welche die elektrochemische Performance anodisch hergestellter TiO2-Materialien, TiO2/Kohlenstoff-Komposite und TiO2 als Gemisch mit anderen Metalloxiden beeinflussen, werden diskutiert. Kapitel 3: In diesem Kapitel werden die Synthese von TiO2-CoO, (CNTs)@TiO2/CoO und TiO2-SnO2-Nanoröhren, die Charakterisierungsmethoden, elektrochemische Grundlagen und Konzepte diskutiert. Kapitel 4: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance der TiO2-CoO- Nanoröhren und der ternären (CNTs)@TiO2/CoO-Nanoröhrenkomposite werden gezeigt. Kapitel 5: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance der der ternären (CNTs)@TiO2/CoO-Nanoröhrenkomposite werden diskutiert. Kapitel 6: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance von TiO2-SnO2-Nanoröhren werden gezeigt. Kapitel 7: Eine Zusammenfassung der Resultate, die in dieser Arbeit gezeigt wurden und Schlussfolgerungen, sowie interessante Ansatzpunkte für zukünftige Arbeiten werden präsentiert.

Developed rechargeable batteries are urgently required to make more efficient use of renewable energy sources to support our modern way of life. Among all battery types, lithium batteries have attracted the most attention because of the high energy density (both gravimetric and volumetric), long cycle life, reasonable production cost and the ease of manufacturing flexible designs. Indeed, electrode material characteristics need to be improved urgently to fulfil the requirements for high performance lithium ion batteries. TiO2-based anodes are highly promising materials for LIBs to replace carbon due to fast lithium insertion/extraction kinetics, environmentally-friendly behavior, low cost and low volume change (less than 4%) therewith, high structural stability as well as improved safety issues are obtained. Nevertheless, the low ionic and electric conductivity (≈ 10−12 S m−1) of TiO2 represent the main challenge. In short, the present work aims at developing, optimization and construction of novel anode materials for lithium ion batteries using materials that are stable, abundant and environmentally friendly. Herein, both of two-phase Ti80Co20 and single phase Ti-Sn alloys (with different Sn contents of 1 to 10 at.%) were used to fabricate highly ordered, vertically oriented and dimension-controlled 1D nanotubes of mixed transition metal oxides (TiO2-CoO and TiO2-SnO2) via a straight-forward anodic oxidation step in organic electrolytes containing NH4F. Surface morphology and current density for the initial nanotube formation are found to be dependent on the crystal structure of the alloy phases. Various characterization tools such as SEM, EDXS, TEM, XPS and Raman spectroscopy were used to characterize the grown nanotube films. The results reveal the successful formation of mixed TiO2-CoO and TiO2-SnO2 nanotubes under the selected voltage ranges. The as-formed nanotubes are amorphous and their dimensions are precisely controlled by tuning the formation voltage. The electrochemical performance of the grown nanotubes was evaluated against a Li/Li+ electrode at different current densities. The results revealed that TiO2-CoO nanotubes prepared at 60 V exhibited the highest areal capacity of ~ 600 µAh cm–2 (i.e. 315 mAh g–1) at a current density of 10 µA cm–2. At higher current densities TiO2-CoO nanotubes showed nearly doubled lithium ion intercalation and a coulombic efficiency of 96 % after 100 cycles compared to lower effective TiO2 nanotubes prepared under identical conditions. To further improve the electrochemical performance of the TiO2-CoO nanotubes, a novel ternary carbon nanotubes (CNTs)@TiO2-CoO nanotubes composite was fabricated by a two-step synthesis method. The preparation includes an initial anodic fabrication of well-ordered TiO2-CoO NTs from a Ti-Co alloy, followed by growing of CNTs horizontally on the top of the oxide films using a simple spray pyrolysis technique. The unique 1D structure of such a hybrid nanostructure with the inclusion of CNTs demonstrates significantly enhanced areal capacity and rate performances compared to pure TiO2 and TiO2-CoO NTs without CNTs tested under identical conditions. The findings reveal that CNTs provide a highly conductive network that improves Li+ ion diffusivity promoting a strongly favored lithium insertion into the TiO2-CoO NT framework, and hence results in high capacity and extremely reproducible high rate capability. On the other hand, the results demonstrate that TiO2-SnO2 nanotubes prepared at 40 V on a Ti-Sn alloy with 1 at.% Sn display an average 1.4 fold increase in areal capacity with excellent cycling stability over more than 400 cycles compared to the pure TiO2 nanotubes fabricated and tested under identical conditions. The thesis is organized as follows: Chapter 1: General introduction, in which the common situation of energy demand, along with the importance of lithium ion batteries in renewable energy systems and portable devices are discussed. A brief introduction to TiO2-based anode in lithium ion batteries and the genera strategies for developing TiO2 anodes are also presented. The scope of this thesis as well as the main tasks are summarized. Chapter 2: The basic concepts of lithium ion batteries with an overview about their main components are discussed, including a brief information about the anode materials and the crystal structure of TiO2 anode. A detailed review for TiO2 nanomaterials for LIBs including the fabrication methods and the electrochemical performance of various TiO2 nanostructures (nanoparticles, nanorods, nanoneedles, nanowires and nanotubes) as well as porousTiO2 nanostructures is presented. The fabrication of TiO2 nanotubes by anodic oxidation, along with the growth mechanism are highlighted. The factors affecting the electrochemical performance of anodically fabricated pure TiO2, TiO2/carbon composites and TiO2-mixed with another metal oxide are reviewed. Chapter 3: In this chapter, the synthesis of TiO2-CoO, (CNTs)@TiO2-CoO and TiO2-SnO2 nanotubes, along with the characterization techniques and the electrochemical basics and concepts are discussed. Chapter 4: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of TiO2-CoO nanotubes and ternary (CNTs)@TiO2/CoO nanotube composites are presented. Chapter 5: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of ternary (CNTs)@TiO2-CoO nanotube composites are explained. Chapter 6: Detailed results and discussion of synthesis, characterizations and the electrochemical performance of TiO2-SnO2 nanotubes are presented. Chapter 7: Summarizes the results presented in this work finishing with realistic conclusions, and highlights interesting work for the future.:1. Introduction and scope of the thesis 15 1.1 Batteries for renewable energy systems and portable devices 15 1.2 TiO2-based anodes in lithium ion batteries 17 1.3 Strategies for developing TiO2 anodes 17 1.4 Scope of work 19 1.5 Tasks 20 2. Basics and literature review 23 2.1 Lithium ion battery system 23 2.2 Anode materials 26 2.3 Crystal structure of TiO2 28 2.4 TiO2 nanomaterials for LIBs 30 2.4.1 TiO2 nanoparticles 30 2.4.2 TiO2 nanoneedles 36 2.4.3 Porous TiO2 nanostructures 39 2.5 TiO2 nanotubes prepared by electrochemical anodization 44 2.6 The mechanism of nanotube formation by anodic oxidation 47 2.7 Anodically fabricated TiO2 nanotubes as anodes in LIBs 49 2.7.1 Anodization electrolyte 50 2.7.2 Amorphous and crystalline TiO2 anodes 50 2.7.3 Influence of the nnealing atmospheres of TiO2 52 2.7.4 Free-standing TiO2 nanotube membranes 54 2.7.5 TiO2 nanotubes/carbon composites 55 2.7.6 Mixed oxide nanotubes 55 3. Materials and methods 61 3.1 Methodology 61 3.1.1 Synthesis of TiO2-CoO and TiO2 nanotubes 61 3.1.2 Synthesis of CNTs@TiO2-CoO NT composite 62 3.1.3 Synthesis of TiO2-SnO2 and TiO2 nanotubes 63 3.2 Characterization techniques 64 3.2.1 X-ray diffraction (XRD 64 3.2.2 Scanning electron microscopy (SEM 65 3.2.3 Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDXS 65 3.2.4 Transmission electron spectroscopy (TEM 66 3.2.5 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS 66 3.2.6 Raman spectroscopy 67 3.2.7 Nitrogen sorption isotherms 67 3.2.8 Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP–OES 68 3.3 Basic definitions and electrochemical concepts 68 3.3.1 Faraday’s law 68 3.3.2 Capacity 69 3.3.3 Discharging 69 3.3.4 Charging 69 3.4 Electrochemical techniques 70 3.4.1 Cyclic voltammetry 70 3.4.2 Galvanostatic discharging/charging cycling 70 3.4.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 71 3.5 Electrode preparation and measurement conditions 71 3.5.1 TiO2-CoO nanotube electrodes 71 3.5.2 CNTs@TiO2 and CNTs@TiO2/CoO NTs electrodes 72 3.5.3 TiO2-SnO2 nanotube electrodes 73 4. TiO2-CoO as anodes in lithium ion batteries 75 4.1 Introduction 76 4.2 Characterization 76 4.2.1 Phase identification of as cast Ti-Co alloy 76 4.2.2 Time-current density relationship 79 4.2.3 Morphology of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 81 4.2.4 Phase identification of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 85 4.2.5 Specific surface area of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 87 4.2.6 Chemical state in the grown TiO2-CoO nanotubes 89 4.2.7 Raman spectroscopy of TiO2-CoO nanotubes 91 4.3 Electrochemical testing of TiO2-CoO electrodes 92 4.3.1 Cyclic voltammetry 92 4.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation 93 4.3.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 97 4.3.4 Structural stability TiO2-CoO anodes over cycling 98 4.4 Summary of chapter 4 99 5. Ternary CNTs@TiO2-CoO nanotube composites: improved anode materials for LIBs 101 5.1 Introduction 102 5.2 Characterization 103 5.2.1 Morphology and Raman analysis of the fabricated CNTs@TiO2-CoO NTs 103 5.2.2 XRD analysis of the fabricated TiO2-CoO NTs before and after CNTs coating 106 5.3 Electrochemical properties 107 5.3.1 Cyclic voltammetry 107 5.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation 109 5.3.2 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 112 5.4 Summary of chapter 5 114 6. TiO2-SnO2 nanotubes as anodes in lithium ion batteries 115 6.1 Introduction 116 6.2 Characterization 117 6.2.1 ICP-OES analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 117 6.2.2 SEM analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 117 6.2.3 Phase analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 118 6.2.4 Morphology of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes 121 6.2.5 XPS investigation of the grown TiO2-SnO2 nanotubes 127 6.2.6 Raman spectroscopy of TiO2-SnO2 nanotubes 129 6.3 Electrochemical Testing 130 6.3.1 Cyclic voltammetry 130 6.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation132 6.3.3 Specific surface area of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes135 6.3.4 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and rate performance tests of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes 137 6.4 Summary of chapter 6140 7. Summary and outlook 141 7.1 Summary 141 7.2 Outlook 143 Appendix 145 Bibliography 157 List of figures 183 Glossary 191 Publications 193 Curriculum vitae 195 Acknowledgment 199 Declaration 201 / Um die zur Aufrechterhaltung unserer modernen Lebensweise unabdingbaren erneuerbaren Energiequellen effizient nutzen zu können, werden hochentwickelte wiederaufladbare Batterien dringend benötigt. Lithium-Ionenbatterien gelten aufgrund ihrer hohen Energiedichte (sowohl gravimetrisch als auch volumetrisch), ihrer langen Lebensdauer, moderater Produktionskosten und aufgrund der Möglichkeit, vielfältige Konzepte einfach herstellen zu können, als vielversprechend. Dennoch müssen die Elektrodenmaterialien dringend verbessert werden, um den Ansprüchen an zukünftige hochentwickelte Lithium-Ionenbatterien gerecht zu werden. TiO2-basierte Anoden gelten aufgrund ihrer schnellen Lade- und Entladekinetik, ihres umweltfreundlichen Verhaltens und niedriger Kosten als aussichtsreiche Alternativen zu Kohlenstoffen. Durch die geringe Volumenänderung beim Lithiumeinbau (unter 4%) werden außerdem eine hohe strukturelle Stabilität und erhöhte Sicherheit gewährleistet. Die hauptsächlichen Herausforderungen stellen die niedrige ionische und elektrische Leitfähigkeit (≈ 10−12 S m−1) von TiO2 dar. Zusammengefasst liegt das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung, Optimierung und Herstellung neuartiger Anodenmaterialien für Lithium-Ionenbatterien unter Verwendung stabiler, verfügbarer und umweltfreundlicher Materialien. In dieser Arbeit wurden sowohl zweiphasiges Ti80Co20 und einphasige Ti-Sn-Legierungen (mit verschiedenen Sn-Gehalten zwischen 1 und 10 at-%) zur Herstellung hochgeordneter, vertikal orientierter eindimensionaler Nanoröhren aus gemischten Übergangsmetalloxiden (TiO2–CoO und TiO2–SnO2) mittels anodischer Oxidation in NH4F-haltigen organischen Elektrolyten genutzt. Dabei wurden Abhängigkeiten der Oberflächenmorphologie und der Stromdichte für die Bildung der Nanoröhren von der Kristallstruktur der zugrundeliegenden Legierung beobachtet. Vielfältige Methoden wie REM, EDXS, TEM, XPS und Ramanspektroskopie wurden genutzt, um die Nanoröhren zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass gemischte TiO2-CoO und TiO2-SnO2 Nanoröhren in den gewählten Spannungsfenstern erfolgreich gebildet werden konnten. Die so hergestellten Nanoröhren sind amorph und in ihren Dimensionen präzise durch die Wahl der Spannung einstellbar. Eine elektrochemische Beurteilung der Nanoröhren erfolgte durch Tests gegen eine Li/Li+-Elektrode bei veschiedenen Stromdichten. Die Resultate zeigen, dass TiO2-CoO-Nanoröhren, welche bei 60 V hergestellt wurden, die höchsten Flächenkapazitäten von ~ 600 µAh cm–2 (d.h. 315 mAh g–1) bei einer Stromdichte von 10 µA cm–2 aufweisen. Bei höheren Stromdichten zeigen TiO2-CoO-Nanoröhren nahezu verdoppelte Lithiuminterkalation und eine Coulomb-Effizienz von 96 % nach 100 Zyklen, verglichen mit weniger effektiven TiO2–Nanoröhren, welche unter identischen Bedingungen hergestellt wurden. Um die elektrochemischen Eigenschaften der TiO2-CoO-Nanoröhren weiter zu verbessern, wurde ein neuer Komposit aus Kohlenstoff-Nanoröhren und TiO2-CoO-Nanoröhren ((CNT)s@TiO2/CoO) durch eine zweistufige Synthese hergestellt. Die Herstellung beinhaltet zunächst die anodische Bildung geordneter TiO2/CoO-Nanoröhren, ausgehend von einer Ti-Co-Legierung, gefolgt von einem horizontalen Kohlenstoff-Nanoröhren-Wachstum auf dem Oxid mittels einer simplen Sprühpyrolyse. Die einzigartige 1D-Struktur einer solchen hybriden Nanostruktur mit eingebundenen CNTs zeigt deutlich erhöhte Flächenkapazitäten und Belastbarkeiten im Vergleich zu Nanoröhren aus TiO2 und TiO2/CoO-Nanoröhren ohne CNTs, die unter identischen Bedingungen getestet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die CNTs ein hochleitfähiges Netzwerk bilden, welches die Diffusion von Lithium-Ionen und deren Einbau in die TiO2/CoO-Nanoröhren begünstigt und somit hohe Kapazitäten und reproduzierbare hohe Belastbarkeiten bewirkt. Außerdem zeigen die Resultate, dass TiO2-SnO2 Nanoröhren, welche bei 40 V auf einer Ti-Sn-Legierung mit 1 at.% Sn hergestellt wurden, im Mittel eine 1,4-fache Erhöhung der Flächenkapazität und eine exzellente Zyklenstabilität über mehr als 400 Zyklen, verglichen mit unter identischen Konditionen hergestellten und getesteten TiO2-Nanoröhren, zeigen. Die Arbeit ist wie folgt organisiert: Kapitel 1: Allgemeine Einführung, in der die Energienachfrage und die Bedeutung von Lithium-Ionenbatterien in erneuerbaren Energiesystemen und tragbaren Geräten diskutiert wird. Eine kurze Einleitung zu TiO2-basierten Anoden in Lithium-Ionenbatterien und allgemeine Strategien zur Entwicklung von TiO2-Anoden werden ebenfalls gezeigt. Das Ziel der Arbeit und hauptsächliche Aufgaben werden zusammengefasst. Kapitel 2: Das grundlegende Konzept der Lithium-Ionenbatterie mit einem Überblick über ihre Hauptkomponenten wird diskutiert. Dies beinhaltet auch eine kurze Darstellung der Anodenmaterialien und der Kristallstruktur von TiO2-Anoden. Eine detaillierte Übersicht über TiO2-Nanomaterialien für LIB, welche Herstellungsmethoden und die elektrochemische Performance verschiedener TiO2-Nanostrukturen (Nanopartikel, Nanostäbe, Nanonadeln, Nanodrähte und Nanoröhren) und poröser TiO2-Nanostrukturen beinhaltet, wird gezeigt. Die Bildung von TiO2-Nanoröhren durch anodische Oxidation und der Wachstumsmechanismus werden hervorgehoben. Faktoren, welche die elektrochemische Performance anodisch hergestellter TiO2-Materialien, TiO2/Kohlenstoff-Komposite und TiO2 als Gemisch mit anderen Metalloxiden beeinflussen, werden diskutiert. Kapitel 3: In diesem Kapitel werden die Synthese von TiO2-CoO, (CNTs)@TiO2/CoO und TiO2-SnO2-Nanoröhren, die Charakterisierungsmethoden, elektrochemische Grundlagen und Konzepte diskutiert. Kapitel 4: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance der TiO2-CoO- Nanoröhren und der ternären (CNTs)@TiO2/CoO-Nanoröhrenkomposite werden gezeigt. Kapitel 5: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance der der ternären (CNTs)@TiO2/CoO-Nanoröhrenkomposite werden diskutiert. Kapitel 6: Detaillierte Resultate und die Diskussion der Synthese, Charakterisierung und der elektrochemischen Performance von TiO2-SnO2-Nanoröhren werden gezeigt. Kapitel 7: Eine Zusammenfassung der Resultate, die in dieser Arbeit gezeigt wurden und Schlussfolgerungen, sowie interessante Ansatzpunkte für zukünftige Arbeiten werden präsentiert.:1. Introduction and scope of the thesis 15 1.1 Batteries for renewable energy systems and portable devices 15 1.2 TiO2-based anodes in lithium ion batteries 17 1.3 Strategies for developing TiO2 anodes 17 1.4 Scope of work 19 1.5 Tasks 20 2. Basics and literature review 23 2.1 Lithium ion battery system 23 2.2 Anode materials 26 2.3 Crystal structure of TiO2 28 2.4 TiO2 nanomaterials for LIBs 30 2.4.1 TiO2 nanoparticles 30 2.4.2 TiO2 nanoneedles 36 2.4.3 Porous TiO2 nanostructures 39 2.5 TiO2 nanotubes prepared by electrochemical anodization 44 2.6 The mechanism of nanotube formation by anodic oxidation 47 2.7 Anodically fabricated TiO2 nanotubes as anodes in LIBs 49 2.7.1 Anodization electrolyte 50 2.7.2 Amorphous and crystalline TiO2 anodes 50 2.7.3 Influence of the nnealing atmospheres of TiO2 52 2.7.4 Free-standing TiO2 nanotube membranes 54 2.7.5 TiO2 nanotubes/carbon composites 55 2.7.6 Mixed oxide nanotubes 55 3. Materials and methods 61 3.1 Methodology 61 3.1.1 Synthesis of TiO2-CoO and TiO2 nanotubes 61 3.1.2 Synthesis of CNTs@TiO2-CoO NT composite 62 3.1.3 Synthesis of TiO2-SnO2 and TiO2 nanotubes 63 3.2 Characterization techniques 64 3.2.1 X-ray diffraction (XRD 64 3.2.2 Scanning electron microscopy (SEM 65 3.2.3 Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDXS 65 3.2.4 Transmission electron spectroscopy (TEM 66 3.2.5 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS 66 3.2.6 Raman spectroscopy 67 3.2.7 Nitrogen sorption isotherms 67 3.2.8 Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP–OES 68 3.3 Basic definitions and electrochemical concepts 68 3.3.1 Faraday’s law 68 3.3.2 Capacity 69 3.3.3 Discharging 69 3.3.4 Charging 69 3.4 Electrochemical techniques 70 3.4.1 Cyclic voltammetry 70 3.4.2 Galvanostatic discharging/charging cycling 70 3.4.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 71 3.5 Electrode preparation and measurement conditions 71 3.5.1 TiO2-CoO nanotube electrodes 71 3.5.2 CNTs@TiO2 and CNTs@TiO2/CoO NTs electrodes 72 3.5.3 TiO2-SnO2 nanotube electrodes 73 4. TiO2-CoO as anodes in lithium ion batteries 75 4.1 Introduction 76 4.2 Characterization 76 4.2.1 Phase identification of as cast Ti-Co alloy 76 4.2.2 Time-current density relationship 79 4.2.3 Morphology of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 81 4.2.4 Phase identification of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 85 4.2.5 Specific surface area of the fabricated TiO2-CoO nanotubes 87 4.2.6 Chemical state in the grown TiO2-CoO nanotubes 89 4.2.7 Raman spectroscopy of TiO2-CoO nanotubes 91 4.3 Electrochemical testing of TiO2-CoO electrodes 92 4.3.1 Cyclic voltammetry 92 4.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation 93 4.3.3 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 97 4.3.4 Structural stability TiO2-CoO anodes over cycling 98 4.4 Summary of chapter 4 99 5. Ternary CNTs@TiO2-CoO nanotube composites: improved anode materials for LIBs 101 5.1 Introduction 102 5.2 Characterization 103 5.2.1 Morphology and Raman analysis of the fabricated CNTs@TiO2-CoO NTs 103 5.2.2 XRD analysis of the fabricated TiO2-CoO NTs before and after CNTs coating 106 5.3 Electrochemical properties 107 5.3.1 Cyclic voltammetry 107 5.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation 109 5.3.2 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 112 5.4 Summary of chapter 5 114 6. TiO2-SnO2 nanotubes as anodes in lithium ion batteries 115 6.1 Introduction 116 6.2 Characterization 117 6.2.1 ICP-OES analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 117 6.2.2 SEM analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 117 6.2.3 Phase analysis of the as-cast Ti-Sn alloys 118 6.2.4 Morphology of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes 121 6.2.5 XPS investigation of the grown TiO2-SnO2 nanotubes 127 6.2.6 Raman spectroscopy of TiO2-SnO2 nanotubes 129 6.3 Electrochemical Testing 130 6.3.1 Cyclic voltammetry 130 6.3.2 Galvanostatic cycling with potential limitation132 6.3.3 Specific surface area of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes135 6.3.4 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and rate performance tests of the fabricated TiO2-SnO2 nanotubes 137 6.4 Summary of chapter 6140 7. Summary and outlook 141 7.1 Summary 141 7.2 Outlook 143 Appendix 145 Bibliography 157 List of figures 183 Glossary 191 Publications 193 Curriculum vitae 195 Acknowledgment 199 Declaration 201

Umwelttheoretische Konzepte sind ohne Bilder und Medien nicht denkbar. Der Biologe und Begründer der Umwelttheorie Jakob von Uexküll (1864–1944) verwendete sie auf vielfältige Weise. Er nutzte chronofotografische Aufnahmen von Meerestieren für seine Forschung, beauftragte Interieurmaler, um sein Konzept subjektiver Umwelten zu vermitteln und entwickelte Diagramme und Schemata – darunter die erste Darstellung eines Funktionskreises –, um die Grundlagen seiner Theorie zu verdeutlichen. Die Dissertation gibt einen Überblick über die vielfältigen Verwendungsformen in Uexkülls gesamtem Werk und setzt darauf aufbauend zwei Schwerpunkte: Erstens im frühen 20. Jahrhundert, als Uexküll im Kontext der Arbeit mit chronofotografischen Verfahren seine zentralen Begriffe entwickelte, sich mit den ästhetischen und erkenntnistheoretischen Schriften Adolf Hildebrands und Immanuel Kants auseinandersetzte und begann, Karl Ernst von Baers Wahrnehmungstheorie zu rezipieren. Zweitens im Spätwerk der 1930er Jahre, als die explizit als Bilderbuch unsichtbarer Welten untertitelten Streifzüge durch die Umwelten von Tieren und Menschen erschienen. Die Streifzüge fassen Uexkülls Forschung mit einem Schwerpunkt auf der Sichtbarmachung verschiedener Umwelten sowie einer Veranschaulichung umwelttheoretischer Konzepte zusammen. Die Dissertation untersucht die kulturhistorischen Kontexte der Bilder, ihre Bezüge zu Uexkülls experimenteller Forschung sowie zu zentralen Konzepten seiner Theorie wie Umwelt, subjektive Zeiten und Räume, Bedeutung (Semiotik) und Funktionszusammenhang von Organismus und Umwelt (Gefüge). Anhand der Bildpraxis werden neben den originellen und in u. a. der Ökologie, Kybernetik, Psychoanalyse und Philosophie rezipierten Ansätzen auch die weltanschaulichen, normativen und autoritären Dimensionen in Uexkülls Werk herausgearbeitet. / Umwelt theory concepts are inconceivable without images and media. The biologist and founder of Umwelt theory Jakob von Uexküll (1864–1944) used them in many ways. He used chronophotographic images of marine animals for his research, commissioned interior painters to convey his concept of subjective Umwelten, and developed diagrams and schemes—including the first representation of a functional circle—to clarify the foundations of his theory. This dissertation provides an overview of the diverse uses in Uexküll’s entire oeuvre and, building on this, focuses on two main fields: first, in the early 20th century, when Uexküll developed his central concepts in the context of working with chronophotography, engaged with the aesthetic and epistemological writings of Adolf Hildebrand and Immanuel Kant, and began to receive Karl Ernst von Baer’s theory of perception; and second, in the late 1930s, when the explicitly subtitled “picture book of invisible worlds” Streifzüge durch die Umwelten von Tieren und Menschen (A Foray into the Worlds of Animals and Humans) was published. The book summarizes Uexküll’s research with a focus on making different Umwelten visible as well as demonstrating environmental-theoretical concepts. This dissertation examines the cultural-historical contexts of the images as well as their references to Uexküll’s experimental research and to central concepts of his theory such as the Umwelt, subjective times and spaces, meaning (semiotics), and the functional connection of organism and environment (Gefüge). The practice of images is used to highlight not only the original approaches received in ecology, cybernetics, psychoanalysis, and philosophy, among others, but also the ideological, normative, and authoritarian dimensions in Uexküll’s work.

Im ersten Teil analysiere ich die Selbstorganisation zur Kritikalität (hier ein Phasenübergang von Ordnung zu Unordnung) und untersuche, ob Evolution ein möglicher Organisationsmechanismus ist. Die Kernfrage ist, ob sich ein simulierter kohäsiver Schwarm, der versucht, einem Raubtier auszuweichen, durch Evolution selbst zum kritischen Punkt entwickelt, um das Ausweichen zu optimieren? Es stellt sich heraus, dass (i) die Gruppe den Jäger am besten am kritischen Punkt vermeidet, aber (ii) nicht durch einer verstärkten Reaktion, sondern durch strukturelle Veränderungen, (iii) das Gruppenoptimum ist evolutionär unstabiler aufgrund einer maximalen räumlichen Selbstsortierung der Individuen. Im zweiten Teil modelliere ich experimentell beobachtete Unterschiede im kollektiven Verhalten von Fischgruppen, die über mehrere Generationen verschiedenen Arten von größenabhängiger Selektion ausgesetzt waren. Diese Größenselektion soll Freizeitfischerei (kleine Fische werden freigelassen, große werden konsumiert) und die kommerzielle Fischerei mit großen Netzbreiten (kleine/junge Individuen können entkommen) nachahmen. Die zeigt sich, dass das Fangen großer Fische den Zusammenhalt und die Risikobereitschaft der Individuen reduziert. Beide Befunde lassen sich mechanistisch durch einen Aufmerksamkeits-Kompromiss zwischen Sozial- und Umweltinformationen erklären. Im letzten Teil der Arbeit quantifiziere ich die kollektive Informationsverarbeitung im Feld. Das Studiensystem ist eine an sulfidische Wasserbedingungen angepasste Fischart mit einem kollektiven Fluchtverhalten vor Vögeln (wiederholte kollektive Fluchttauchgängen). Die Fische sind etwa 2 Zentimeter groß, aber die kollektive Welle breitet sich über Meter in dichten Schwärmen an der Oberfläche aus. Es zeigt sich, dass die Wellengeschwindigkeit schwach mit der Polarisation zunimmt, bei einer optimalen Dichte am schnellsten ist und von ihrer Richtung relativ zur Schwarmorientierung abhängt. / In the first part, I focus on the self-organization to criticality (here an order-disorder phase transition) and investigate if evolution is a possible self-tuning mechanism. Does a simulated cohesive swarm that tries to avoid a pursuing predator self-tunes itself by evolution to the critical point to optimize avoidance? It turns out that (i) the best group avoidance is at criticality but (ii) not due to an enhanced response but because of structural changes (fundamentally linked to criticality), (iii) the group optimum is not an evolutionary stable state, in fact (iv) it is an evolutionary accelerator due to a maximal spatial self-sorting of individuals causing spatial selection. In the second part, I model experimentally observed differences in collective behavior of fish groups subject to multiple generation of different types of size-dependent selection. The real world analog to this experimental evolution is recreational fishery (small fish are released, large are consumed) and commercial fishing with large net widths (small/young individuals can escape). The results suggest that large harvesting reduces cohesion and risk taking of individuals. I show that both findings can be mechanistically explained based on an attention trade-off between social and environmental information. Furthermore, I numerically analyze how differently size-harvested groups perform in a natural predator and fishing scenario. In the last part of the thesis, I quantify the collective information processing in the field. The study system is a fish species adapted to sulfidic water conditions with a collective escape behavior from aerial predators which manifests in repeated collective escape dives. These fish measure about 2 centimeters, but the collective wave spreads across meters in dense shoals at the surface. I find that wave speed increases weakly with polarization, is fastest at an optimal density and depends on its direction relative to shoal orientation.