Spin-polarized two-dimensional electron states (2DESs) at surfaces and interfaces of magnetically active materials attract immense interest because of the idea of exploiting fermion spins rather than charge in next generation electronics. Applying angle-resolved photoelectron spectroscopy, we show that the silicon surface of GdRh2Si2 bears two distinct 2DESs, one being a Shockley surface state, and the other a Dirac surface resonance. Both are subject to strong exchange interaction with the ordered 4f-moments lying underneath the Si-Rh-Si trilayer. The spin degeneracy of the Shockley state breaks down below ~90 K, and the splitting of the resulting subbands saturates upon cooling at values as high as ~185 meV. The spin splitting of the Dirac state becomes clearly visible around ~60 K, reaching a maximum of ~70 meV. An abrupt increase of surface magnetization at around the same temperature suggests that the Dirac state contributes significantly to the magnetic properties at the Si surface. We also show the possibility to tune the properties of 2DESs by depositing alkali metal atoms. The unique temperature-dependent ferromagnetic properties of the Si-terminated surface in GdRh2Si2 could be exploited when combined with functional adlayers deposited on top for which novel phenomena related to magnetism can be anticipated.

Selective laser melting (SLM) is a powder-based additive manufacturing technique consisting of the exact reproduction of a three dimensional computer model (generally a computer-aided design CAD file or a computer tomography CT scan) through an additive layer-by-layer strategy. Because of the high degree of freedom offered by the additive manufacturing, parts having almost any possible geometry can be produced by SLM. More specifically, with this process it is possible to build parts with extremely complex shapes and geometries that would otherwise be difficult or impossible to produce using conventional subtractive manufacturing processes. Another major advantage of SLM compared to conventional techniques is the fast cooling rate during the process. This permits the production of bulk materials with very fine microstructures and improved mechanical properties or even bulk metallic glasses. In addition, this technology gives the opportunity to produce ready-to-use parts with minimized need for post-processing (only surface polishing might be required). Recently, significant research activity has been focused on SLM processing of different metallic materials, including steels, Ti-, Ni- and Al-based alloys. However, most of the research is devoted to the parameters optimization or to feasibility studies on the production of complex structures with no detailed investigations of the structure-property correlation. Accordingly, this thesis focuses on the production and structure-property correlation of Al-12Si samples produced by SLM from gas atomized powders. The microstructure of the as-prepared SLM samples consists of supersaturated primary Al with an extremely fine cellular structure along with the residual free Si situated at the cellular boundaries. This microstructure leads to a remarkable mechanical behavior: the yield and tensile strengths of the SLM samples are respectively four and two times higher than their cast counterparts. However, the ductility is significantly reduced compared with the cast samples. The effect of annealing at different temperatures on the microstructure and resulting mechanical properties of the SLM parts has been systematically studied by analyzing the size, morphology and distribution of the phases. In addition, the mechanical properties of the SLM samples have been modeled using micro- structural features, such as the crystallite and matrix ligament sizes. The results demonstrate that the mechanical behavior of the Al-12Si SLM samples can be tuned within a wide range of strength and ductility through the use of the proper annealing treatment. The Al-Si alloys are generally used as pistons or cylinder liners in automotive applications. This requires good wear resistance and sufficient strength at the operating temperature, which ranges between 373 – 473 K. Accordingly, the tensile properties of the SLM samples were also tested at these temperatures. Changing the hatch style during SLM processing vary the texture in the material. Hence, samples with different hatch styles were produced and the effect of texture on their mechanical behavior was evaluated. The results show that the hatch style strongly influences both the mechanical properties and the texture of the samples; however no direct correlation was observed between texture and mechanical properties. The wear properties of the Al-12Si material was evaluated using pin-on-disc and fretting wear experiments. These experiments show that the as-prepared SLM samples exhibit better wear resistance than their cast counterparts and the SLM heat-treated samples. Finally, the corrosion investigations reveal that the SLM samples have similar corrosion behavior as the cast specimens under acidic conditions. A major drawback for the wide application of SLM as an industrial processing route is the limited size of the products. This is a direct consequence of the limited dimensions of the available building chambers, which allow for the production of samples with volumes of about 0.02 m3. A possible way to overcome this problem would be the use of the welding processes to join the small SLM objects to form parts with no dimensional limitations. In order to verify this possibility, friction welding was employed to join Al-12Si SLM parts. The results indicate that friction welding not only successfully permits the join materials manufactured by SLM, but also helps to significantly improve their ductility. This work clearly demonstrates that SLM can be successfully used for the production of Al-12Si parts with an overall superior performance of the mechanical and physical properties with respect to the conventional cast samples. Moreover, the mechanical properties of the SLM samples can be widely tuned in-situ by employing suitable hatch styles or ex-situ by the proper heat treatment. This might help the development of SLM for the production of innovative high-performance Al-based materials and structures with controlled properties for automotive and aerospace applications.

Mit einer Einkristallhärte von 45 GPa stellt Borsuboxid (B6O) einen aussichtsreichen Kandidaten für die Entwicklung neuartiger, superharter und verschleißbeständiger Strukturwerkstoffe dar, dessen Verwendungspotential derzeitig sowohl aufgrund eines schwieriges Verdichtungsverhaltens als auch der geringen Bruchzähigkeit polykristalliner B6O-Werkstoffe limitiert ist. Motiviert durch einen möglichen Einsatz von B6O als kosteneffektive Alternative zu aktuell etablierten, hochdrucksynthetisierten Werkstoffen auf Basis von Diamant und kubischem Bornitrid (c-BN), widmet sich die vorliegende Arbeit diesen Defiziten und untersucht auf Grundlage eines unter Normaldruckbedingungen synthetisierten B6O-Pulvers die Herstellung und Eigenschaften keramischer B6O-Werkstoffe mit flüssigphasenbildenden Al2O3/Y2O3-Sinteradditiven (Gesamtadditivgehalt: 2 – 15 Vol.-%; Al2O3/(Al2O3+Y2O3): 0,05 – 1) unter Anwendung verschiedener Verdichtungstechnologien (Feldaktivierte Sintertechnologie/Spark Plasma Sintern, FAST/SPS; heißisostatisches Pressen, HIP; kubische Vielstempel-Hochdruckpresse, KVP). Zusätzlich wurde eine nicht-reaktive und eine reaktive Präparationsroutine für die Herstellung von B6O/TiB2-Kompositen mit variablen TiB2-Gehalten von 6 – 57 Vol.-% evaluiert. Den Schwerpunkt bildeten dabei die Charakterisierung ausgewählter mechanischer und thermischer Eigenschaften, wie sie für den Einsatz in Schneid- und Verschleißprozessen relevant sind und deren Korrelation mit der Phasen- und Gefügeausbildung als Grundlage für eine weiterführende Optimierung der Werkstoffeigenschaften. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl oxidische Sinteradditive (bevorzugter Gesamtadditivgehalt ≤ 3 Vol.-%) als auch die Präparation von B6O/TiB2-Kompositen (bevorzugt: reaktive Herstellungsroutine) vielversprechende Ansätze für die reproduzierbare Herstellung vollständig verdichteter B6O-Werkstoffe mit einer gesteigerten Bruchzähigkeit von 3 – 4 MPa√m (SEVNB) bei gleichzeitig hohen Härten bis 36 GPa (HV0,4) bzw. 28 GPa (HV5), einer Festigkeit bis 540 MPa und einem E-Modul von 400 – 500 GPa darstellen. Die Hochtemperaturhärte (HV5) der Werkstoffe übersteigt ab 600 °C teilweise die Warmhärte eines ebenfalls untersuchten, kommerziellen c-BN-Referenzmaterials. Wärmeleitfähigkeiten bis 20 W/mK (Raumtemperatur) bzw. 17 W/mK (1000 °C) und thermische Ausdehnungskoeffizienten bis 1000 °C von 5,76 – 6,54×10 6/K wurden ermittelt. Der anhand eines Reibradtests untersuchte Verschleißwiderstand erreicht das Niveau von kommerziellem Borcarbid (B4C). Damit weisen B6O-Werkstoffe insgesamt ein vergleichbares Eigenschaftsprofil zu (isostrukturellen) B4C-Werkstoffen auf, ordnen sich jedoch meist deutlich unterhalb der Leistungsfähigkeit kommerzieller c-BN-Materialien ein. Die Gegenüberstellung verschiedener Sintertechnologien unter Berücksichtigung der Reproduzierbarkeit des Verdichtungsprozesses, der Homogenität der resultierenden Gefüge, der physikalischen Eigenschaften als auch der Wirtschaftlichkeit privilegiert insbesondere die Verdichtung mittels HIP und FAST/SPS (für B6O mit oxidischen Sinteradditiven nur für geringe Additivgehalte) als vielversprechendste Verfahren für eine mögliche Kommerzialisierung von B6O. Eine abschließende Bewertung des Anwendungspotentials von B6O-Werkstoffen erfordert weiterführende Untersuchungen zu den Mechanismen, die zur Erniedrigung der Härte von polykristallinem B6O-Werkstoffen gegenüber B6O-Einkristallen sowie dem sprunghaften Anstieg der Bruchzähigkeit mit geringen Additivgehalten und das Erreichen eines Plateauwertes führen. Hierbei zeichnen sich eine veränderte B6O-Struktur (Kristallchemie/Defekte) und/oder die Beschaffenheit der Korngrenzen als wahrscheinlichste Ursachen ab, deren Rolle auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Methodik im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig aufgeklärt werden konnte.

In der vorliegenden Arbeit wurden 2460 Viertelgemelksproben aus 16 hessischen Milcherzeugerbetrieben untersucht. 115 S. canis-Isolate konnten gefunden und auf ihre morphologischen, biochemischen und bei molekularbiologischen Eigenschaften untersucht werden. Die Isolate stammten von Viertelgemelksproben bzw. Tankproben, die zu einem oder mehreren Zeitpunkten in den Betrieben genommen wurden. Die Untersuchung der biochemischen Eigenschaften erbrachte 24 verschiedene Reaktionsmuster. Der Vergleich dieser 24 Biotypen mit einem S. canis-Referenzstamm mittels tDNA-PCR und 16S-RNA-PCR ergab eine völlige Übereinstimmung (100%) und damit eine sichere Spezies-Identifizierung. Zur Aufklärung epidemiologischer Zusammenhänge und zur Intra-Spezies-Identifizierung wurde von allen 115 Isolaten mittels PFGE nach Makrorestriktionsverdau mit SmaI ein DNA-Fingerprint erstellt. Dabei ergaben sich 21 verschiedene Restriktionsmuster. Von den 21 nach Makrorestriktion mit Sma I und anschließender PFGE unterscheidbaren Restriktionsmustern wurde je ein Isolat zur Bestimmung der Differenzierungsfähigkeit der Restriktionsenzyme Cla I und Apa I sowie der RAPD-PCR weitergehend untersucht. Für die Beurteilung epidemiologischer Zusammenhänge bei S. canis erwies sich die PFGE nach Makrorestriktion mittels Sma I als die differenzierteste Variante. Die mittels PFGE nach Makrorestriktionsverdau mit Sma I durchgeführten Untersuchungen der 115 Isolate zeigten, dass zu einem Probennahme-Termin gewonnene Isolate identisch waren; vom gleichen Betrieb zu unterschiedlichen Zeiten entnommene Proben zeigten z.T. deutliche Unterschiede, und bei Isolaten von verschiedenen Betrieben konnten keine Verwandtschaftsbeziehungen nachgewiesen werden. Aufgrund dieser genotypischen Eigenschaften der Kulturen konnte gezeigt werden, dass es sich bei durch S. canis verursachte Mastitiden um ein infektiöses Bestandsproblem handelt, bei dem der Erreger von Viertel zu Viertel und von Kuh zu Kuh übertragen wird.

Transient negative capacitance effects in epitaxial ferroelectric Pb(Zr₀.₂Ti₀.₈)O₃ capacitors are investigated with a focus on the dynamical switching behavior governed by domain nucleation and growth. Voltage pulses are applied to a series connection of the ferroelectric capacitor and a resistor to directly measure the ferroelectric negative capacitance during switching. A time-dependent Ginzburg-Landau approach is used to investigate the underlying domain dynamics. The transient negative capacitance is shown to originate from reverse domain nucleation and unrestricted domain growth. However, with the onset of domain coalescence, the capacitance becomes positive again. The persistence of the negative capacitance state is therefore limited by the speed of domain wall motion. By changing the applied electric field, capacitor area or external resistance, this domain wall velocity can be varied predictably over several orders of magnitude. Additionally, detailed insights into the intrinsic material properties of the ferroelectric are obtainable through these measurements. A new method for reliable extraction of the average negative capacitance of the ferroelectric is presented. Furthermore, a simple analytical model is developed, which accurately describes the negative capacitance transient time as a function of the material properties and the experimental boundary conditions.

The main goal of the present work was the synthesis of alkaline-earth nitridomanganates (AExMnyNz) with extended anionic structures and the characterization of their electronic and magnetic properties. Up to now, only compounds with isolated nitridomanganate anions have been reported in the discussed ternary systems. A systematic exploratory synthesis, employing high-temperature treatment of AE nitrides and Mn under controlled N2 pressure, yielded more than ten new nitridomanganates. Their crystal structures contain anionic building blocks of different dimensionalities, ranging from isolated species to three-dimensional frameworks. In general, the formation of Mn-rich compositions was found to be driven by the emergence of Mn-Mn interactions, which creates a link between nitridometalates and transition-metal-rich binary nitrides. The obtained nitridomanganates display a plethora of interesting phenomena, such as large spin-orbit coupling, magnetic frustration, quenching of magnetism due to Mn-Mn interactions, and metal-insulator transition.

xxi, 437f. ; 26cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, 1973

It is the surface which in many cases determines the appearance and application-relevant properties of a material. Thin films of polymer brushes just a few nanometres in thickness can change the surface properties significantly and may provide even switching capabilities, where the thin film will for instance take up or repel water. Polymer brushes of two largely different polymer materials must in this case be tightly attached at one end to a solid substrate and will then occupy alternatively the upper or lower surface layer, depending on external conditions. In this way, either one or the other polymer material will be exposed and influence the surface properties. This purely physical switching process can be controlled by external triggers (selective or non-selective solvents, pH value, temperature, etc.). The physico- chemical surface properties (wettability, functionality etc.) switch between values established by the properties of the polymer materials involved. / Oberflächen bestimmen in vielen Fällen das Erscheinungsbild und wichtige Gebrauchseigenschaften von Materialen. Bereits wenige Nanometer dünne Polymerfilme können diese Eigenschaften signifikant verändern und erlauben es, diese Eigenschaften sogar zu schalten, sodass ein Film beispielsweise Wasser abweisen oder aufnehmen kann. Hierzu werden Polymerbürsten aus zwei sehr verschiedenen Polymeren mit dem einen Ende fest an ein Substrat gebunden. In Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen können sie sich dann wechselseitig an der Oberfläche anreichern, sodass die Oberflächeneigenschaften jeweils durch das eine oder andere Polymer bestimmt werden. Dieser rein physikalische Schaltprozess kann durch externe Stimuli (selektive oder nichtselektive Lösungsmittel, pH-Wert, Temperatur etc.) initiiert werden, wobei die physiko-chemischen Oberflächeneigenschaften (Benetzbarkeit, Funktionalität etc.) zwischen den durch die Eigenschaften der verwendeten Polymere bestimmten Extremwerten hin und her schalten können.

Den Kern der Untersuchungen bildete die Messung der mechanischen Spannungen in dünnen Kupferschichten während thermischer Zyklen und nach Belastung durch Vierpunktbiegung. Parallel dazu wurden Charakterisierungen der Korngröße, der Textur und korninnerer Defekte, inbesondere von Versetzungen durchgeführt. Bei den Spannungsmessungen fielen folgende Besonderheiten auf: (i) höhere Festigkeiten mit abnehmender Schichtdicke, (ii) hohe Verfestigungsraten bei der Abkühlung, (iii) Asymmetrie der Fließspannungen in Zug- und Druckrichtung und (iv) hohe Spannungen bei hohen Temperaturen. Da die klassischen Plastizitätsmodelle diese Besonderheiten zu erklären vermögen, wurden zwei neue Modelle entwickelt. Das erste beschreibt eine effektive Verfestigung auf der Basis elastischer Wechselwirkungen zwischen mobilen Versetzungen und sich an der Schicht/Substrat-Grenzfläche ansammelnder Versetzungen. Das zweite Modell bezieht sich auf das Korngrenzendiffusionskriechen und erklärt dessen Behinderung durch die unvollständige laterale elastische Relaxation auf einem Substrat haftender Körner. Das gesamte thermomechanische Verhalten kann nur aus dem Zusammenwirken verschiedener strukturbildender und Plastizitäts-Mechanismen beschrieben werden.

Auf der Basis des Pilling-Bedworth-Verhältnisses für die Charakterisierung der Oxidationsneigung wurden die für die Herstellung von Magnesiumgussteilen in Sandformverfahren relevanten Einflussfaktoren, Formstoff- und Werkstoffkennwerte erfasst. Ausgehend davon werden geeignete Schutzprinzipien und technologische Maßnahmen formuliert. Die vorgeschlagenen Schutzkomplexe (Borsäure und Harnstoff) vermeiden die Oxidation des Magnesiums, reduzieren deutlich den Wasserbedarf und verbessern die Fließeigenschaften des Formstoffes. Die Zusätze sind fluor- und schwefelfrei, was geringe Emissionen und bessere Arbeitsbedingengen ermöglicht. Im Rahmen der Arbeit erfolgte eine umfassende Entwicklung praxistauglicher bentonitgebundener und kalthärtender organischer Formstoffsysteme und Schlichten. Die Einsetzbarkeit der Formstoffe für die moderne Formtechnik wurde nachgewiesen. Die erreichbaren Werkstoffeigenschaften entsprechen den internationalen Normen, hervorzuheben ist die hohe Oberflächenqualität der Gussteile. Die erzielten Ergebnisse wurden auf die realen Bauteile und Herstellungsprozesse, wie z.B. zum Ablösen des Natursandformverfahrens und für die Herstellung eines 4-Zylinder Motorblockes, erfolgreich übertragen. Durch die Realisierung der dargestellten Innovationen im Bereich der Sandformverfahren werden neue Impulse zur Verbesserung der Magnesium-Produktion und damit der internationalen Wettbewerbsfähigkeit im Fahrzeugbau gegeben.