Electronic Packaging is currently deeply in need of new solutions concerning vertical interconnection strategies. With respect to downscaling the geometrical limits, entering the nanoscale for first-level interconnects is nothing more than a consequence. This thesis proposes a new strategy for highly resolved vertical interconnects that are realized by metallic nanowires (NWs). These are embedded inside a dielectric matrix enabling the further raster size reduction for chip interconnects. The creation of NW arrays in self-ordering templates (anodized Al2O3 (AAO) and track-etched poly carbonate) by electrochemical deposition of Ag and Ni inside the pores of these as well as the characterisation of the NWs' properties with respect to the film's applicability are to the fore. Electrical properties are shown to be sensitive to the mode of deposition. Crystallographic properties do not seem to be responsible for this while the NWs' morphology slightly differs and is therefore expected to remarkably influence electron transport. Additionally, the deposition mechanism in high-aspect-ratio pores of AAO is in another focus of investigation. This process was in the past described as diffusively controlled, but this assertion was not further evaluated. The presence of a gradient in the diffusion coefficient as well as the presence and expansion of an electrochemical double layer located at the template's inner surface are responsible limiting the deposition process. An existing model of porous electrodes is compared to the measured data and found not to be valid for the system of highly recessed ultramicroelectrode arrays by which this system is described. Therefore a new model that differentiates between charge-transfer and diffusive motion is proposed and shown to fit to the system's properties. Apart from mechanistic investigations, the implementation of the obtained NW arrays as an interconnector film proposes these to be applied best by adhesive bonding. Bonding properties were found to be well realizable by the additional coverage of the filled membranes with a polymer thin film. This can easily be attached onto the film by spin-coating the corresponding monomer and reactive curing while already being embedded in the package. Alternative methods for contact formation, such as non-reactive bonding and nanosoldering using segmented NWs, are proposed. The strategy is shown to still lack important technological questions while the findings with respect to fabrication, growth and implementation are very promising.:List of Figures List of Tables List of Acronyms List of Symbols 1 Nanoscale interconnects 1 1.1 Introduction 1.2 Electronic device development and its consequences 1.3 The need for and the design of a nanoscale wiring film 1.3.1 Nanomaterials for packaging - Some examples 1.3.2 Preconsiderations for designing nanoscale interconnects 1.3.3 Compatitibility of ACANWF to industrial applications 1.3.4 Demands to the film 1.4 Resumée - Strategy 2 NW fabrication by electodeposition and synthesis-property relationships 2.1 Templates for NW electrodeposition 2.1.1 Anodized Al2O3 (AAO) 2.1.2 Track-etched polymer membranes 2.2 Template-assisted Electrochemical Deposition (ECD) of NWs 2.2.1 Concept 2.2.2 Deposition modes 2.2.3 In_uences of other physical parameters 2.2.4 Errors and error mechanisms 2.2.5 Deposition in chemically functionalized AAO 2.3 Synthesis-property relationships for single NWs 2.3.1 NiNWs 2.3.2 AgNWs 2.4 Resumée . 3 Growth processes in mesoporous templates 3.1 Relevance for mechanistic investigations 3.2 Processes during NW growth 3.2.1 Electrode kinetics 3.2.2 Diffusion 3.2.3 Interactions with pore walls 3.3 Model systems 3.3.1 DeLevie's model for porous electrodes 3.3.2 Model verification 3.3.3 Model adaptation to non-ideal behaviour 3.4 Resumée 4 Implementation of nanowire arrays into microelectronic packaging 4.1 Adhesive Bonding 4.1.1 Adhesion by thin adhesive layers 4.1.2 Thermocompression bonds 4.2 Nanosoldering 4.2.1 Deposition of low melting point materials 4.2.2 Segmented nanowires 4.3 Resumée 5 Conclusion and perspectives 5.1 Conclusion 5.2 Perspectives on further investigations 6 Appendices 6.1 Technical equipment 6.2 Experimental methods 6.3 Selected characterisation techniques 6.4 Supplementary Information 6.5 Glossary 6.6 List of publications & presentations Bibliography / Die Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik wird in absehbarer Zeit Größenskalen erreichen, bei denen die verwendeten Materialien in der ersten Kontaktierungsebene als Nanomaterialien zu bezeichnen sind, das heißt ≤ 100 nm sind. Des Weiteren bestehen momentan nur bedingt viele Ansätze zu deren Implementierung in Vertikalverbindungsstrukturen (zum Beispiel für die dreidimensionale Integration). Die vorliegende Dissertation schlägt daher vor, die vertikale Verbindung über einen zwischen die Chips laminierbaren Film mit hochdichten und vertikal ausgerichteten nanoskaligen Drähten (NWs) zu realisieren. Diese sind in einer dielektrischen Matrix fixiert und gewährleisten die elektrische Anisotropie des Kontaktfilms. Innerhalb dieser Matrix werden die metallischen Drähte durch elektrochemische Abscheidung erzeugt. Der Fokus dieser Arbeit liegt somit auf der Charakterisierung des reduktiven Wachstumsprozesses von Ag und Ni innerhalb dünner Poren. Dabei können die Eigenschaften durch verschiedene Abscheidemodi gezielt beeinflusst werden. Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften ergibt sich im Vergleich zu der zugrundeliegenden Kristallographie ein wesentlich stärkerer Einfluss der Draht-Morphologie. Der Prozess der Porenfüllung wird im Allgemeinen als stark diffusionskontrolliert angenommen, wurde jedoch bisher nicht weiter quantifiziert. Die der Abscheidung zugrundeliegenden Prozesse Elektrolytdiffusion, Ladungstransfer an der Elektrode und Migrationsbeeinflussung durch die Porengeometrie werden daher voneinander getrennt und einzeln charakterisiert. Das vorliegende System kann als Matrix von stark versenkten Ultramikroelektroden abstrahiert werden. Existente Modelle zur Beschreibung derartiger Systeme treffen auf den vorliegenden Fall im Allgemeinen nicht zu, sodass basierend auf elektrochemischen Untersuchungen ein variiertes Abscheidemodell vorgeschlagen wird. Dieses berücksichtigt die Nicht-Linearität der elektrochemischen Doppelschicht, die von der Porenoberfläche ausgeht sowie deren Frequenzabhängigkeit. Neben mechanistischen Untersuchungen schließen sich Versuche an, deren Fokus auf der direkten Anwendung der mit Nanodrähten gefüllten Membranen liegt. Dabei wird vornehmlich deren Fixierung per Klebeverbindung angestrebt. Die Realisierung klebbarer Filme gelingt über die Auftragung von polymeren Dünnfilmen durch Spin-Coating des jeweiligen Monomeren. Diese Filme werden hinsichtlich ihrer Klebeeigenschaften charakterisiert. Abschließend werden alternative Kontaktiermethoden wie die Thermokompression oder das nanoskalige Löten basierend auf der Herstellung von segmentierten Nanodrähten demonstriert und hinsichtlich ihrer Applizierbarkeit diskutiert. Die erreichten Ergebnisse zeigen den noch vorhandenen Bedarf an technologischer Optimierung sowie Kompatibilisierung auf. Die Erkenntnisse hinsichtlich der Herstellung, des Wachstums sowie der Implementierungsansätze sind jedoch vielversprechend.:List of Figures List of Tables List of Acronyms List of Symbols 1 Nanoscale interconnects 1 1.1 Introduction 1.2 Electronic device development and its consequences 1.3 The need for and the design of a nanoscale wiring film 1.3.1 Nanomaterials for packaging - Some examples 1.3.2 Preconsiderations for designing nanoscale interconnects 1.3.3 Compatitibility of ACANWF to industrial applications 1.3.4 Demands to the film 1.4 Resumée - Strategy 2 NW fabrication by electodeposition and synthesis-property relationships 2.1 Templates for NW electrodeposition 2.1.1 Anodized Al2O3 (AAO) 2.1.2 Track-etched polymer membranes 2.2 Template-assisted Electrochemical Deposition (ECD) of NWs 2.2.1 Concept 2.2.2 Deposition modes 2.2.3 In_uences of other physical parameters 2.2.4 Errors and error mechanisms 2.2.5 Deposition in chemically functionalized AAO 2.3 Synthesis-property relationships for single NWs 2.3.1 NiNWs 2.3.2 AgNWs 2.4 Resumée . 3 Growth processes in mesoporous templates 3.1 Relevance for mechanistic investigations 3.2 Processes during NW growth 3.2.1 Electrode kinetics 3.2.2 Diffusion 3.2.3 Interactions with pore walls 3.3 Model systems 3.3.1 DeLevie's model for porous electrodes 3.3.2 Model verification 3.3.3 Model adaptation to non-ideal behaviour 3.4 Resumée 4 Implementation of nanowire arrays into microelectronic packaging 4.1 Adhesive Bonding 4.1.1 Adhesion by thin adhesive layers 4.1.2 Thermocompression bonds 4.2 Nanosoldering 4.2.1 Deposition of low melting point materials 4.2.2 Segmented nanowires 4.3 Resumée 5 Conclusion and perspectives 5.1 Conclusion 5.2 Perspectives on further investigations 6 Appendices 6.1 Technical equipment 6.2 Experimental methods 6.3 Selected characterisation techniques 6.4 Supplementary Information 6.5 Glossary 6.6 List of publications & presentations Bibliography

Es besteht enormes Interesse den Stofftransport in nanoskaligen Systemen zu verstehen und selektiv zu steuern, um analytische und synthetische Anwendungen zu entwickeln, aber auch um die physiologischen Prozesse lebender Zellen zu entschlüsseln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht an ausgewählten nanoskaligen Elektrolytsystemen untersucht. Die Gleichrichtung von Ionenströmen (engl. Ionic Current Rectification ICR) in Nanoporen mit einer Oberflächenladung äußert sich in einer gekrümmten Strom-Spannungs-Kurve. Die Überlappung von innerem und äußerem Potential ist dabei hinsichtlich der Ionenverteilung und somit der Porenleitfähigkeit einander verstärkend oder gegenläufig. Auf Grundlage dieses Mechanismus wurde die Gleichrichtung bei einem sehr großen Verhältnis von Porenöffnung zu Debye-Länge erklärt. Ferner wurde mittels der eingeführten relativen Leitfähigkeit κ´ die verschiedenen Leitfähigkeitszustände in Abhängigkeit der Elektrolytkonzentration und Temperatur sichtbar gemacht und Implikationen für Sensoranwendungen wie z.B. dem resistiven Pulszähler zur Partikelanalyse abgeleitet. Es wurde ein numerisches Modell basierend auf dem Poisson-Nernst-Planck-Gleichungssystem entwickelt, um die Translokation eines Nanopartikels durch eine konische Nanopore bei einer geringen Leitsalzkonzentration zu beschreiben. Neben dem klassischen Volumenausschluss-Effekt tritt zusätzlich ein Gleichrichtungseffekt (ICR-Effekt) in der Pore auf. Eine Analyse zur Entflechtung von Partikelgröße und Partikelladung aus der Pulshöhe und Pulsform wurde erfolgreich durchgeführt. Wie der Stofftransport durch eine Oberflächenladung auf dem umgebenden Material einer Nanoelektrode beeinflusst wird, wurde anhand des voltammetrischen Verhaltens diskutiert. An sehr kleinen Elektroden (< 10 nm) ist demnach der Einfluss der elektrochemischen Doppelschicht auf die Strom-Spannungs-Kurve besonders groß und kann auch bei Vorliegen eines hohen Leitsalzüberschusses nicht vernachlässigt werden. In leitsalzfreien Elektrolyten sind die gefundenen Effekte so deutlich, dass sie auch an größeren Elektroden experimentell zweifelsfrei festgestellt worden sind. / There is an enormous interest in understanding and selectively controlling the material transport in nanoscale systems to develop analytical and synthetic applications, but also to decipher the physiological processes of living cells. Within this thesis, the influence of the electrochemical double layer on selected nanoscale electrolyte systems was studied. Ionic Current Rectification (ICR) in nanopores carrying a surface charge manifests itself in a non-linear current-voltage-curve. The overlap of interior and exterior potential is cumulative or opposing with regard to the ion distribution and therefore the pore conductivity. Based on this mechanism, ICR for very large ratios of pore size and Debye length was explained. Furthermore, the different conducting states as a function of electrolyte concentration and temperature were visualized by introducing the relative conductivity κ´ and hence implications for sensor applications such as the resistive pulse sensor have been deduced. A numerical model based on the Poisson-Nernst-Planck-equations was developed to describe the translocation of a nanoparticle through a conical nanopore at a low electrolyte concentration. An additional rectification effect (ICR effect) occurs in the pore beside the conventional volume exclusion effect. An analysis was successfully performed to deconstruct the particle size and particle charge from the pulse height and shape. The material transport is affected by a surface charge on the shrouding material of nanoelectrodes as it was discussed by means of the voltammetric behaviour. The influence of the electrochemical double layer on the current-voltage-curve is particularly large at very small electrodes (< 10 nm) and cannot be neglected even at a high excess of supporting electrolyte. The observed effects were pronounced in unsupported electrolytes, so that they could be clearly detected experimentally at even larger electrodes.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung geordneter C60-Schichten, ihre elektrochemische Nanostrukturierung in wässrigen Lösungen und ionischen Flüssigkeiten und den Einsatz geordneter und nanostrukturierter Fullerenschichten in organischen Dünnschichttransistoren. Geordnete C60-Schichten wurden durch thermische Verdampfung im Hochvakuum hergestellt. Als Substratmaterial wurden HOPG (Graphit), Glimmer und einkristallines Silizium verwendet. Die größten einkristallinen Bereiche werden auf HOPG-Substraten erhalten. Die laterale Ausdehnung der C60-Kristallite parallel zu den Graphitstufen kann bis zu 50 µm erreichen, orthogonal zu den Stufen ist das Wachstum durch die Graphitstufen begrenzt. Die elektrochemische Reduktion von C60 -Schichten in wässriger Lösung ist elektrochemisch irreversibel. Die geflossene Ladung beträgt ein Vielfaches der theoretisch möglichen Menge. Durch die Reduktion tritt eine Nanostrukturierung der Schichtoberfläche ein, die Größe der gebildeten Cluster beträgt 20 nm bis 50 nm. Fullerenpolymere und hydriertes C60 sind die chemischen Hauptprodukte der elektrochemischen Nanostrukturierung in wässriger Lösung. Die Reduktion von Fullerenschichten in ionischen Flüssigkeiten ist aufgrund der geschlossenen Schichtoberfläche und des starken Potentialabfalls in der Fullerenschicht zunächst kinetisch gehemmt und setzt erst bei negativeren Potentialen im Bereich der Reduktion zum C60-Dianion ein. Die Reduktion der Fullerenschichten ist elektrochemisch irreversibel, zum Teil aber chemisch reversibel. Es konnte erstmals der Einsatz nanostrukturierter C60 -Schichten als aktives Halbleitermaterial in Feldeffekt-Transistoren gezeigt werden. Für die Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Feldeffekt-Transistoren wurde 11-(3-Thienyl-)undecyl-trichlorosilan als Haftvermittler eingesetzt. Die gezeigten Ergebnisse von C60 -Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und der erfolgreichen Verwendung nanostrukturierter Fullerenschichten in Transistorstrukturen zeigen die Möglichkeiten des C60 als aktives Halbleitermaterial auf.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von Ferrocenyloxy- (FcO-; Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) substituierten Silanen, Stannoxanen, Titanocen- und Zirkonocen-Komplexen. Weiterhin wurden Titanocen-Komplexe mit Ferrocenyl-sulfanyl- (FcS-) und Ferrocenylselanyl- (FcSe-) Liganden dargestellt. Das elektrochemische Verhalten dieser Verbindungen wurde mittels Cyclovoltammetrie, Square-Wave-Voltammetrie und in situ UV/Vis-NIR-Spektroskopie untersucht. Das drucklose Niedertemperaturfügen von Kupferwerkstoffen und das Generieren dünner MgO- und ZnO-Schichten auf Si-Substraten mittels CVD und Spin-Coating-Prozesse stellen zwei weitere Kernthemen dieser Arbeit dar. Das Niedertemperaturfügen umfasst die Synthese von Ag(I)-Carboxylaten wie [AgO2CCR2OC(O)OMe] (R = H, Me) und deren Verwendung als Basis-Komponenten in der Entwicklung von Fügepasten. Zur Erzeugung von MgO- und ZnO-Schichten wurden Metall-Dialkoholate des Typs [M(OCHMeCH2NMeCH2)2] (M = Mg, Zn) synthetisiert und mit MOCVD- und/oder Spin-Coating-Techniken abgeschieden.

Für die Wasserstoffnutzung in der Mobilität ist eine Verdichtung des Wasserstoffes nötig. Mechanische Verdichter haben verschiedene Nachteile und sind insbesondere für Anwendungen mit kleinen Volumenströmen und hohen Druckverhältnissen schwierig darzustellen. Der elektrochemische Wasserstoffkompressor (EHC), der auf der PEM-Technologie basiert, bringt in dieser Anwendung deutliche Vorteile mit sich. Dank ihm könnte auch eine Home-Fueling-Lösung für Einfamilienhäuser technisch und wirtschaftlich sinnvoll sein. In der vorliegenden Untersuchung wird hierfür eine energetische Analyse durchgeführt, um zu zeigen, dass aus energetischer Sicht die regenerative Wasserstoffbetankung zu Hause möglich ist. Anschließend werden noch der EHC und erste Messergebnisse zu ihm vorgestellt. Es wird gezeigt, dass das Home-Fueling-Konzept mit dem EHC grundsätzlich technisch möglich und sinnvoll ist. / For the use of hydrogen in mobility, a compression of the hydrogen is necessary. Mechanical compressors have various disadvantages and are difficult to produce, especially for applications with small volume flows and high-pressure ratios. The electrochemical hydrogen compressor (EHC), which is based on the PEM technology, has significant advantages in this application. Thanks to him, a home refueling solution for single-family houses could also be technically and economically viable. In the present study, an energetic analysis is carried out to show that, from an energetic point of view, regenerative hydrogen refueling at home is possible. Then the EHC and the first measurement results will be presented. It is shown that the home refueling concept with the EHC is basically technically possible and viable.

Das epitaktische Wachstum von III-V Verbundhalbleitern aber auch von Germaniumpufferschichten auf Germaniumsubstraten bildet bspw. das Fundament zur Herstellung von Triple bzw. Multi Junction Solarzellen. Dies erfolgt mittels etablierter Verfahren, wie der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). Die Germaniumsubstrate liegen üblicherweise in Form von Wafern einer Dicke von mehr als 150 µm vor. Um die Solarzellen bspw. entsprechend ihrer Anwendungsgebiete im Weltraum oder der Mikroelektronik zu optimieren, bedarf es einer signifikanten Schichtdickenreduzierung. Standardprozesse, die dies gewährleisten beinhalten chemische, wie auch mechanische Arbeitsschritte, die sich überaus nachteilig auf eine Wiederverwendung der abgetragenen Germaniumschicht auswirken. Eine Möglichkeit das Germaniumsubstrat auf eine Zieldicke von einigen Mikrometern zu minimieren, sowie die Verwendung des restlichen Germaniumsubstrats zu gewährleisten basiert auf der Herstellung eines porösen Germaniumschichtstapels, sowie einem anschließenden Hochtemperaturprozess. Dieses Verfahren wird als Layer Transfer Prozesses (LTP) bzw. Lift-off bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wird die bipolare elektrochemische Porosifikation p-dotierter Germaniumsubstrate in wässriger Flusssäure, sowie das Tempern mesoporöser Schichtstapel unter Wasserstoffatmosphäre untersucht. Dabei sollte allgemein ein tieferes Verständnis des Ätzvorgangs, sowie der resultierenden porösen Schichten in Abhängigkeit der Ätzparameter erfolgen. Diesbezüglich wurden zunächst Ätzexperimente unter Verwendung konstanter Parameter, sogenannte einstufige Ätzexperimente, durchgeführt. Die Ätzstrome lagen für alle Experimente bei (0.25 – 7) mA/cm2 unter Verwendung der Pulsdauern von (0.25 – 2) s und Gesamtprozessdauern von bis zu 230 Minuten. Es hat sich gezeigt, dass unter Verwendung konstanter Parameter die Herstellung eines porösen Schichtstapels im Sinne eines Lift-off Prozesses ausgeschlossen ist. Focussed Ion Beam Milling Experimente an ausgewählten porösen Schichten, basierend auf einstufigen Ätzexperimenten, konnten allerdings die Porositätsverläufe in Abhängigkeiten der porösen Schichtdicke offenbaren. Auf diese Weise konnten die verästelten (Pinetree & Fishbone), sowie schwammartigen (Sponge) porösen Strukturen aufgrund von Porositätswerten zwischen 0% - 50% als potenzielle Epitaxievorlagen nach dem Tempern identifiziert werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Bedingung zur Durchführung erfolgreicher Focussed Ion Beam Milling Experimente in besonderem Maße von der Probendicke, sowie der Beschleunigungsspannung der Galliumkationen abhängt. Auf diese Weise generierte „Stapel“ an REM-Bildern wurden anschließend zur 3D-Rekonstruktion der verästelten Struktur herangezogen. Des Weiteren konnte mit Hilfe der Polystyrol-Infiltration ausgewählter poröser Schichten, deren anschließender Kalteinbettung in Kunststoff, einem Schleifvorgang, sowie anschließender Auflösung des Kunstoffs in Toluol, eine weitere Charakterisierungsmethode etabliert werden. Diese erlaubt es Einflüsse auf die poröse Schicht, bspw. Brechartefakte oder unebene Bruchstellen, zu vernachlässigen. Der Vorteil dieser Methode liegt in der überaus kürzeren Auswertung der Messdaten zur Bestimmung der Porositätsverläufe in Abhängigkeit der porösen Schichtdicke im Vergleich zum Focussed Ion Beam Milling. Weiterhin wurden basierend auf den Erkenntnissen der einstufigen Ätzexperimente zwei- und mehrstufige Ätzexperimente durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die poröse Schichtform und Porosität nach dem ersten Ätzprozess ausschlaggebend für das Resultat nach dem bzw. den Anschlussprozess(en) ist. So tendieren hochporöse schwammartige Strukturen zu einer Steigerung der Porosität, sowie einer Transformation zu einer dendritischen Form. Überwiegt zusätzlich die Ätzpulsdauer die Passivierpulsdauer kommt es beinahe bei jeglicher porösen Ausgangsschicht zu einer Ablösung der porösen Gesamtschicht nach dem Anschlussprozess. Eine Transformation der Ausgangsschicht erfolgte nicht für das Vorliegen einer niederporösen verästelten Struktur, sowie einer kürzeren Ätzpulsdauer als der Passivierpulsdauer für alle anschließenden Ätzprozesse. Zusätzlich konnte die Verwendung eines Passivierprozesses dazu beitragen, poröse Schichten sukzessive herzustellen ohne eine signifikante Veränderung der bereits vorliegenden Schichten herbeizuführen. In diesem Sinne gelang eine gezielte Steigerung der Porosität im Sinne des Lift-off Prozesses. Die Wirkungsweise der Anschlussprozesse konnte auf das Vorliegen verschieden ausgedehnter und an Ladungsträger verarmter Zonen währen des Ätz- bzw. Passivierpulses in Kombination mit der Hydroxid-Passivierung der Germaniumoberflächenatome zurückgeführt werden. Sodann erfolgte das Tempern von drei verschiedenen porösen Schichtstapeln bestehend aus verästelten und schwammartigen Strukturen bei Temperaturen von 700 °C & 800 °C für 30 Minuten unter Wasserstoffatmosphäre. Es hat sich gezeigt, dass niederporöse verästelte Strukturen als Diffusionsbarriere wirken und zugleich beim Vorhanden hochporöser schwammartiger Strukturen eine Diffusion lateral zur Waferoberfläche begünstigen kann. Rasterkraftmikroskopuntersuchungen konnten weiterhin bestätigen, dass die quadratische Rauigkeit der Oberfläche bei einer Annealingtemperatur von 800 °C und insbesondere beim Vorliegen niederporöser verästelter Strukturen in unmittelbarer Nähe der Waferoberfläche sinkt. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit ein umfassendes Verständnis für die Herstellung verschiedener poröser Germaniumschichten. Im Zusammenhang mit den durchgeführten Annealingexperimenten können diese gezielt zur Herstellung eines Schichtstapels im Sinne des Lift-off Prozesses verwendet werden. Erste Epitaxieexperimente von InGaAs und InGaP zeigten anhand der ermittelten Threading Dislocation Densities (TDD) bereits einen vielversprechenden Trend auf.

Diarylethene sind molekulare Schalter, welche sich unter Einwirkung von Licht zwischen einem offenen und einem geschlossenen Isomer umwandeln. Die Effizienz dieser beiden Photoreaktionen ist von verschiedenen Parametern abhängig, welche bisher nur unzureichend verstanden sind. Ein entscheidender Faktor für die Hinreaktion ist das Verhältnis zweier Konformere, von denen jedoch nur eines photochemisch aktiv ist. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Klasse von Diarylethenen beschrieben, in welcher die aktive Konformation durch kovalente Verbrückungen unterschiedlicher Länge stabilisiert wird. Gleichzeitigeröffnet sich ein zusätzlicher Reaktionspfad in Form einer Doppelbindungsisomerisierung. Es stellte sich heraus, dass bei geeigneter Verbrückungslänge das zyklisierte Isomer mit ungewöhnlich hoher Effizienz gebildet wird, während die Effizienz der Ringöffnung nicht beeinflusst wird. Der Mechanismus und die Dynamik der Photoreaktion wurden anhand ausgewählter Vertreter durch Ultrakurzzeitspektroskopie untersucht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Ringschluss auch durch elektrochemische Oxidation oder Reduktion erfolgen kann. Die vorgestellten Systeme agieren bei direkter photochemischer Anregung wie herkömmliche Diarylethene nur im Ringschluss/Ringöffnungsregime. Durch Tripletsensibilisierung kann jedoch eine selektive Z→E Isomerisierung erzielt werden, was diese Diarylethenklasse zu reversiblen 3-Zustandssystemen erweitert. In Erweiterung des Projektes wurde die Struktur des Diarylethens noch stärker fixiert. Nach vielseitigen Syntheseversuchen konnten zwei Vertreter dieser Klasse erhalten und photochemisch untersucht werden, wobei ein Umsatz zu etwa 60% zyklisiertem Isomer bei der Bestrahlung mit UV-Licht gefunden wurde. Zusammengefasst stellt die kovalente Verbrückung der Diarylethenstruktur eine erfolgreiche Strategie dar, um sowohl die Effizienz der Ringschlussreaktion zu steigern als auch photochrome Verbindungen mit drei Schaltzuständen zu kreieren. / Diarylethenes are molecular switches that interconvert reversibly between an open and a closed isomer by irradiation with light. The efficiency of both photochemical reactions depends on several parameters, which, so far, are only insufficiently understood. One important factor in the cyclization reaction is the presence of two conformations of the open isomer of which only one is photochemically active. In the current work, a new class of diarylethenes is presented, in which the active conformation is covalently stabilized by alkyl chains of different lengths. As the central double bond is not fixated, double bond isomerization emerges as an additional pathway in these annulated diarylethenes. In dependence of the chosen ring size both open isomers convert with increased efficiency to the closed isomer upon irradiation. The efficiency of the cycloreversion process remains unaffected. The mechanism and dynamic of the photoreaction were investigated for selected compounds using transient absorption spectroscopy. Furthermore, electrochemical studies revealed that both the E- and the Z-isomer cyclize rapidly upon anodic oxidation or cathodic reduction. In general, the photochemical reactivity of annulated diarylethenes parallels that of normal diarylethenes and takes place exclusively in the cyclization/cycloreversion regime if irradiated directly. However, it was demonstrated that a selective Z→E double bond isomerization is possible, thus implementing a 3-state photoswitchable system. In extension of the project, the structure of diarylethenes was further stiffened. Using diverse synthetic approaches, two members of this class could be obtained. Photochemical investigation showed a conversion to the closed isomer of 60% upon irradiation with UV-light. In brief, the covalent fixation of diarylethenes represents an attractive strategy to increase the efficiency of the photochemical cyclization and extent the scope of diarylethenes to 3-state photochromic systems.

Die Menschheit steht vor der großen Herausforderung der Energieversorgung des 21. Jahrhundert. Nirgendwo ist diese noch dringlicher geworden als im Bereich der Energiespeicherung und Umwandlung. Konventionelle Energie kommt hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen, die auf der Erde nur begrenzt vorhanden sind, und hat zu einer starken Belastung der Umwelt geführt. Zusätzlich nimmt der Energieverbrauch weiter zu, insbesondere durch die rasante Verbreitung von Fahrzeugen und verschiedener Kundenelektronik wie PCs und Mobiltelefone. Alternative Energiequellen sollten vor einer Energiekrise entwickelt werden. Die Gewinnung erneuerbarer Energie aus Sonne und Wind sind auf jeden Fall sehr wichtig, aber diese Energien sind oft nicht gleichmäßig und andauernd vorhanden. Energiespeichervorrichtungen sind daher von großer Bedeutung, weil sie für eine Stabilisierung der umgewandelten Energie sorgen. Darüber hinaus ist es eine enttäuschende Tatsache, dass der Akku eines Smartphones jeglichen Herstellers heute gerade einen Tag lang ausreicht, und die Nutzer einen zusätzlichen Akku zur Hand haben müssen. Die tragbare Elektronik benötigt dringend Hochleistungsenergiespeicher mit höherer Energiedichte. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung von einzelnen aufgerollten Siliziumstrukturen als Anoden, die durch nanotechnologische Methoden hergestellt werden. Eine Lab-on-Chip-Plattform wird für die Untersuchung der elektrochemischen Kinetik, der elektrischen Eigenschaften und die von dem Lithium verursachten strukturellen Veränderungen von einzelnen Siliziumrohrchen als Anoden in einer Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt. In dem zweiten Teil wird ein neues Design und die Herstellung von flexiblen on-Chip, Festkörper Mikrosuperkondensatoren auf Basis von MnOx/Au-Multischichten vorgestellt, die mit aktueller Mikroelektronik kompatibel sind. Der Mikrosuperkondensator erzielt eine maximale Energiedichte von 1,75 mW h cm-3 und eine maximale Leistungsdichte von 3,44 W cm-3. Weiterhin wird ein flexibler und faserartig verwebter Superkondensator mit einem Cu-Draht als Substrat vorgestellt. Diese Dissertation wurde im Rahmen des Forschungsprojekts GRK 1215 "Rolled-up Nanotechnologie für on-Chip Energiespeicherung" 2010-2013, finanziell unterstützt von der International Research Training Group (IRTG), und dem PAKT Projekt "Elektrochemische Energiespeicherung in autonomen Systemen, no. 49004401" 2013-2014, angefertigt. Das Ziel der Projekte war die Entwicklung von fortschrittlichen Energiespeichermaterialien für die nächste Generation von Akkus und von flexiblen Superkondensatoren, um das Problem der Energiespeicherung zu addressieren. Hier bedanke ich mich sehr, dass IRTG mir die Möglichkeit angebotet hat, die Forschung in Deutschland stattzufinden. / Human beings are facing the grand energy challenge in the 21st century. Nowhere has this become more urgent than in the area of energy storage and conversion. Conventional energy is based on fossil fuels which are limited on the earth, and has caused extensive environmental pollutions. Additionally, the consumptions of energy are still increasing, especially with the rapid proliferation of vehicles and various consumer electronics like PCs and cell phones. We cannot rely on the earth’s limited legacy forever. Alternative energy resources should be developed before an energy crisis. The developments of renewable conversion energy from solar and wind are very important but these energies are often not even and continuous. Therefore, energy storage devices are of significant importance since they are the one stabilizing the converted energy. In addition, it is a disappointing fact that nowadays a smart phone, no matter of which brand, runs out of power in one day, and users have to carry an extra mobile power pack. Portable electronics demands urgently high-performance energy storage devices with higher energy density. The first part of this work involves lithium-ion micro-batteries utilizing single silicon rolled-up tubes as anodes, which are fabricated by the rolled-up nanotechnology approach. A lab-on-chip electrochemical device platform is presented for probing the electrochemical kinetics, electrical properties and lithium-driven structural changes of a single silicon rolled-up tube as an anode in lithium ion batteries. The second part introduces the new design and fabrication of on chip, all solid-state and flexible micro-supercapacitors based on MnOx/Au multilayers, which are compatible with current microelectronics. The micro-supercapacitor exhibits a maximum energy density of 1.75 mW h cm-3 and a maximum power density of 3.44 W cm-3. Furthermore, a flexible and weavable fiber-like supercapacitor is also demonstrated using Cu wire as substrate. This dissertation was written based on the research project supported by the International Research Training Group (IRTG) GRK 1215 "Rolled-up nanotech for on-chip energy storage" from the year 2010 to 2013 and PAKT project "Electrochemical energy storage in autonomous systems, no. 49004401" from 2013 to 2014. The aim of the projects was to design advanced energy storage materials for next-generation rechargeable batteries and flexible supercapacitors in order to address the energy issue. Here, I am deeply indebted to IRTG for giving me an opportunity to carry out the research project in Germany. September 2014, IFW Dresden, Germany Wenping Si

Die NAD+-reduzierende Hydrogenase aus Ralstonia eutropha (SH) katalysiert die reversible H2-Oxidation in Verbindung mit der Reduktion von NAD+ in Gegenwart von Sauerstoff. Die bemerkenswerte O2-Toleranz des Enzyms wurde zuvor auf eine für [NiFe]-Hydrogenasen ungewöhnliche Struktur des Wasserstoff-spaltenden Zentrums zurückgeführt. Diese Hypothese wurde in dieser Arbeit mittels in situ-Spektroskopie an SH-haltigen Zellen widerlegt. Um die folgende Untersuchung der aus sechs Untereinheiten und mindestens acht Kofaktoren bestehenden SH zu erleichtern, wurde das Enzym mittels genetischer Methoden in seine beiden Module aufgeteilt. Das die H2-Oxidation katalysierende Hydrogenase-Modul beinhaltete ein FMN-Molekül, welches für die reduktive Reaktivierung des oxidativ modifizierten Zentrums benötigt wird. Das Diaphorase-Modul besaß ebenfalls ein FMN, und die Reduktion von NAD+ wurde von der Anwesenheit von O2 nicht beeinträchtigt. Neben Wasserstoff reagierte das [NiFe]-Zentrum der SH auch mit Sauerstoff. Dabei wurde sowohl Wasserstoffperoxid- als auch Wasser im Hydrogenase-Modul freigesetzt. Die Sauerstofftoleranz der SH basiert auf einer kontinuierlichen Reaktivierung des durch Sauerstoff oxidierten [NiFe]-Zentrums. Aufgrund der außergewöhnlichen Sauerstofftoleranz stellt die SH ein vielversprechendes System für die wasserstoffgetriebene Regeneration von NADH in gekoppelten enzymatischen Reaktionen dar. In dieser Arbeit wurde ein SH-Derivat durch rationale Mutagenese konstruiert, das in der Lage war, ebenso den Kofaktor NADP+ wasserstoffabhängig zu reduzieren. Durch Ganzzellansätze kann die zeitaufwändige und kostenintensive Proteinreinigung vermieden werden. Um die wasserstoffabhängige in-vivo-Kofaktorregeneration zu ermöglichen, wurde die SH in Pseudomonas putida heterolog produziert. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse sind sowohl für das molekulare Verständnis der H2-abhängigen Katalyse als auch für die biotechnologische Anwendung der O2-toleranten SH relevant. / The NAD+ reducing hydrogenase from Ralstonia eutropha (SH) catalyzes the reversible oxidation of hydrogen in connection with the reduction of NAD+ in the presence of oxygen. The remarkable oxygen tolerance was previously related to an unusual [NiFe] active site with four instead of two cyanide ligands. This hypothesis was rejected in this study by using in situ spectroscopy on SH containing cells. To simplify the investigation of the six-subunit and at least eight cofactors containing SH, the enzyme was separated into its two modules by genetic methods. The hydrogen oxidizing hydrogenase module contained one FMN molecule, which was required for the reductive reactivation of the oxidatively modified active site. The diaphorase module carried a second FMN. The reduction of NAD+ was not affected by the presence of oxygen. In addition to hydrogen, the [NiFe] center of the SH reacted with oxygen. Both hydrogen peroxide and water were released by the hydrogenase module. The oxygen tolerance of the SH is based on a continuous reactivation of the oxidized [NiFe] center. Due to the oxygen tolerance, the SH is a promising system for hydrogen based NADH regeneration in coupled enzymatic reactions. In this study a SH derivative was constructed by means of rational mutagenesis. The SH derivative was able to reduce the cofactor NADP+ by hydrogen oxidation. The time consuming and costly protein purification can be avoided by using whole cell approaches. In order to allow the hydrogen dependent in vivo cofactor regeneration, SH was heterologously produced in Pseudomonas putida. The results obtained in this study are relevant for the molecular understanding of hydrogen dependent catalysis and for the biotechnological application of the oxygen tolerant SH.

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