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Thermoplastic Vulcanizates (TPVs) are itself a commercially high valued group of polymer blend. They render technological properties of conventional vulcanized elastomers with the ease of thermoplastic melt (re)processability. With ever growing market, TPVs have got plenty of applications among various fields. Here, the technological properties of these TPVs were tailored according to the purpose by interplaying physical parameters of polymers and advanced high energy electron technology. Electron irradiation, though a well-known technique for cross-linking in polymer industry, is only restricted to final product treatment. We take it to the next level by coupling a conventional internal mixer and a high energy electron accelerator. Polypropylene (PP) and natural rubber (NR) based TPVs have been prepared using this new reactive processing technology, named Electron Induced Reactive Processing (EIReP). Various electron treatment parameters were explored to maximize technological properties of TPVs. Effects of various polyfunctional monomers (PFM) were also studied. In an endeavor to develop a potential method for customization, deep insights of macroscopic and microscopic structure of these TPVs were presented with the help of various advanced scientific characterization techniques. Commonly faced difficulties like viscosity mismatch, cure rate mismatch, and incompatibility due to different molecular structures were furnished along with plausible solutions. Investigation of phase inversion from co-continuous matrix to thermoplastic matrix was dealt with special care as it helps to understand structure property correlation for all TPVs. To make the whole effort relevant, at the end of this thesis a summary of various technological properties has been given for the newly processed and commercially available TPVs.

Die fortwährende Verkleinerung der Strukturbreiten in der Mikroelektronik erfordert es, herkömmliche SiO2 Dielektrika durch Materialien mit kleinerer Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Dafür sind verschiedene „low-k Materialien“ entwickelt worden. Unter diesen sind die Organosilikatgläser, die aus SiO2 Netzwerken mit eingelagerten Methylgruppen bestehen wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften besonders interessant als Dielektrika zwischen metallischen Leiterbahnen. In dieser Arbeit sind fünf verschiedene dieser „low-k Materialien“ untersucht worden: ein dichtes und vier poröse Materialien, die alle durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden. Die strukturellen, chemischen und dielektrischen Eigenschaften der Materialien wurden mit Hilfe der analytischen Durchstrahlungselektronenmikroskopie unter Verwendung eines abbildenden GATAN-Energiespektrometers untersucht. Die Bestimmung der radialen Verteilungsfunktion (RDF) zur Charakterisierung der atomaren Nahordnung ermöglicht uns die Ermittlung mittlerer Bindungslängen und – winkel sowie der mikroskopischen Dichte des Materials. Gegenüber SiO2 wurden in den untersuchten „low-k Materialien“ stark veränderte mittlere Si-O, O-O und Si-Si Bindungslängen gefunden. Dieses wirkt sich natürlich auch auf die mittleren Si-O-Si bzw. O-Si-O Bindungswinkel aus, und wie erwartet war auch die mikroskopische Dichte der „low-k Materialien“ kleiner als die Dichte des SiO2. Elektronen Energieverlustspektroskopie (EELS) und Photoelektronenspektroskopie (XPS) wurden zur Charakterisierung der chemischen Umgebung der Atome in den „low-k Materialien“ herangezogen. Die Energien von Ionisationskanten und die Bindungsenergien der Silizium-2p und Sauerstoff-1s Elektronen waren in den „low-k Materialien“ größer als im SiO2. Die Kohlenstoffatome kamen in den „low-k Materialien“ sowohl sp2 als auch sp3 hybridisiert vor. sp2-Hybridisierung liegt vor, wenn Bindungen wie Si=CH2 und C=C im Netzwerk vorkommen, während sp3 Hybridisierung z.B. dann vorkommt, wenn freie Si-Bindungen durch –CH3 Gruppen abgesättigt werden. Die Anteile an sp2- bzw. sp3-hybridisierten Kohlenstoffatome wurden aus der Feinstruktur der K-Energieverlustkanten des Kohlenstoffs abgeschätzt. Das ergab, daß die meisten Kohlenstoffatome in den „low-k Materialien“ sp2-hybridisiert sind. Die dielektrischen Eigenschaften wurden durch Kramers-Kronig-Transformation einer Energieverlustfunktion ermittelt, die aus dem Niedrigverlust-EELS-Spektrum im Bereich der Plasmonenanregungen gewonnen wurde. Die Bandlücke des SiO2 beträgt ungefähr 9 eV während dichte „low-k Materialien“ aufgrund der Unregelmäßigkeiten in ihrem SiO2-Netzwerk zusätzliche Zustandsdichten innerhalb der Bandlücke aufweisen. Die Erzeugung von Poren im „low-k Material“ vermindert offenbar die Zustandsdichte im Bereich der Bandlücke und erweitert diese im Vergleich zum SiO2. Eine Modellrechnung mit der Dichtefunktionaltheorie für ein Strukturmodell, das den „low-k Materialien“ nahe kommt, ist zum Vergleich mit der experimentell gefundenen kombinierten Zustandsdichte herangezogen worden und zeigt eine gute Übereinstimmung. Die im Standard-Herstellungsprozeß vorkommenden Verfahren des Plasmaätzens und der Plasmaveraschung können die Struktur des „low-k Materials“ z.B. an den Seitenwänden von Ätzgräben verändern. Die gestörten Bereiche wurden mit der energiegefilterten Elektronenmikroskopie untersucht. Dabei wurde gefunden, daß sich die Strukturveränderungen der Seitenwände bis zu einer Tiefe in der Größenordnung von ungefähr 10 Nanometern erstrecken. Diese Bereiche sind verarmt an Kohlenstoff und ähneln folglich mehr einem SiO2-Dielektrikum. Die Kohlenstoffverarmung erstreckt sich in die „low-k Schicht“ in Form eines gaussartigen Profils mit maximaler Kohlenstoffkonzentration in der Mitte der Schicht. Die Sauerstoffkonzentration und die mikroskopische Dichte steigen in der Nähe der Seitenwände.

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

This thesis presents results on the theoretical description of ion acceleration using ultra-short ultra-intense laser pulses. It consists of two parts. One deals with the very general and underlying description and theoretic modeling of the laser interaction with the plasma, the other part presents three approaches of optimizing the ion acceleration by target geometry improvements using the results of the first part. In the first part, a novel approach of modeling the electron average energy of an over-critical plasma that is irradiated by a few tens of femtoseconds laser pulse with relativistic intensity is introduced. The first step is the derivation of a general expression of the distribution of accelerated electrons in the laboratory time frame. As is shown, the distribution is homogeneous in the proper time of the accelerated electrons, provided they are at rest and distributed uniformly initially. The average hot electron energy can then be derived in a second step from a weighted average of the single electron energy evolution. This result is applied exemplary for the two important cases of infinite laser contrast and square laser temporal profile, and the case of an experimentally more realistic case of a laser pulse with a temporal profile sufficient to produce a preplasma profile with a scale length of a few hundred nanometers prior to the laser pulse peak. The thus derived electron temperatures are in excellent agreement with recent measurements and simulations, and in particular provide an analytic explanation for the reduced temperatures seen both in experiments and simulations compared to the widely used ponderomotive energy scaling. The implications of this new electron temperature scaling on the ion acceleration, i.e. the maximum proton energy, are then briefly studied in the frame of an isothermal 1D expansion model. Based on this model, two distinct regions of laser pulse duration are identified with respect to the maximum energy scaling. For short laser pulses, compared to a reference time, the maximum ion energy is found to scale linearly with the laser intensity for a simple flat foil, and the most important other parameter is the laser absorption efficiency. In particular the electron temperature is of minor importance. For long laser pulse durations the maximum ion energy scales only proportional to the square root of the laser peak intensity and the electron temperature has a large impact. Consequently, improvements of the ion acceleration beyond the simple flat foil target maximum energies should focus on the increase of the laser absorption in the first case and the increase of the hot electron temperature in the latter case. In the second part, exemplary geometric designs are studied by means of simulations and analytic discussions with respect to their capability for an improvement of the laser absorption efficiency and temperature increase. First, a stack of several foils spaced by a few hundred nanometers is proposed and it is shown that the laser energy absorption for short pulses and therefore the maximum proton energy can be significantly increased. Secondly, mass limited targets, i.e. thin foils with a finite lateral extension, are studied with respect to the increase of the hot electron temperature. An analytical model is provided predicting this temperature based on the lateral foil width. Finally, the important case of bent foils with attached flat top is analyzed. This target geometry resembles hollow cone targets with flat top attached to the tip, as were used in a recent experiment producing world record proton energies. The presented analysis explains the observed increase in proton energy with a new electron acceleration mechanism, the direct acceleration of surface confined electrons by the laser light. This mechanism occurs when the laser is aligned tangentially to the curved cone wall and the laser phase co-moves with the energetic electrons. The resulting electron average energy can exceed the energies from normal or oblique laser incidence by several times. Proton energies are therefore also greatly increased and show a theoretical scaling proportional to the laser intensity, even for long laser pulses.

Due to recent progress in theory and the growing number of physical realizations, low-dimensional quantum magnets continue to receive a considerable amount of attention. They serve as model systems for investigating numerous physical phenomena in spin systems with cooperative ground states, including the field-induced evolution of the ground-state properties and the corresponding rearrangement of their low-energy excitation spectra. This work is devoted to systematic studies of recently synthesized low-dimensional quantum spin systems by means of multi-frequency high-field electron spin resonance (ESR) investigations. In the spin- 1/2 chain compound (C6H9N2)CuCl3 [known as (6MAP)CuCl3] the striking incompatibility with a simple uniform S = 1/2 Heisenberg chain model employed previously is revealed. The observed ESR mode is explained in terms of a recently developed theory, revealing the important role of the alternation and next-nearest-neighbor interactions in this compound. The excitations spectrum in copper pyrimidine dinitrate [PM·Cu(NO3)2(H2O)2]n, an S = 1/2 antiferromagnetic chain material with alternating g-tensor and Dzyaloshinskii-Moriya interaction, is probed in magnetic fields up to 63 T. To study the high field behavior of the field-induced energy gap in this material, a multi-frequency pulsed-field ESR spectrometer is built. Pronounced changes in the frequency-field dependence of the magnetic excitations are observed in the vicinity of the saturation field, B ∼ Bs = 48.5 T. ESR results clearly indicate a transition from the soliton-breather to a spin-polarized state with magnons as elementary excitations. Experimental data are compared with results of density matrix renormalization group calculations; excellent agreement is found. ESR studies of the spin-ladder material (C5H12N)2CuBr4 (known as BPCB) completes the determination of the full spin Hamiltonian of this compound. ESR results provide a direct evidence for a pronounced anisotropy in this compound, that is in contrast to fully isotropic spin-ladder model employed previously for BPCB. Our observations can be of particular importance for describing the rich temperature-field phase diagram of this material. The frequency-field diagram of magnetic excitations in the quasi-two dimensional S = 1/2 compound [Cu(C4H4N2)2(HF2)]PF6 in the AFM-ordered state is studied. The AFM gap is observed directly. Using high-field magnetization and ESR results, parameters of the effective spin-Hamiltonian (exchange interaction, anisotropy and g-factor) are obtained and compared with those estimated from thermodynamic properties of this compound.

This thesis covers different problems that arise due to crystal and pseudospin anisotropy present in 3d and 5d transition metal oxides. We demonstrate that the methods of computational quantum chemistry can be fruitfully used for quantitative studies of such problems. In Chapter 2, Chapter 3, and Chapter 7 we show that it is possible to reliably calculate local multiplet splittings fully ab initio, and therefore help to assign peaks in experimental spectra to corresponding electronic states. In a situation of large number of peaks due to low local symmetry such assignment using semi-empirical methods can be very tedious and non-unique. Moreover, in Chapter 4 we present a computational scheme for calculating intensities as observed in the resonant inelastic X-ray scattering and X-ray absorption experiments. In our scheme highly-excited core-hole states are calculated explicitly taking into account corresponding orbital relaxation and electron polarization. Computed Cu L-edge spectra for the Li2CuO2 compound reproduce all features present in experiment. Unbiased ab initio calculations allow us to unravel a delicate interplay between the distortion of the local ligand cage around the transition metal ions and the anisotropic electrostatic interactions due to second and farther coordination shells. As shown in Chapter 5 and Chapter 6 this interplay can lead to the counter intuitive multiplet structure, single-ion anisotropy, and magnetic g factors. The effect is quite general and may occur in compounds with large difference between charges of metal ions that form anisotropic environment around the transition metal, like Ir 4+ in plane versus Sr 2+ out of plane in the case of Sr2IrO4. An important aspect of the presented study is the mapping of the quantum chemistry results onto simpler physical models, namely extended Heisenberg model, providing an ab initio parametrization. In Chapter 5 we employ the effective Hamiltonian technique for extracting parameters of the anisotropic Heisenberg model with single-ion anisotropy in the case of quenched orbital moment and second-order spin-orbit coupling. Calculated strong easy-axis anisotropy of the same order of magnitude as the symmetric exchange is consistent with experimentally-observer all-in/all-out magnetic order. In Chapter 6 we introduce new flavour of the mapping procedure applicable to systems with first-order spin-orbit coupling, such as 5d 5 iridates based on analysis of the wavefunction and interaction with magnetic field. In Chapter 6 and Chapter 7 we use this new procedure to obtain parameters of the pseudospin anisotropic Heisenberg model. We find large antisymmetric exchange leading to the canted antiferromagnetic state in Sr2IrO4 and nearly ideal one-dimensional Heisenberg behaviour of the CaIrO3, both agree very well with experimental findings.

¨Herstellung und Charakterisierung von Kohlenstoffnitridschichten¨ Technische Universitaet Chemnitz, Institut fuer Physik, Dissertation, 1998 (121 Seiten; 61 Abbildungen; 17 Tabellen; 148 Literaturzitate) Spaeth, Christian Mit einem neuartigen Abscheidungsverfahren, der gefilterten Vakuumbogenverdampfung von Graphit in einer Stickstoffatmosphaere, kombiniert mit einer Kaufman-Ionenquelle, wurden Kohlenstoffnitridschichten abgeschieden. Es wurde untersucht, wie sich die Wahl der Schichtabscheidungsparameter auf die Schichtstruktur und -eigenschaften der erzeugten Kohlenstoffnitridschichten auswirkt. Dies geschah insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von beta-C_3N_4. Trotz einer breiten Variation der Beschichtungsparameter konnte der Stickstoffgehalt in den Schichten nicht ueber 35 At.% angehoben werden. Die mit ERDA und Profilometrie ermittelte Dichte der Schichten reduziert sich von 2,9 g/cm^3 bei reinen Kohlenstoffschichten auf 2,0 g/cm^3 bei maximalem Stickstoffgehalt. Dies ist in Uebereinstimmung mit Ergebnissen aus der TEM-EELS-Spektrometrie. Die sigma-Plasmonenenergie verringert sich von 30,5 eV auf 26,0 eV und das pi-Plasmon gewinnt deutlich an Intensitaet hinzu. Das starke Anwachsen des Pi*-Vorpeaks an der C1s-Kante zeigte, dass die Verwendung von Stickstoff im Prozess nicht zu einer Stabilisierung von Kohlenstoff sp^3-Bindungen fuehrt, wie dies fuer die Bildung von beta-C_3N_4 notwendig waere. Aus TEM-Untersuchungen in Hochaufloesung und im Beugungsmodus ergab sich, dass das Material amorph ist. Jedoch liessen Raman-Untersuchungen eine Tendenz zur Ausbildung einer graphitischen Ordnung auf sehr kleiner Skala bei erhoehter Substrattemperatur und intensiviertem N-Ionenbeschuss vermuten. Durch die Messung der mittleren Zahl von naechsten Nachbarn, der mittleren Bindungslaenge und des mittleren Bindungswinkel mittels Neutronenbeugung konnte gezeigt werden, dass die diamantartige Nahordnung bei geringen Stickstoffgehalten in eine graphitartige Nahordnung bei hoeheren Stickstoffgehalten uebergeht. Diese Ergebnisse deuten auf ein durch sp^2-Bindungen dominiertes Netzwerk bei hohen Stickstoffgehalten hin. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass, zumindest mittels der ionenassistierten Vakuumbogenverdampfung, die Herstellung von beta-C_3N_4 nicht moeglich ist. Davon unabhaengig weisen amorphe CN_x -Schichten mit ca. 20 At.% Stickstoff interessante mechanische Eigenschaften auf. Bei einer Haerte vergleichbar zu c-BN sind sie aeusserst bruchzaeh.