Tomographic electron holography combines tomography, the reconstruction of three-dimensionally resolved data from multiple measurements with different specimen orientations, with electron holography, an interferometrical method for measuring the complex wave function inside a transmission electron microscope (TEM). Due to multiple scattering and free wave propagation conventional, ray projection based, tomography does perform badly when approaching atomic resolution. This is remedied by incorporating propagation effects into the projection while maintaining linearity in the object potential. Using the Rytov approach an approximation is derived, where the logarithm of the complex wave is linear in the potential. The ray projection becomes a convolution with a Fresnel propagation kernel, which is considerably more computationally expensive. A framework for such calculations has been implemented in Python. So has a multislice electron scattering algorithm, optimised for large fields of view and high numbers of atoms for simulations of scattering at nanoparticles. The Rytov approximation gives a remarkable increase in resolution and signal quality over the conventional approach in the tested system of a tungsten disulfide nanotube. The response to noise seems to be similar as in conventional tomography, so rather benign. This comes at the downside of much longer calculation time per iteration. / Tomographische Elektronenholographie kombiniert Tomographie, die Rekonstruktion dreidimensional aufgelößter Daten aus einem Satz von mehreren Messungen bei verschiedenen Objektorientierungen, mit Elektronenholographie, eine interferrometrische Messung der komplexen Elektronenwelle im Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Wegen Mehrfachstreuung und Propagationseffekten erzeugt konventionelle, auf einer Strahlprojektion basierende, Tomography ernste Probleme bei Hochauflösung hin zu atomarer Auflösung. Diese sollen durch ein Modell, welches Fresnel-Propagation beinhaltet, aber weiterhin linear im Potential des Objektes ist, vermindert werden. Mit dem Rytov-Ansatz wird eine Näherung abgeleitet, wobei der Logarithmus der komplexen Welle linear im Potential ist. Die Strahlen-Projektion ist dann eine Faltung mit dem Fresnel-Propagations-Faltungskernel welche rechentechnisch wesentlich aufwendiger ist. Ein Programm-Paket für solche Rechnungen wurde in Python implementiert. Weiterhin wurde ein Multislice Algorithmus für große Gesichtsfelder und Objekte mit vielen Atomen wie Nanopartikel optimiert. Die Rytov-Näherung verbessert sowohl die Auflösung als auch die Signalqualität immens gegenüber konventioneller Tomographie, zumindest in dem getesteten System eines Wolframdisulfid-Nanoröhrchens. Das Rauschverhalten scheint ähnlich der konventionallen Tomographie zu sein, also eher gutmütig. Im Gegenzug braucht die Tomographie basierend auf der Rytov-Näherung wesentlich mehr Rechenzeit pro Iteration.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Optimierung und der Untersuchung der Materialeigenschaften des thermoelektrischen Materials Ag1-xPb18Sb1+yTe20 (englisch Lead-Antimony-Silver-Telluride: LAST). Bei LAST handelt es sich um Bleitellurid mit geringen Anteilen von Silber und Antimon, welche teilweise gelöst den Gitterplatz von Blei substituieren (Einbau in PbTe-Matrix) bzw. Fremdphasen auf m- und nm-Skala bilden. Seine hohe thermoelektrische Güte wird dabei hauptsächlich der geringen thermischen Gitterleitfähigkeit zugeschrieben, die in ersten Veröffentlichungen mit dem Auftreten nanoskaliger, Silber- und Antimonreicher Einschlüsse und deren Funktion als Phononenstreuer erklärt wurde. Das durch Schmelzsynthese hergestellte Bulkmaterial wurde im Rahmen der Arbeit durch Gefügeabbildung und Elementanalytik untersucht. In Kooperation mit den Projektpartnern sollte daraus eine Korrelation von Struktur- und Funktionseigenschaften abgeleitet, sowie eine reproduzierbare Syntheseroute entwickelt werden. Die elektronenmikroskopische Abbildung der Mikrostruktur erfolgte dabei auf zwei Größenskalen. Auf der µm-Skala wurde die Oberfläche des Bulkmaterials auf Homogenität und Zusammensetzung sowie Anteil des Fremdphasenbestands untersucht. Trotz des sehr komplexen Phasenbestandes aufgrund des quaternären Phasendiagramms und der Vielzahl relevanter Syntheseparameter konnte ein Zusammenhang zwischen Zusammensetzung (Regulierung des Silber- und Antimonanteils bzw. dessen Verhältnis), Temperbedingungen und thermoelektrischen Eigenschaften hergestellt werden. Mithilfe des detektierten Phasenbestandes konnte die Existenz einer Mischungslücke im quasibinären Phasendiagramm 2PbTe-AgSbTe2 nachgewiesen werden. Dabei bilden die Zusammensetzungen zwei der ermittelten Fremdphasen die Phasengrenzen. Die beobachtete spinodale Entmischung erzeugte eine extrem hohe Grenzflächendichte und kann somit ebenfalls einen Beitrag zur Senkung der Wärmeleitfähigkeit liefern. Für die Analyse der Mikrostruktur auf nm-Skala wurden aus der LAST-Matrix mithilfe der fokussierten Ionenstrahltechnik elektronentransparente Schnitte gefertigt. Abhängig von Temperbedingungen und dem Verhältnis von Silber und Antimon wurden auch hier fremdphasige Einschlüsse entdeckt. Dabei konnte ein optimaler Temperbereich von 500 bis 550 °C (bezogen auf einen hohen Gütewert) mit dem Auftreten dieser Einschlüsse korreliert werden. Eine allgemeine, direkte Zuordnung des Vorhandenseins von Nanostrukturen zu guten oder schlechten thermoelektrischen Eigenschaften konnte im Allgemeinen jedoch nicht nachgewiesen werden. Vielmehr wurden deutliche Hinweise gefunden, dass auch die Anordnung von Punktdefekten (Blei-Substitution durch Silber und Antimon) und ggf. Agglomerate aus Punktdefekten in der LAST-Matrix eine Rolle bei der Senkung der Wärmeleitfähigkeit spielen. Im hochaktuellen Entwicklungsgebiet selbstorganisierender Nanostrukturen mit Auswirkungen auf thermoelektrische Eigenschaften wurden substantielle Fortschritte bei der Entwicklung geeigneter, LAST-basierter Thermoelektrika für mittlere Einsatztemperaturen erzielt. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit zeigen Optionen zur Erzeugung hocheffizienter thermoelektrischer Bauelemente auf, wie unter anderem die bestätigte Stabilität bis zu relativ hohen Einsatztemperaturen (> 500 °C) zeigt.

Zahlreiche Geräte, die in den Naturwissenschaen, in der Industrie und im Gesundheitswesen unverzichtbar sind, basieren auf Strahlen schneller geladener Teilchen. Dazu zählen unter anderem Elektronen- und Ionenmikroskope, entsprechende Lithographiestrahlanlagen und Röntgenstrahlungsquellen. Magnetische Optiken, die Strahlen geladener Teilchen ablenken, formen und fokussieren, sind das Rückgrat aller Geräte die mit hochenergetischen Teilchen arbeiten, da sie im Vergleich zu Optiken, die auf elektrischen Feldern basieren, bei hohen Teilchengeschwindigkeiten eine überlegene optische Leistung aufweisen. Konventionelle makroskopische magnetische Optiken sind jedoch groß, teuer und platzraubend, nicht hochfrequenzfähig und erfordern aktive (Wasser-)Kühlung zur Wärmeabfuhr. Sie sind daher für Mehrstrahlinstrumente, miniaturisierte Anwendungen und schnelle Strahlmanipulation ungeeignet, die für zukünftige Fortschritte in der Nanofabrikation und -analyse gebraucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die ersten magnetischen selbst-assemblierenden Mikro-Origami-Elektronenoptiken entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Mit dem verwendeten Miniaturisierungsansatz können, bei ähnlicher optischer Leistung, alle oben genannten Nachteile von konventionellen magnetischen Optiken überwunden werden. Die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser optischen Elemente werden durch die einzigartigen Merkmale der Mikrospulen ermöglicht: geringe Größe, geringe Induktivität und geringer Widerstand. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter anderem adaptive Phasenplaen hergestellt, die Elektronenvortexstrahlen mit einem bislang unerreichten Bahndrehimpuls von bis zu mehreren 1000 ̄h erzeugen. Des Weiteren wurden schnelle Elektronenstrahldeflektoren zur Strahlablenkung, zum zweidimensionalen Rastern und für stroboskopische Experimente gefertigt. Sie besitzen eine Ablenkleistung im mrad-Bereich für 300 kV Elektronen und einen Frequenzdurchgang bis zu 100 MHz. Darüber hinaus wurden miniaturisierte adrupollinsen mit Brennweiten kleiner als 46 mm für 300 kV Elektronen entwickelt. Diese drei Arten elektronenoptischer Elemente sind von großem Interesse für verschiedenste Anwendungen in der Nanofabrikation und -analyse, da sie unter anderem als integrale Bestandteile von zu entwickelnden Mehrstrahlinstrumenten, miniaturisierten Geräten und stroboskopischen Messaufbauten dienen können.:1 Introduction 1.1 Charged Particle Optics 1.2 Miniaturized Charged Particle Optics 1.3 Phase Plates for Transmission Electron Microscopy 2 Charged Particle Optics 2.1 Hamiltonian Formalism 2.2 Gaussian Matrix Optics 2.3 Transfer Matrices of Magnetic Elements 2.3.1 Single Quadrupole 2.3.2 Quadrupole Multiplets 2.3.2.1 Quadrupole Doublet 2.3.2.2 Quadrupole Triplet 2.3.2.3 Higher Order Quadrupole Multiplets 2.4 Scaling Laws for Charged Particle Optics 2.4.1 Thin Film 2.4.2 Electrostatic Scaling Laws 2.4.3 Magnetic Scaling Laws 3 Design and Fabrication of Miniaturized Electron Optics 3.1 Basics of Polymer-Based Self-Assembly Technology 3.2 Basic Coil Design and Magnetic Field Simulations 3.3 CoFeSiB-Pyrex Core-Shell Micro Wires 3.4 Fabrication of Self-Assembled Micro Coil Devices 4 Optical Properties of Self-Assembled Miniaturized Electron Optics 4.1 Electron Vortex Phase Plate 4.1.1 Projected Magnetic Fields 4.1.2 Vortex Beam Characteristics 4.2 Miniaturized Deflector 4.3 Quadrupole Focusing Optic 4.4 High Frequency Characteristics of Self-Assembled Electron Optics 5 Summary and Outlook 5.1 Applications of Electron Vortex Beams with Large OAM 5.2 Optics of Large Optical Power for Pulsed Instruments 5.3 Stroboscopic TEM Measurements 5.4 Miniaturized Wigglers, Undulators and Free Electron Lasers 5.5 Towards Integrated Electron Optical Systems / Beams of highly accelerated charged particles are essential for numerous indispensable devices used throughout natural sciences, industry and the healthcare sector, e.g., electron and ion microscopes, charged particle lithography machines and X-ray radiation sources. Magnetic charged particle optics that deflect, shape and focus high-energy charged particles are the backbone of all such devices, because of their superior optical power compared to electric field optics at large particle velocities. Conventional macroscopic magnetic optics, however, are large, costly and bulky, not high frequency capable and require active cooling for heat dissipation. They are therefore unsuitable for fast beam manipulation, multibeam instrumentation, and miniaturized applications, much desired for future advances in nanofabrication and analysis. The first on-chip micro-sized magnetic charged particle optics realized via a self-assembling micro-origami process were designed, fabricated and characterized within the frame of this work. The utilized micro-miniaturization approach overcomes all the aforementioned obstacles for conventional magnetic optics, while maintaining similar optical power. The exceptional properties of these optical elements are rendered possible by the unique features of strain-engineered micro-coils: small size, small inductance and small resistivity. Within the frame of this work, adaptive phase plates were fabricated, which generate electron vortex beams with an unprecedented orbital angular momentum of up to several 1000 ̄h. Furthermore, fast electron beam deflectors for beam blanking, two-dimensional scanning and stroboscopic experiments were manufactured. They possess a deflection power in the mrad regime for 300 kV electrons and a high frequency passband up to 100 MHz. Additionally, miniaturized strong quadrupole lenses with focal lengths down to 46 mm for 300 kV electrons have been developed. These three types of electron optical elements are of great interest for a wide range of applications in nanofabrication and analysis, as they serve as integral components of future multibeam instruments, miniaturized devices, and stroboscopic measurement setups to be developed.:1 Introduction 1.1 Charged Particle Optics 1.2 Miniaturized Charged Particle Optics 1.3 Phase Plates for Transmission Electron Microscopy 2 Charged Particle Optics 2.1 Hamiltonian Formalism 2.2 Gaussian Matrix Optics 2.3 Transfer Matrices of Magnetic Elements 2.3.1 Single Quadrupole 2.3.2 Quadrupole Multiplets 2.3.2.1 Quadrupole Doublet 2.3.2.2 Quadrupole Triplet 2.3.2.3 Higher Order Quadrupole Multiplets 2.4 Scaling Laws for Charged Particle Optics 2.4.1 Thin Film 2.4.2 Electrostatic Scaling Laws 2.4.3 Magnetic Scaling Laws 3 Design and Fabrication of Miniaturized Electron Optics 3.1 Basics of Polymer-Based Self-Assembly Technology 3.2 Basic Coil Design and Magnetic Field Simulations 3.3 CoFeSiB-Pyrex Core-Shell Micro Wires 3.4 Fabrication of Self-Assembled Micro Coil Devices 4 Optical Properties of Self-Assembled Miniaturized Electron Optics 4.1 Electron Vortex Phase Plate 4.1.1 Projected Magnetic Fields 4.1.2 Vortex Beam Characteristics 4.2 Miniaturized Deflector 4.3 Quadrupole Focusing Optic 4.4 High Frequency Characteristics of Self-Assembled Electron Optics 5 Summary and Outlook 5.1 Applications of Electron Vortex Beams with Large OAM 5.2 Optics of Large Optical Power for Pulsed Instruments 5.3 Stroboscopic TEM Measurements 5.4 Miniaturized Wigglers, Undulators and Free Electron Lasers 5.5 Towards Integrated Electron Optical Systems

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.

Zusammenfassung Zur Freisetzung ihres Genoms in das Innere der Wirtszelle müssen Hüllviren ihre Membran mit der Membran der Wirtszelle verschmelzen. Diese Fusion wird durch eine Konformations- umwandlung der Ektodomäne viraler Glykoproteine ausgelöst. Die Kenntnis der drei- dimensionalen Struktur der vollständigen Ektodomäne in der fusionsaktiven Konformation ist Voraussetzung für das Verständnis des Fusionsmechanismus. Die Fusion von Influenza mit entsprechenden Targetmembranen wird durch eine durch sauren pH ausgelöste Konformationsänderung des als Trimer vorliegenden Glykoproteins Hämagglutinin (HA) vermittelt. Bis jetzt war die dreidimensionale (Röntgenkristall-) Struktur einer enzymatisch abgespaltenen HA-Ektodomäne nur eines Influenzastammes bei neutralem pH-Wert bzw. von einigen Fragmenten der HA2-Untereinheit bei saurem pH-Wert bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden ein geeigneter Influenzastamm sowie geeignete Untersuchungsbedingungen ermittelt, um die 3D-Struktur des kompletten, nicht enzymatisch vorbehandelten HA sowohl in seiner nativen (bei neutralem pH-Wert vorliegenden) als auch in seiner fusionskompetenten (keinesfalls aber bereits inaktivierten) Struktur mittels Kryo- Elektronenmikroskopie und Bildverarbeitung aufzuklären. Es wurde erstmals die 3D-Struktur des kompletten HA eines anderen Influenzastammes (A/Japan) bei neutralem pH-Wert aufgeklärt und mit der bekannten 3D-Struktur von Influenza X-31 verglichen. Außerdem konnte eine fusionskompetente Form rekonstruiert werden, die im Vergleich zur nativen Konformation deutliche Veränderungen in der 3D-Struktur zeigt, ohne daß sich jedoch die Assoziation der Monomere aufhob. Die Befunde werden unter anderem in Hinblick auf die Bedeutung der HA1-Untereinheit für die Fusion diskutiert. Die vorgestellte Methode scheint geeignet, auch andere Membranproteine bzw. Membranfusion-vermittelnde Proteine in verschiedenen konformeren Zuständen aufzuklären (insbesondere jene, die der Röntgenkristallstrukturanalyse nicht zugänglich sind) und so einen diesen Fusionsprozessen eventuell zugrundeliegenden konservierten Funktionsmechanismus aufzuhellen. / Abstract Envelope viruses enter a host cell via fusion between the viral and endosomal membrane, thereby releasing the nucleocapsid into the cytoplasm. The fusion has been accompanied with an conformational change in the ectodomain of viral glycoproteins. To understand the mechanism leading to fusion the three-dimensional (3D) structure of the complete viral glycoprotein in its fusion competent conformation has to be determined. The Fusion of influenza virus which is triggered at low pH has been associated with an irreversible conformational change in the trimeric glycoprotein hemagglutinin (HA). The three-dimensional (crystal) structure is already known of the enzymatic-cleaved ectodomain of one influenza strain (X-31) at neutral pH or of some fragments of the HA2-subunit at low pH, respectively. In this work a suitable influenza strain as well as suitable experimental conditions for investigations of the 3D-structure of the complete and not enzymatically treated HA at neutral and acidic pH conditions have been determined. An cryo-microscopy/angular reconstitution approach has been employed for the 3D- reconstruction of the intact HA of an different influenza strain (A/Japan). This structure is in excellent agreement with the known X-ray crystallographic structure of the bromelain- cleaved ectodomain of HA from influenza X-31. Moreover, for the very first time the 3D structure of the intact HA of Influenza A/Japan in its fusion competent state (at acidic pH) has been calculated. The differences between the two structures are large compared to the marginal differences between the neutral pH structures by EM and by X-ray crystallography, respectively, although the monomers remain tightly connected. These findings will be discussed especially with regard to the role of the HA1 subunit in the fusion process. The procedure is in general applicable to pursue the 3D-structure of (fusion mediating) proteins in various conformational states (especially of those proteins which are not directly accessible by X-ray crystallography). This approach should offer to elucidate the (eventually conserved) mechanism of membrane fusion.

Die intakte Signalübertragung im animalischen Nervensystem erfordert eine an richtiger Stelle ausgebildete funktionsfähige Synapse zwischen zwei Nervenzellen bzw. zwischen Nerv und Muskel. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Mutante von Drosophila melanogaster untersucht, bei der es zu Veränderungen der Verteilung eines wichtigen Organisationsproteins der synaptischen aktiven Zone kommt. Ein wichtiges Ergebnis der Untersuchungen ist die Beobachtung, dass es in der Mutante zu einer ektopen Ausbildung von Elementen aktiver Zonen in Axonen kommt. In den Arbeitsgruppen von E. Buchner und S. Sigrist ist bereits das Protein Bruchpilot (BRP) charakterisiert worden, das Bestandteil der präsynaptischen Ribbons, bei Drosophila als T-bars bezeichnet, ist. Bei der Suche nach Interaktionspartnern von BRP, ist eine Serin-Arginin-Protein spezifische Kinase SRPK79D entdeckt worden, die offenbar an der Regulation des Aufbaus der Tbars beteiligt ist (Nieratschker et al., 2009). Es gibt vier verschiedene Isoformen der Kinase. Werden nur zwei Isoformen der Kinase (SRPK79D-RB und -RE) exprimiert bzw. das Gen der Kinase komplett ausgeschaltet, findet man Ansammlungen von BRP als immunreaktive Aggregate in der Immunfluoreszenz- Färbung von larvalen Motoneuron-Axonen (Nieratschker, 2008). Es ist unser übergeordnetes Ziel, die Funktion und den molekularen Signalweg der Kinase SRPK79D zu entschlüsseln. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war es, PB-Protein in Reinform für eine Affinitätsreinigung eines PB-Antikörpers zu gewinnen, um in nachfolgenden Untersuchungen die Lokalisation dieser Kinase-Isoform zu untersuchen. Die Proteinreinigung war erfolgreich, aber es gelang nicht, eine für eine Affinitätsreinigung ausreichende Menge des Proteins zu isolieren. Ein weiterer Versuch, Lokalisationsuntersuchungen zur Expression der Kinase in Drosophila- Embryonen durchzuführen, war ebenfalls nicht erfolgreich. Obwohl die Herstellung einer für die SRPK79D mRNA spezifischen RNA Sonde für die in-Situ-Hybridisierung gelang, war die Sensitivität dieser Sonde nicht hoch genug, um die Lokalisation vornehmen zu können. Eindeutige und aufschlussreiche Ergebnisse dagegen ergab die Untersuchung der Ultrastruktur der BRP-Ansammlungen in den larvalen Motornerven. Als deren Korrelat fanden sich elektronenmikroskopisch charakteristische Ansammlungen elektronendichter intraaxonaler Strukturen, deren Form Ähnlichkeiten zu T-bars aufwies und die von Vesikeln umgeben waren. Die elektronendichten Strukturen zeigten zahlreiche Formvariationen, die wie Ansammlungen von T-bars nebeneinander bzw. „miteinander verklebte“ T-bars oder wie zerstörte T-bars aussahen. In einer nachfolgenden Studie wurde durch eine immun-elektronenmikroskopische Untersuchung gezeigt, dass diese Strukturen in der Tat BRP enthalten (Nieratschker et al., 2009). Ergebnis der Untersuchungen der vorliegenden Arbeit war der Nachweis, dass prinzipiell ähnliche Aggregate auch im Wildtyp gelegentlich gefunden werden, dass sie aber in Mutanten signifikant häufiger vorkommen und auch einen signifikant höheren Durchmesser aufweisen. Doppelimmunreaktionen mit Antikörpern, die den C- bzw. N-terminalen Bereich von BRP erkennen, belegten darüber hinaus, dass in den Aggregaten das vollständige BRP-Protein vorliegt. Angeregt durch die Ultrastrukturbefunde von mit den elektronendichten Strukturen in den Aggregaten assoziierten Vesikeln wurde in weiteren Doppelimmunreaktionen untersucht, ob ein typisches Protein synaptischer Vesikel neuromuskulärer Synapsen in Drosophila, der vesikuläre Glutamattransporter (DVGlut), in den BRP-Ansammlungen nachweisbar ist. Während Kolokalisation von BRP und DVGlut in aktiven Zonen präsynaptischer Boutons nachgewiesen werden konnte, war der Vesikelmarker in BRP-Aggregaten nicht kolokalisiert. Die Ergebnisse belegen, dass die Kinase SRPK79D für die Vermeidung einer ektopen Bildung von BRP-enthaltenden, elektronenmikroskopisch atypischen aktiven Zonen ähnelnden Strukturen in larvalen Motoneuronaxonen notwendig ist. Die in diesen Aggregaten regelmäßig zu beobachtenden Vesikel ähneln morphologisch synaptischen Vesikeln, besitzen aber keine dafür typischen Vesikelmarker. / Intact signal transmission in an animal’s nervous system requires a properly localized and functional synapse between two neurons or between neuron and muscle. This dissertation is part of the investigation of a Drosophila melanogaster mutant which displays alterations in the distribution of a synaptic active zone protein. An important result of the present study is the documentation of an ectopic formation of active zone structural elements in this mutant. Analyses carried out in the laboratories of E. Buchner and S. Sigrist contributed to the characterization of the protein Bruchpilot (BRP), a constituent of the T-bar, the characteristic presynaptic ribbon in Drosophila. Searching for interaction partners of BRP, a serine-arginine-protein specific kinase was identified that apparently regulates T-bar assembly (Nieratschker et al., 2009). There are four kinase isoforms. Knocking out two of these isoforms (SRPK79D-RB and -RE) results in accumulations of BRP-immunoreactive aggregates in the larval ventral nerves (Nieratschker, 2008). Further studies were designed to identify the function and molecular signalling pathways of the kinase SRPK79D. One objective of the present experiments was to produce purified PB-protein in order to enable affinity-purification of an antibody against this isoform of the kinase for subsequent specific immunohistochemical localization analyses. Although production of the antigen was successful, the amount of protein produced was too low to allow efficient affinity purification. An attempt to show the expression pattern of the kinase in Drosophila embryos with in-situ hybridization resulted in production of a SRPK79D specific RNAprobe, however, the probe sensitivity was not high enough to yield conclusive results for mRNA localization. Ultrastructural analyses of the BRP-ir aggregates in the larval ventral nerves, on the other hand, yielded definite and conclusive results. These aggregates corresponded to extensive intraaxonal electron-dense, ribbon-like structures surrounded by vesicles. These electron-dense structures were differently shaped and resembled accumulations of regularly shaped, clotted or dysmorphic T-bars, which in subsequent immuno-electronmicroscopic analyses carried out by another investigator were proven to contain BRP (Nieratschker et al., 2009). An important result of the present study was the observation that similar intraaxonal aggregates were occasionally also present in wild type nerves, however, the aggregates found in the mutants were significantly more frequent and of significantly larger size than those observed in wild-type larvae. Moreover, double-immunostaining using BRP-antibodies recognizing specifically the C- and the N-terminal part of the protein, respectively, provided evidence that the complete BRP protein is localized in the aggregates. Since electron microscopy had showed that numerous vesicles were associated with the electron dense aggregates, we tested whether the vesicular glutamate transporter (DVGlut), a marker protein for synaptic vesicles of motoneurons in Drosophila, could be localized in BRP-ir aggregates. While colocalization of BRP and DVGlut was observed at the presynaptic active zones, no colocalization of the synaptic vesicle marker was observed in the BRP-ir aggregates in the larval nerves. In conclusion, the results provide evidence that the kinase SRPK79D is required for the prevention of ectopic formation of BRP-containing ribbon-like structures in larval ventral nerves. These structures include vesicles resembling synaptic vesicles, which however do not display immunoreactivity for a typical synaptic vesicle marker protein.

This work is focused on the visualization and thus in the aid in finding explanations for the behavior of polymer structures as they exist in solution. For this aim, preparation and imaging techniques based on cryo-TEM protocols were developed for a large variety of polymeric specimens using new commercially available devices and the results were compared with the findings of other means of structural investigations. The systems used in this work were chosen, as their investigations can be adapted to other polymer systems by slight adaptation of the preparation procedures.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit erfolgte die Charakterisierung von dünnen Co-Al-Si-Schichten durch elektrische Messungen, RBS, REM, TEM, AES, MOKE sowie temperaturabhängige Messungen des spezifischen elektrischen Widerstandes. Es wurde die Phasenbildung in diesem ternären System und die Beeinträchtigung der Phasenbildung im System Co-Si in Abhängigkeit des Al-Gehaltes betrachtet. Die Co-Al-Schichten wurden duch Magnetronsputtern auf Si(001)-Substraten abgeschieden und im Temperaturbereich von 500°C bis 900°C getempert (30s).

Die steigende Nachfrage nach erneuerbarer elektrischer Energie erfordert neue photovoltaische Technologien. Effiziente organische Solarzellen mit gemischten, absorbierenden organischen Molekülen wandeln Sonnenlicht in Elektrizität um und die jüngsten Rekorde des Wirkungsgrads zeigen das Potenzial für eine alternative Energieerzeugung. Trotz dieser Durchbrüche führt die Verwendung komplexer organischer Moleküle, die zu einer selbstorganisierten Absorberschicht zusammengemischt werden, zu komplizierten Morphologien, die bisher nur unzureichend abgebildet werden konnten. Die Morphologie hat jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die Umwandlung von Photonen in Elektronen und auf den Photostrom, was sich auf die Gesamtleistung der Solarzelle auswirkt. Diese Dissertation ist eine Studie über die Morphologie organischer Dünnfilm-Mischschichten in verschiedenen organischen Solarzellen unter Verwendung analytischer Elektronenmikroskopietechniken (REM, TEM, EDX). In einem weiteren Schritt werden auch die Einflüsse der Mikrostruktureigenschaften dieser im Vakuum abgeschiedenen organischen Solarzellen auf ihre elektronischen Eigenschaften untersucht. Diese Studie umfasst bekannte Zinkphthalocyanin- (ZnPc) und Fulleren (C60) Mischschichten (ZnPc:C60) sowie neu entwickelte Materialien, DTDCTB und NGX gemischt mit C60. Auf mikroskopischer Skala wurde der Einfluss der Abscheidung der oben genannten Schichten auf unterschiedlich erhitzte Substrate, sowie deren Auswirkungen auf die elektronische Leistungsfähigkeit untersucht. Es wurden drei sehr unterschiedliche Wachstumssysteme beobachtet: • Filme mit guter Phasentrennung (ZnPc:C60) • Gut gemischte dünne Schichten (DTDCTB:C60) • Selbstorganisierende Nanodrähte (NGX:C60) Um die gewachsene Mikrostruktur zu erklären werden thermodynamische Modelle zur Erklärung der experimentellen Ergebnisse eingesetzt. Diese Arbeit bietet daher einen Rahmen, der die Planung zukünftiger Experimente leiten kann. Für die in dieser Arbeit untersuchten Schichtsysteme konnte die Korrelation zwischen den Präparationsbedingungen und der Leistungsfähigkeit der Solarzellen durch die beobachtete Mikrostruktur und die Phasenseparation von Donor und Akzeptor gut erklärt werden.:1 MOTIVATION AND INTRODUCTION 5 2 THEORETICAL FUNDAMENTALS 2.1 BASICS OF ORGANIC SOLAR CELLS 2.1.1 Organic semiconductors materials 2.1.2 Working principle of organic solar cells 2.1.3 Characteristic curves of solar cells 2.1.4 Concept of bulk heterojunction 2.1.5 Morphology and phase separation 2.2 RELEVANT LENGTH SCALES IN THE STUDY OF ORGANIC SOLAR CELLS 2.3 THE SCANNING ELECTRON MICROSCOPE 2.3.1 Introduction and working principle 2.3.2 Interaction of primary electrons with sample 2.3.3 Detecting SE and BSE electrons 2.3.4 SEM tool with FIB 2.4 THE TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE 2.4.1 Working principle and components of TEM 2.4.2 Scattering in TEM 2.4.3 Operation modes in TEM 2.5 ANALYTICAL ELECTRON MICROSCOPY 2.5.1 EDX in TEM 2.5.2 EDX with high-tech detectors 2.6 CHALLENGES OF ELECTRON MICROSCOPY ON ORGANIC MATERIALS 2.6.1 Contrast formation and electron scattering 2.6.2 Damage induced by electron beam 2.6.3 Contrast formation and electron scattering 2.6.4 Necessity of low energy microscopy 3 MATERIALS AND METHODS 3.1 DONORS AND ACCEPTOR 3.1.1 The donor ZnPc 3.1.2 The donor DTDCTB 3.1.3 The donor NGX 3.1.1 The acceptor C60 3.2 FABRICATION OF ORGANIC SOLAR CELL DEVICES AND THIN FILMS 3.2.1 Vacuum deposition 3.2.2 Solar cell devices 3.2.3 Electrical Characterization 3.2.4 Organic thin films on the substrate 3.3 ELECTRON MICROSCOPES AND SAMPLE PREPARATION 3.3.1 Cross-sections using focused ion beam 3.3.2 Experimental details used in TEM/SEM 4 RESULTS AND DISCUSSIONS 4.1 ZNPC AS DONOR MATERIAL 4.1.1 Morphology of ZnPc:C60 thin films 4.1.2 Solar cell devices with ZnPc:C60 active layer 4.1.3 Conclusions and discussion 4.2 DTDCTB AS DONOR MATERIAL 4.2.1 Peculiar performance of the solar cell 4.2.2 Morphology of DTDCTB:C60 thin films 4.2.3 Solar cell devices with DTDCTB:C60 active layer 4.2.4 Conclusions and discussion 4.3 NGX AS DONOR MATERIAL 4.3.1 Morphology of NGX:C60 thin films 4.3.2 Conclusions and discussion 5 CONCLUSION AND OUTLOOK 6 APPENDIX A1 NEAREST NEIGHBOR DISTANCE A2 FROM DARK FIELD TEM IMAGES TO THE ELEMENTAL MAP A3 COMPARING THE COMPOSITION OF DARK AND BRIGHT POINTS IN THE EDX-ELEMENTAL A4 ROUGHNESS MEASUREMENTS FROM EDX IMAGES A5 SPECTROSCOPY MEASUREMENTS ON DTDCTB:C60 7 LISTS 7.1 ABBREVIATIONS 1.: Acronyms B2.: Materials B3.: Symbols 7.2 LIST OF FIGURES 7.3 LIST OF TABLES BIBLIOGRAPHY

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, nach einer irreversiblen Schädigung des Sehnervs zu zeigen, ob retinale Ganglienzellen zu Umstrukturierungsprozessen an ihren Axonen ohne neuroprotektive Unterstützung fähig sind. Das besondere Interesse galt der licht- und elektronenmikroskopischen Analyse. Verwendet wurden 37 adulte Albinoratten (WISTAR-Prob). Zuerst wurde der Nervus opticus für 30 s 5 mm hinter dem Bulbus oculi gequetscht. Ein zweiter invasiver Eingriff, der zur retrograden Markierung von aberranten Neubildungen an den Axonen der Nervenfaserschicht durchgeführt wurde, fand zu den postoperativen Überlebenszeiten (ÜLZ) von drei und zehn Tagen, zwei, drei,vier, acht und zwölf Wochen sowie nach sechs und zwölf Monaten statt. Für die retrograde Markierung wurde das biotinylisierte Dextranamin (BDA) eingesetzt, das unter Verwendung des Chromogens Diaminobenzidin visualisiert wurde.Die folgenden Befunde konnten auf lichtmikroskopischer Ebene ermittelt werden: · axonale Schwellungen, · dornenförmige Fortsätze, · intraretinale Axonsprosse mit Wachstumskegeln, · zwei Formen von intraretinalen Axonkollateralen und · aberrante axonale Trajektorien in Form von Schleifenaxonen. Basierend auf dem lichtmikroskopischen Befund wurden ausgewählte Bereiche der Netzhaut ultrastrukturell untersucht.Axonale Schwellungen konnten hinsichtlich ihrer Gestalt in spindelförmig, ballonierend und breitbasig polypös unterschieden werden. Dornenförmige Fortsätze an den Nervenfasern stellen vermutlich ein morphologisches Erscheinungsbild zur Herstellung eines funktionellen Gleichgewichts dar. Die intraretinalen Axonsprosse mit ihren birnenförmigen Wachstumskegeln konnten erstmalig elektronenmikroskopisch in einer adulten Rattennetzhaut nach einer Schädigung des Nervus opticus beschrieben werden. Die nach den ÜLZ von zehn Tagen, zwei, drei und vier Wochen dokumentierten aberranten Fortsätze orientierten sich hauptsächlich vom Discus nervi optici zur Netzhautperipherie. Zu allen ÜLZ besaßen sie eine rundliche oder ovoide Gestalt und wiesen eine Größe von 5 bis 10 µm auf. Sie gingen aus einem Hauptfaszikel in der Nervenfaserschicht hervor und existierten in enger Korrelation zu benachbarten Axonen und Blutgefäßen. Die Definition des Wachstumskegels wurde durch den ultrastrukturellen Befund der Akkumulation von Mitochondrien und wachstumskegeltypischen Vesikeln verifiziert. Die Axonsprosse mit ihren Wachstumskegeln stellen das morphologische Substrat von temporären Reorganisationen der RGC nach einer Unterbrechung ihrer axonalen Efferenz dar. Es waren zwei Formen von intraretinalen Axonkollateralen sichtbar. Bei der ersten Form handelt es sich um eine axonale Kollateralisierung nach einem dreiwöchigen Versuch, die unmittelbar hinter dem Axonhügel einer Typ-III-RGC abzweigte. Diese Form der Kollateralisierung könnte vermutlich im Zusammenhang mit regenerativen Leistungen in der Netzhaut stehen, die unter dem Begriff axon-like processes definiert wurden. Die zweite Kollateralisierungsform zwei Wochen nach der Läsion bildete sich in einem orthogonalen Winkel von einer Nervenfaser in einem Axonfaszikel und entsendete mehrere Kollateralzweige. Acht Wochen nach einer Nervus opticus-Axotomie konnte eine Axonkollaterale dokumentiert werden, die sich in einem fortgeschrittenen Degenerationsprozess befand. Die beschriebene intraretinale Axonkollaterale konnte erstmalig bei der adulten Albinoratte beschrieben werden. Zwei und drei Wochen post lesionem konnten in zwei Versuchen Nervenfasern dokumentiert werden, die durch eine auffallende Schleifenbildung gekennzeichnet waren. Resümierend konnte auf licht- und elektronenmikroskopischer Ebene nachgewiesen werden,dass geschädigte retinale Ganglienzellen in der adulten Ratte zu axonalem Wachstum ohne neuroprotektive und neuropermissive Unterstützung fähig sind. Die beobachteten regenerativen Leistungen sind vermutlich auf das Wirken von Neurotrophinen in der Retina oder im Sehnerv selbst zurückzuführen. / The present light and electron microscopic study was undertaken to determine whether axotomized retinal ganglion cells are able to reestablish intraretinal axons without experimental neuroprotective support. 37 adult albino rats (WISTAR-Prob) were used. In a first step, the optic nerve was intraorbitally exposed and crushed for 30 s at about 5 mm from the ocular bulb. A second experiment was conducted in order to stain newly formed intraretinal axonal elements after postlesion times of either three and ten days, two, three, four, eight, and twelve weeks, or six and twelve month. Retrograde labelling was achieved using biotinylated dextran amine (BDA),followed by visualization with diaminobenzidine as chromogen. The following structures were detected light microscopically: · axonal swellings, · spine-like processes, · intraretinal axonal sprouts showing growth cones, · two types of axonal collaterals, and · aberrant axonal fibers forming so-called looping axons. On the basis of light microscopy selected areas of the retina were examined electron microscopically. Axonal swellings were typified by their shape as spindle-shaped, ballon-shaped or broad-basic polypous. Also spine-like processes, which might serve the reestablishment of a functional balance within the retinal network, were detected. Intraretinal axonal sprouts, showing pear-shaped growth cones at their endings, could be demonstrated for the first time on the ultrastructural level. Aberrant processes, most of them orientated from the optic disc to the retinal periphery, were found at survival times of ten days as well as after two, three and four weeks. At all survival stages investigated the growth cones showed a plump or ovoid morphology and ranged in size between 5 to 10 µm. Usually, they were found to originate from nerve fiber fascicles located in close neigbourhood to the axons but also to blood vessels of the inner retina. The light microscopical typification of growth cones was confirmed at the ultrastructural level, particularly as accumulated mitochondria and growth cone-specific vesicles were detected. Probably, axonal sprouts and growth cones represent a temporal attempt of retinal ganglion cells to regenerate after transection of the optic nerve. Two axon collaterals were detected in the inner retina. In the first case, three weeks postlesion, an axon was found to branch immediately behind the axon hillhock of a type III ganglion cell. This kind of collateralization is indicative of a regenerative response as it has been previously reported by other authors who found so-called axon-like processes. In a second case, two weeks postlesion, an axon appeared to bifurcate orthogonally from a fiber fascicle sending off several collaterals on its way. Furthermore, a degenerating axon collateral was seen eight weeks after optic nerve lesion. The types of axon collaterals presented in this study were described for the first time in the albino rat. So-called looping axons typically characterized by their circular course were found in the inner retina two and three weeks postlesion. In conclusion, the light and electron microscopical results demonstrate that axotomized retinal ganglion cells of the adult rat retain the capability for axonal outgrowth without any neuroprotective and neuropermissive support. Since no experimental growth-promoting measures had been taken, it might be speculated whether the observed regenerative processes were due to intrinsic neurotrophic factors in the retina or the optic nerve themselfes.