Gegenstand der Arbeit ist die Analyse der bei hohen Verformungsgraden in Werkstoffen durch kollektive Bewegung der Versetzungen entstandenen neuen Defektkonfigurationen, die auf der mesoskopischen Skala agieren. Diese so genannte Disklinationen rufen neben starken Gitterdehnungen auch erhebliche lokale Gitterrotationen hervor. Es wurde der Nachweis der Existenz der Disklinationen in plastisch verformten Kristallen geliefert sowie die qualitative und quantitative Analyse der Disklinationskonfigurationen und der Disklinationsstärke durchgeführt. Die Untersuchungen an stark verformten Ein- und Vielkristallen wurden mittels sowohl lokalen Methoden der Transmissions- (TEM, CBED) und Rasterelektronenmikroskopie (REM, EBSD) als auch der integralen Methoden der Röntgenstrukturanalyse (XRD) durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Entwicklung der Zellblockstruktur mit erheblichem Anstieg der Desorientierungen und Versetzungsdichten in Versetzungswänden verbunden ist und durch die Bildung der Netzwerke von Disklinationen gefördert wird.

Die off-axis Elektronenholografie im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erlaubt die quantitative Rekonstruktion der komplexen Objektaustrittswelle mit atomarer Auflösung. Die Auswertung der Phase dieser Welle ermöglicht die Unterscheidung der Atomsorten bzw. das Zählen der Atome in Projektionsrichtung sowie die Bestimmung von Atompositionen. Damit ist ein TEM über die einfache Abbildung hinaus ein sehr leistungsstarkes Messgerät zur quantitativen Analyse kleinster Strukturen bis hin zur atomaren Skala. Die Prozedur von der Aufnahme eines hochaufgelösten Elektronenhologramms über die Rekonstruktion bis zur bildfehlerkorrigierten Objektwelle ist jedoch sehr umfangreich und teils sehr anfällig für Artefakte. Diese Arbeit zeigt unter kritischer Betrachtung der einzelnen Einflüsse, wie dieser Weg zu beschreiten ist, um schlussendlich zu einer artefaktfreien, interpretierbaren Objektwelle zu gelangen. Im letzten Jahrzehnt haben Bildfehler-Korrektoren die höchstauflösende Transmissions-elektronenmikroskopie auf instrumenteller Seite revolutioniert. Auch die off-axis Holografie kann eine ganze Reihe von Vorteilen aus diesem elektronenoptischen Zusatzsystem ziehen. Neben der Analyse dieser einzelnen Verbesserungen, insbesondere der Phasensignalauflösung, wird gezeigt, wie es das Cs-korrigierte TEM zu optimieren gilt, um schließlich bestmögliche Ergebnisse für quantitative Objektanalyse zu erzielen. Zwei Anwendungsbeispiele zeigen experimentelle Ergebnisse der Elektronenholografie mit Cs-korrigierten Mikroskopen. Bei der Analyse ferroelektrischer Nanoschichten erweisen sich die einzigartigen Möglichkeiten der holografischen Auswertung im Zusammenspiel mit der nunmehr hervorragenden Signalauflösung als äußerst nützlich, um die ferroelektrische Polarisation zu ermitteln. Die Objektwellenrekonstruktion der Korngrenze in einer Goldfolie demonstriert weitere Verbesserungen für die Holografie, wenn zusätzlich eine neuartige Elektronenquelle mit höherem Richtstrahlwert zum Einsatz kommt. Einzelne Goldatome werden mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von ca. 10 in Amplitude und Phase messbar. / Off-axis electron holography in a transmission electron microscope (TEM) allows reconstructing the complex object exit-wave quantitatively with atomic resolution. Analyzing the phase shift of this wave gives access to the atomic species and enables counting the number of atoms in projection direction as well as determining atom positions. Therefore, a TEM is a very powerful measuring device for quantitative analysis of smallest structures down to the atomic scale beyond simple microscopic imaging. The procedure of the recording of a high-resolution electron hologram, its reconstruction, and after numerical aberration correction finally ending up with the object-exit wave, is quite comprehensive and partially susceptible to artifacts. This work shows how to manage this procedure in order to obtain an interpretable object exit-wave, which is free of artifacts. In instrumentation within the last decade aberration correctors have revolutionized high-resolution electron microscopy. Also off-axis holography can benefit from this electron optical add-on module. Besides the exploration of each improvement, in particular the phase detection limit, this work demonstrates, how to optimize the Cs-corrected TEM in order to get best possible results for quantitative object analysis. Two application examples show experimental results of electron holography with Cs-corrected microscopes. For the investigation of ferroelectric nanolayers, the unique possibilities of the holographic evaluation together with the strongly improved signal resolution turn out to be very useful when determining the ferroelectric polarization. The object wave reconstruction of the grain boundary in a gold film demonstrates further improvements for holography, when additionally using a new electron gun with improved brightness. Single gold atoms become measurable with a signal-noise-ratio of about 10 in amplitude and phase.

Introduction: Though xenogeneic acellular scaffolds are frequently used for surgical reconstruction, knowledge of their mechanical properties is lacking. This study compared the mechanical, histological and ultrastructural properties of various native and acellular specimens. Materials and methods: Porcine esophagi, ureters and skin were tested mechanically in a native or acellular condition, focusing on the elastic modulus, ultimate tensile stress and maximum strain. The testing protocol for soft tissues was standardized, including the adaption of the tissue’s water content and partial plastination to minimize material slippage as well as templates for normed sample dimensions and precise cross-section measurements. The native and acellular tissues were compared at the microscopic and ultrastructural level with a focus on type I collagens. Results: Increased elastic modulus and ultimate tensile stress values were quantified in acellular esophagi and ureters compared to the native condition. In contrast, these values were strongly decreased in the skin after acellularization. Acellularization-related decreases in maximum strain were found in all tissues. Type I collagens were well-preserved in these samples; however, clotting and a loss of cross-linking type I collagens was observed ultrastructurally. Elastins and fibronectins were preserved in the esophagi and ureters. A loss of the epidermal layer and decreased fibronectin content was present in the skin. Discussion: Acellularization induces changes in the tensile properties of soft tissues. Some of these changes appear to be organ specific. Loss of cross-linking type I collagen may indicate increased mechanical strength due to decreasing transverse forces acting upon the scaffolds, whereas fibronectin loss may be related to decreased load-bearing capacity. Potentially, the alterations in tissue mechanics are linked to organ function and to the interplay of cells and the extracellular matrix, which is different in hollow organs when compared to skin.

In der Arbeit werden Moeglichkeiten der Charakterisierung des Beschichtungsprozesses von C-Fasern mit pyro-Kohlenstoff vorgestellt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der ramanspektroskopischen Charakterisierung der Ober- flaechenstruktur von modifizierten Fasern. Die Unter- suchungen zeigen den Einfluss verschiedener Prozessparameter (Reaktortemperatur, Gasphasenkonzentration, Auswahl des jeweiligen Precursors etc.) auf die Oberflaechenstruktur der abgeschiedenen Schichten. Der Nachweis einer Vorzugsorientierung der Graphitmikro- kristallite auf der Faseroberflaeche wird mit verschiedenen Analysenmethoden durchgefuehrt. Dabei werden die ramanspektroskopischen Messergebnisse mit Ergebnissen anderer Methoden (wie Elektronenbeugung und Elektronenmikroskopie) verglichen. Waehrend des Beschichtungsprozesses wird die Gasphasen- zusammensetzung im Reaktor analysiert. Das Zersetzungs- verhalten von unterschiedlichen Precursoren bei verschiedenen Temperaturen wird untersucht. Korrelationen zwischen den einzelnen Precursoren aufgezeigt.

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.

Die off-axis Elektronenholografie im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erlaubt die quantitative Rekonstruktion der komplexen Objektaustrittswelle mit atomarer Auflösung. Die Auswertung der Phase dieser Welle ermöglicht die Unterscheidung der Atomsorten bzw. das Zählen der Atome in Projektionsrichtung sowie die Bestimmung von Atompositionen. Damit ist ein TEM über die einfache Abbildung hinaus ein sehr leistungsstarkes Messgerät zur quantitativen Analyse kleinster Strukturen bis hin zur atomaren Skala. Die Prozedur von der Aufnahme eines hochaufgelösten Elektronenhologramms über die Rekonstruktion bis zur bildfehlerkorrigierten Objektwelle ist jedoch sehr umfangreich und teils sehr anfällig für Artefakte. Diese Arbeit zeigt unter kritischer Betrachtung der einzelnen Einflüsse, wie dieser Weg zu beschreiten ist, um schlussendlich zu einer artefaktfreien, interpretierbaren Objektwelle zu gelangen. Im letzten Jahrzehnt haben Bildfehler-Korrektoren die höchstauflösende Transmissions-elektronenmikroskopie auf instrumenteller Seite revolutioniert. Auch die off-axis Holografie kann eine ganze Reihe von Vorteilen aus diesem elektronenoptischen Zusatzsystem ziehen. Neben der Analyse dieser einzelnen Verbesserungen, insbesondere der Phasensignalauflösung, wird gezeigt, wie es das Cs-korrigierte TEM zu optimieren gilt, um schließlich bestmögliche Ergebnisse für quantitative Objektanalyse zu erzielen. Zwei Anwendungsbeispiele zeigen experimentelle Ergebnisse der Elektronenholografie mit Cs-korrigierten Mikroskopen. Bei der Analyse ferroelektrischer Nanoschichten erweisen sich die einzigartigen Möglichkeiten der holografischen Auswertung im Zusammenspiel mit der nunmehr hervorragenden Signalauflösung als äußerst nützlich, um die ferroelektrische Polarisation zu ermitteln. Die Objektwellenrekonstruktion der Korngrenze in einer Goldfolie demonstriert weitere Verbesserungen für die Holografie, wenn zusätzlich eine neuartige Elektronenquelle mit höherem Richtstrahlwert zum Einsatz kommt. Einzelne Goldatome werden mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von ca. 10 in Amplitude und Phase messbar. / Off-axis electron holography in a transmission electron microscope (TEM) allows reconstructing the complex object exit-wave quantitatively with atomic resolution. Analyzing the phase shift of this wave gives access to the atomic species and enables counting the number of atoms in projection direction as well as determining atom positions. Therefore, a TEM is a very powerful measuring device for quantitative analysis of smallest structures down to the atomic scale beyond simple microscopic imaging. The procedure of the recording of a high-resolution electron hologram, its reconstruction, and after numerical aberration correction finally ending up with the object-exit wave, is quite comprehensive and partially susceptible to artifacts. This work shows how to manage this procedure in order to obtain an interpretable object exit-wave, which is free of artifacts. In instrumentation within the last decade aberration correctors have revolutionized high-resolution electron microscopy. Also off-axis holography can benefit from this electron optical add-on module. Besides the exploration of each improvement, in particular the phase detection limit, this work demonstrates, how to optimize the Cs-corrected TEM in order to get best possible results for quantitative object analysis. Two application examples show experimental results of electron holography with Cs-corrected microscopes. For the investigation of ferroelectric nanolayers, the unique possibilities of the holographic evaluation together with the strongly improved signal resolution turn out to be very useful when determining the ferroelectric polarization. The object wave reconstruction of the grain boundary in a gold film demonstrates further improvements for holography, when additionally using a new electron gun with improved brightness. Single gold atoms become measurable with a signal-noise-ratio of about 10 in amplitude and phase.

Grenzflächen von Übergangsmetalloxiden in Halbleiterbauelementen bestimmen die Funktionalität auf vielfältige Art und Weise. In dieser Arbeit werden die Nb2O5|Metall- (Metall = Al, Ti, Pt), die TiN|TiO2- und die Si|SrTiO3-Grenzfläche mittels röntgenographischer Methoden sowie der Transmissionselektronenmikroskopie hinsichtlich ihrer Defektchemie, kristallographischen Anpassung und thermischen Stabilität untersucht. Die lokale elektronische Analyse der Nb2O5|Ti- sowie Nb2O5|Al-Grenzfläche zeigt die Ausbildung eines Sauerstoffleerstellengradienten im Nb2O5 durch die Oxidation der unedlen Elektrode. Der elektrische Widerstand dieser beiden Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Stapel mit Pt-Bodenelektrode kann reversibel geschalten werden. Diese experimentellen Befunde lassen sich direkt miteinander verknüpfen, da an der Nb2O5|Pt-Grenzfläche weder eine Redoxreaktion stattfindet, noch im Pt|Nb2O5|Pt-Stapel der Widerstand geschaltet werden kann. MIM-Stapel bestehend aus TiN, TiO2 und Au weisen zwar Schaltverhalten des elektrischen Widerstandes auf, lassen aber keine Abweichung der Stöchiometrie im Transmissionselektronenmikroskop erkennen. Die strukturellen Betrachtungen der TiN|TiO2-Grenzfläche verdeutlichen, dass bei der Heteroepitaxie das Aufwachsen der thermodynamisch stabileren TiO2-Modifikation unterdrückt wird, insofern das Substrat eine geeignete kristallographische Orientierung aufweist. So kristallisiert Anatas, eher als Rutil, auf der (001)-Oberfläche des TiN mit einer festen Orientierungsbeziehung. Die thermische Stabilität der Si|SrTiO3-Grenzfläche hängt hingegen stark von der Kationenstöchiometrie des ternären Perowskites ab. Für die Kristallisation der amorphen SrTiO3-Dünnschichten ergibt sich eine Korrelation zwischen der Einsatztemperatur und der Schichtabscheidemethode. / Interfaces of transition metal oxides in semiconductor devices determine their functionalities in a variety of ways. In this work Nb2O5|metal- (metal = Al, Ti, Pt), TiN|TiO2- and Si|SrTiO3-interfaces are investigated by means of X-ray-based methods and transmission electron microscopy with respect to their defect chemistry, crystallographic orientation and thermal stability. From local electronic analysis of the Nb2O5|Ti- as well as Nb2O5|Al-interface the formation of an oxygen vacancy gradient in the Nb2O5 caused by an oxidation of the ignoble electrode can be inferred. The electrical resistance of both types of metal-insulator-metal-(MIM)-stacks, containing a Pt bottom electrode, can be switched reversibly. These experimental findings are directly linked to each other, since at the Nb2O5|Pt-interface no redox reaction based oxygen redistribution takes place and the Pt|Nb2O5|Pt-stack reveals no switching behavior. Using MIM-stacks consisting of TiN, TiO2 und Au switching the electrical resistance is possible, but no stoichiometric deviation was observed in the transmission electron microscope. Structural considerations at the TiN|TiO2-interface clarify that hetero-epitaxy can suppress the growth of the thermodynamically stable TiO2-modification due to suitable crystallographic orientation of the TiN-substrate. Thus, anatase, rather than rutile, crystallizes on the (001)-TiN-surface with a fixed structural coherency. The thermal stability of the Si|SrTiO3-interface strongly depends on the cation stoichiometry of the ternary perovskite. Therefore, crystallization onset temperature correlates to the specific technique of thin film deposition.

Die dreidimensionale Mikrostruktur, welche bei der Oberflächenkristallisation von Glaskeramiken entsteht, wird mittels einer neuartigen Methode zur Präparation von abgesenkten Probenoberflächen untersucht. Diese Initialkantensektionierungsmethode, welche auf der Erzeugung von Scharten in der Probenoberfläche und anschließender Glanzwinkelionenstrahlerosion basiert, erlaubt das rapide Freilegen von großflächigen Schichten in wohldefinierten Tiefen unterhalb der ursprünglichen Probenoberfläche. In dieser Dissertation werden mehrere Variationen der Technik durch Kombination von Laserablation, Ionenbreit- sowie Ionenfeinstrahlerosion untersucht und miteinander verglichen. Die in Bezug auf Schnittgeometrie und Probengüte relevanten, experimentellen Parameter werden bestimmt und bewertet. Ein Modell zur Beschreibung der zeitlichen Evolution der Probengeometrie während des Erosionsvorgangs wird auf Grundlage von Simulationen und analytischen Näherungen aufgestellt und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Schließlich wird die Initialkantensektionierungsmethode mit Elektronenrückstreubeugung kombiniert um Wachstumseffekte bei der Oberflächenkristallisation von Diopsid- und Ba2TiSi2O8-Fresnoitglaskeramiken zu untersuchen.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Aims and Objectives 2 Literature Review 2.1 Sample Preparation for Electron Backscatter Diffraction Studies 2.2 Serial Sectioning Methods 2.3 Microstructure Characterization of Glass Ceramics using EBSD 2.4 Interim Conclusion 3 Theory 3.1 Erosion of a Surface Under Ion Bombardment 3.1.1 Sputtering 3.1.2 Kinetic Theory of Surface Evolution 3.1.3 Numerical Simulation of Surface Erosion 3.1.4 Erosion of a Surface With Initial Notches 3.2 Electron Backscatter Diffraction 3.2.1 Measurement Principle 3.2.2 Representation of Orientations and Texture 4 Methods and Materials 4.1 Sample Preparation and Processing 4.2 Surface Metrology 4.3 Microstructure Analysis 4.4 Materials 5 Erosion of Surfaces With Initial Notches 5.1 Evaluation of Surface Processing Methods 5.1.1 Notch Creation 5.1.2 Terrace Formation by Glancing-Angle Ion Beam Erosion 5.2 Surface Properties in the Terrace Region 5.2.1 Terrace Roughness 5.2.2 Ion Beam Induced Amorphization 5.3 Evolution of Surface Geometry 5.3.1 Linear Model 5.3.2 Simulations 5.3.3 Experimental Results 5.4 Discussion 5.4.1 Sample Processing 5.4.2 Sample Quality 5.4.3 Kinetic Model of Surface Evolution 6 Depth-Resolved Microstructure Characterization Using Initial Notches 6.1 Diopside 6.2 Ba2TiSi2O8 fresnoite (BTS) 6.3 Discussion 6.3.1 Methodological Aspects of Initial Notch Sectioning 6.3.2 Microstructure Analysis on Surface-Crystallized Glass Ceramics 7 Summary and Outlook / Three-dimensional microstructures resulting from surface crystallization of glass ceramics are studied using a novel sample sectioning method. Based on the creation of notches on the sample surface and subsequent glancing-angle ion beam erosion, initial notch sectioning enables the rapid excavation of large subsurface layers at well-defined depths. In this thesis, several variations of this technique using different combinations of laser ablation, broad and focused ion beam erosion are realized and compared to each other. Relevant parameters controlling the section geometry and quality are determined. A model of the surface evolution kinetics is developed using simulations and analytical estimates, which is compared to experimental results. Finally, initial notch sectioning in combination with electron backscatter diffraction is applied to elucidate growth phenomena in the surface crystallization of diopside and Ba2TiSi2O8 fresnoite glass ceramics.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Aims and Objectives 2 Literature Review 2.1 Sample Preparation for Electron Backscatter Diffraction Studies 2.2 Serial Sectioning Methods 2.3 Microstructure Characterization of Glass Ceramics using EBSD 2.4 Interim Conclusion 3 Theory 3.1 Erosion of a Surface Under Ion Bombardment 3.1.1 Sputtering 3.1.2 Kinetic Theory of Surface Evolution 3.1.3 Numerical Simulation of Surface Erosion 3.1.4 Erosion of a Surface With Initial Notches 3.2 Electron Backscatter Diffraction 3.2.1 Measurement Principle 3.2.2 Representation of Orientations and Texture 4 Methods and Materials 4.1 Sample Preparation and Processing 4.2 Surface Metrology 4.3 Microstructure Analysis 4.4 Materials 5 Erosion of Surfaces With Initial Notches 5.1 Evaluation of Surface Processing Methods 5.1.1 Notch Creation 5.1.2 Terrace Formation by Glancing-Angle Ion Beam Erosion 5.2 Surface Properties in the Terrace Region 5.2.1 Terrace Roughness 5.2.2 Ion Beam Induced Amorphization 5.3 Evolution of Surface Geometry 5.3.1 Linear Model 5.3.2 Simulations 5.3.3 Experimental Results 5.4 Discussion 5.4.1 Sample Processing 5.4.2 Sample Quality 5.4.3 Kinetic Model of Surface Evolution 6 Depth-Resolved Microstructure Characterization Using Initial Notches 6.1 Diopside 6.2 Ba2TiSi2O8 fresnoite (BTS) 6.3 Discussion 6.3.1 Methodological Aspects of Initial Notch Sectioning 6.3.2 Microstructure Analysis on Surface-Crystallized Glass Ceramics 7 Summary and Outlook

The main problem addressed by this dissertation is the accurate and automated determination of electron microscope imaging conditions. This enables the restoration of the object wave, which confers direct structural information about the specimen, from sets of differently aberrated images. An important member in the imaging chain is the image recording device, in many cases now a charge-coupled device (CCD) camera. Previous characterisations of these cameras often relied on the unjustified assumption that the Modulation Transfer Function (MTF) also correctly describes the spatial frequency dependent attenuation of the electron shot noise. A new theory is therefore presented that distinguishes between signal and noise transfer. This facilitates the evaluation of both properties using a detailed Monte-Carlo simulation model for the electron and photon scattering in the scintillator of the camera. Furthermore, methods for the accurate experimental determination of the signal and noise transfer functions are presented. In agreement with the Monte-Carlo simulations, experimental results for commercially available CCD cameras show that the signal transfer is significantly poorer than the noise transfer. The centrepiece of this dissertation is the development of new methods for determining the relative aberrations in a set of images and the absolute symmetric aberrations in the restored wave. Both are based on the analysis of the phase information in the Fourier domain and give each Fourier component a weight independent of its strength. This makes the method suitable even for largely crystalline samples with little amorphous contamination, where conventional methods, such as automated diffractogram fitting, usually fail. The method is then extended to also cover the antisymmetric aberrations, using combined beam tilt and focal series. The applicability of the new method is demonstrated with object wave restorations from tilt and focal series of complex inorganic block oxides and of carbon nanotubes filled with one-dimensional inorganic crystals. The latter specimens allowed for the first time a direct comparison between the phase shift in the restored object wave of a specimen with precisely known thickness and the value predicted by simulations.

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