The biological function and the technological applications of semiflexible polymers, such as DNA, actin filaments and carbon nanotubes, strongly depend on their rigidity. Semiflexible polymers are characterized by their persistence length, the definition of which is the subject of the first part of this thesis. Attractive interactions, that arise e.g.~in the adsorption, the condensation and the bundling of filaments, can change the conformation of a semiflexible polymer. The conformation depends on the relative magnitude of the material parameters and can be influenced by them in a systematic manner. In particular, the morphologies of semiflexible polymer rings, such as circular nanotubes or DNA, which are adsorbed onto substrates with three types of structures, are studied: (i) A topographical channel, (ii) a chemically modified stripe and (iii) a periodic pattern of topographical steps. The results are compared with the condensation of rings by attractive interactions. Furthermore, the bundling of two individual actin filaments, whose ends are anchored, is analyzed. This system geometry is shown to provide a systematic and quantitative method to extract the magnitude of the attraction between the filaments from experimentally observable conformations of the filaments. / Die biologische Funktion und die technologischen Anwendungen semiflexibler Polymere, wie DNA, Aktinfilamente und Nanoröhren aus Kohlenstoff, werden wesentlich von deren Biegesteifigkeit bestimmt. Semiflexible Polymere werden charakterisiert durch ihre Persistenzlänge, mit deren Definition sich der erste Teil dieser Arbeit befasst. Anziehende Wechselwirkungen, wie sie z.B. bei der Adsorption, der Kondensation und der Bündelung von Filamenten auftreten, können die Konformation eines semiflexiblen Polymers verändern. Die Konformation ist dabei abhängig von der relativen Größe der Materialparameter und kann durch diese gezielt beeinflusst werden. Im Einzelnen werden hier die Morphologien semiflexibler Polymerringe, wie z.B. DNA oder ringförmiger Nanoröhren, untersucht, die auf drei verschieden strukturierten Substraten adsorbieren: (i) Ein topographischer Kanal, (ii) ein chemisch modifizierter Streifen und (iii) ein periodisches Muster topographischer Oberflächenstufen. Die Ergebnisse werden mit der Kondensation von Ringen durch anziehende Wechselwirkungen verglichen. Des Weiteren wird die Bündelung zweier Aktinfilamente, deren Enden verankert sind, untersucht. Diese Systemgeometrie liefert eine systematische Methode, um die Stärke der Anziehung zwischen den Filamenten aus experimentell beobachtbaren Konformationen zu berechnen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Femtosekunden-Filamenten in dispersiven, transparenten Medien. Die Erzeugung optischer Femtosekunden-Impulse durch Selbstkompression in Edelgasen wird unter theoretischen und experimentellen Aspekt behandelt, wobei die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen aufgezeigt werden. Dazu werden numerische Simulationen hochintensiver Femtosekunden-Impulse in Edelgasen durchgeführt, und eine analytische Beschreibung der Selbstkompression wird entwickelt. Im experimentellen Teil der Arbeit wird eine bisher nur theoretisch vorhergesagte Selbstheilungseigenschaft des zeitlichen Impulsverlaufs in Femtosekunden-Filamenten nachgewiesen. Es wird gezeigt, dass die zeitliche Impulsform stabil gegenüber einer adiabatisch einsetzenden, temporären Zunahme von Dispersion und Nichtlinearität um jeweils drei Größenordnungen ist, wie sie beim Durchgang durch das Austrittsfenster einer gasgefüllten Zelle auftritt. Die optische Feldstärke in Filamenten ist vergleichbar mit inneratomaren Bindungskräften. Bei derart hohen Intensitäten treten hochgradig nichtlineare Effekte wie Multiphoton- oder Tunnelionisation auf. Neuere experimentelle Befunde deuten an, dass die Sättigung des optischen Kerr-Effekts eine entscheidende Rolle in Filamenten spielt, im Gegensatz zur bisherigen Annahme der Sättigung der optischen Nichtlinearität durch freie Ladungsträger. Dieser Befund wird derzeit in der Literatur kontrovers diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein unabhängiger theoretischer Ansatz verfolgt, um Beiträge hoher Ordnungen zum optisch-optischen Kerr-Effekt aus einer Kramers-Kronig Transformation des Multiphoton-Absorptionskoeffizienten abzuschätzen. Auschließlich ausgehend von physikalischen Grundprinzipien sowie einiger moderater Näherungen stützen diese Ergebnisse ein kürzlich vorgeschlagenes Modell, welches relevante Beiträge höherer Ordnung zum optisch-optischen Kerr-Effekt vorhersagt. / This thesis discusses femtosecond filaments in dispersive dielectric media. In particular, the generation of intense, few-cycle optical pulses due to self-compression in noble gases is analyzed from a theoretical as well as from an experimental viewpoint, clearly isolating the physical mechanisms behind the observed pulse self-compression mechanism. To this end, numerical simulations of high-intensity femtosecond pulses propagating in noble gases were performed, and an analytical model of the processes leading to pulse self-compression was developed. Moreover, a theoretically predicted temporal self-healing property of femtosecond filaments is experimentally proven, demonstrating that few-cycle optical pulses can recover and even benefit from a temporary, non-adiabatic increase of dispersion and nonlinearity of the order of three magnitudes as experienced during the passage from a gaseous medium to a thin silica sample. Filamentation sets in at field strengths that approach the order of inner-atomic binding forces. At these extreme intensities, highly nonlinear effects such as multiphoton ionization or tunneling effects occur. Recent experimental investigations claim a prevalent contribution of a saturation of the optical Kerr effect in filamentation prior to the onset of Drude-contributions from ionization effects. This finding is currently controversially discussed in literature. In this thesis, an independent theoretical approach was pursued, estimating high-order contributions to the all-optical Kerr effect via a Kramers-Kronig transform of multiphoton absorption cross-sections. Quite surprisingly, while only based on first principles with some moderate approximations, the results of this analysis are in strong support of the recently suggested higher-order Kerr model.

The production of fine filaments using the melt spinning process needs considerable effort. A thermoplastic melt is stretched from the spinneret under a constant take-up speed. The high performance thermoplastic PEEK is solidified in the melt spinning process in a small distance and short time. Therefore, the fine PEEK filaments in the fibre formation zone underwent a high deformation and cooling rate. To make the melt spinning process stable and to produce the fine PEEK filaments, material properties and material behaviour are examined using on-line and off-line measurements. The fibre speed measured using Laser Doppler Anemometry and simultaneous temperature measured using infrared thermography enable both the strain rate and consequently the apparent extensional viscosity to be estimated. This provides the apparent extensional viscosity over the spinning line, which can itself show the structural development of PEEK fibres in the fibre formation zone, i.e. necking and solidification phenomena. The one-dimensional fibre formation model must include both procedural and material parameters. The heat transfer coefficient was estimated using the filament temperature measurement and showed a relatively high contribution of radiation and free convection in comparison to forced convection near the spinneret. The improved model of PEEK fibre formation gave a good agreement to both temperature and speed measurements, and also confirmed the high deformation rate effect on the extensional viscosity, which could be simulated with a properly generalised Newtonian constitutive equation. The end properties of the fibres, such as as-spun filament fineness, orientation (expressed using total birefringence) and total crystallisation (examined using DSC) are investigated in relation to different spinning conditions, i.e. take-up speed, throughput and the draw down ratio. The tensile test diagram results, measuring phenomena such as the elongation at break, tenacity, and the Young modulus of elasticity are also analysed in order to complete the correlation of the above-mentioned spinning conditions to the structural properties of as-spun fine PEEK filaments. The melt spinning of fine PEEK fibres under different spinning conditions is examined with the purpose of finding the optimum take-up speed and throughputs. Other spinning conditions, such as the temperature of melt processing, and the arrangement and diameter of the spinneret holes, are changed in order to make the process more stable. The recommendations for further study can be used to further examine some aspects of this work; however, this work presents a new concept for fine PEEK melt spinning supported by spinnability examinations under different spinning conditions and the improved model of fibre formation, which is also relevant for typical industrial processing applications.

Es werden die Ergebnisse der Untersuchungen von Stromverteilungen an Solarzellen und Solarmaterial durch magnetische, elektrische und optische Messmethoden gezeigt. Die neue magnetfeldtopographische Messmethode CAIC wird hierbei erläutert und deren Stromverteilungen mit Ergebnissen der IR-Durchlichtmikroskopie, der LBIC- und der LIT-Methode verglichen und ausgewertet. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen und der Annahme des Vorhandenseins einer Korngrenzendekoration werden die Stromverlaufsmodelle einer elektrisch aktiven Korngrenze für eine Probe mit pn-Übergang sowie für eine Probe ohne pn-Übergang gezeigt. Anhand von CAIC-Messungen können die Position und die Orientierung leitfähiger und oberflächennaher SiC- und Si₃N₄-Ausscheidungen in mc-Silizium ohne pn-Übergang ermittelt werden. Hierfür wird ein Stromverlaufsmodell gezeigt. Weiterhin werden Zellmikrobrüche, Fehler in der Kontaktstruktur und Layoutunterschiede der Kontaktstruktur durch CAIC-Messungen an Solarzellen eindeutig nachgewiesen.

Es werden die Ergebnisse der Untersuchungen von Stromverteilungen an Solarzellen und Solarmaterial durch magnetische, elektrische und optische Messmethoden gezeigt. Die neue magnetfeldtopographische Messmethode CAIC wird hierbei erläutert und deren Stromverteilungen mit Ergebnissen der IR-Durchlichtmikroskopie, der LBIC- und der LIT-Methode verglichen und ausgewertet. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen und der Annahme des Vorhandenseins einer Korngrenzendekoration werden die Stromverlaufsmodelle einer elektrisch aktiven Korngrenze für eine Probe mit pn-Übergang sowie für eine Probe ohne pn-Übergang gezeigt. Anhand von CAIC-Messungen können die Position und die Orientierung leitfähiger und oberflächennaher SiC- und Si₃N₄-Ausscheidungen in mc-Silizium ohne pn-Übergang ermittelt werden. Hierfür wird ein Stromverlaufsmodell gezeigt. Weiterhin werden Zellmikrobrüche, Fehler in der Kontaktstruktur und Layoutunterschiede der Kontaktstruktur durch CAIC-Messungen an Solarzellen eindeutig nachgewiesen.

The production of fine filaments using the melt spinning process needs considerable effort. A thermoplastic melt is stretched from the spinneret under a constant take-up speed. The high performance thermoplastic PEEK is solidified in the melt spinning process in a small distance and short time. Therefore, the fine PEEK filaments in the fibre formation zone underwent a high deformation and cooling rate. To make the melt spinning process stable and to produce the fine PEEK filaments, material properties and material behaviour are examined using on-line and off-line measurements. The fibre speed measured using Laser Doppler Anemometry and simultaneous temperature measured using infrared thermography enable both the strain rate and consequently the apparent extensional viscosity to be estimated. This provides the apparent extensional viscosity over the spinning line, which can itself show the structural development of PEEK fibres in the fibre formation zone, i.e. necking and solidification phenomena. The one-dimensional fibre formation model must include both procedural and material parameters. The heat transfer coefficient was estimated using the filament temperature measurement and showed a relatively high contribution of radiation and free convection in comparison to forced convection near the spinneret. The improved model of PEEK fibre formation gave a good agreement to both temperature and speed measurements, and also confirmed the high deformation rate effect on the extensional viscosity, which could be simulated with a properly generalised Newtonian constitutive equation. The end properties of the fibres, such as as-spun filament fineness, orientation (expressed using total birefringence) and total crystallisation (examined using DSC) are investigated in relation to different spinning conditions, i.e. take-up speed, throughput and the draw down ratio. The tensile test diagram results, measuring phenomena such as the elongation at break, tenacity, and the Young modulus of elasticity are also analysed in order to complete the correlation of the above-mentioned spinning conditions to the structural properties of as-spun fine PEEK filaments. The melt spinning of fine PEEK fibres under different spinning conditions is examined with the purpose of finding the optimum take-up speed and throughputs. Other spinning conditions, such as the temperature of melt processing, and the arrangement and diameter of the spinneret holes, are changed in order to make the process more stable. The recommendations for further study can be used to further examine some aspects of this work; however, this work presents a new concept for fine PEEK melt spinning supported by spinnability examinations under different spinning conditions and the improved model of fibre formation, which is also relevant for typical industrial processing applications.