Kohlenstoffnanoröhren besitzen eine Reihe von einzigartigen strukturellen, mechanischen und elektronischen Eigenschaften. Sie können in Abhängigkeit von der Chiralität metallisches oder halbleitendes Verhalten zeigen, hohe mechanische, thermische und chemische Stabilität aufweisen, können chemisch funktionalisiert werden und sind hervorragende Elektronenemitter. Vor dem Hintergrund dieser vielversprechenden Eigenschaften wurde schnell die Frage von möglichen technischen Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren gestellt. Vor einer umfassenden kommerziellen Umsetzung sind allerdings noch grundlegende Untersuchungen, sowohl zu den Eigenschaften als auch zu einer gezielten Herstellung und Manipulation, erforderlich. Der Mechanismus des gerichteten Wachstums der Kohlenstoffnanoröhren ist äußerst komplex, weshalb er bis heute nicht völlig aufgeklärt werden konnte. Der Grund liegt in der Vielfalt der möglichen Reaktionen zwischen den Molekülen in der Gasphase, der Wechselwirkung zwischen Gasphase und verwendeten Unterlagen und den Reaktionsmechanismen auf diesen Substratoberflächen. Bislang fehlt es an einem einheitlichen Verständnis des Entstehungsprozesses von Kohlenstoffnanoröhren bzw. –nanostrukturen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Abscheidung von Kohlenstoffnanostrukturen mittels plasmaaktivierter und hitzdrahtgestützter chemischen Gasphasenabscheidung -„Plasma enhanced hot filament chemical vapor deposition“ (PE-HF-CVD). Es sollen Abscheidungsbedingungen für die Synthese von unterschiedlichen Kohlenstoffnanostrukturen gefunden und optimiert werden. Die Darstellung und Charakterisierung von „phasenreinen“, mehrwandigen, tubularen Röhren auf unterschiedlichen metallbeschichteten Substraten steht im Vordergrund der Arbeit. Das Interesse besteht in einer Abscheidung bei niedrigen Substrattemperaturen, damit temperaturempfindliche Werkstoffe wie z.B. Glas, als Substratmaterialien eingesetzt werden können. Mittels der PE-HF-CVD Methode, die als vielversprechende Technologie zur Darstellung gerichteter Kohlenstoffnanoröhren gilt, sollen Erkenntnisse zum Einfluss einzelner Abscheidungsparameter auf den Wachstumsprozess von Nanoröhren gewonnen werden, wozu auch die plasmadiagnostische Langmuirsondentechnik und die optische Emissionsspektroskopie (OES) eingesetzt werden. Dadurch soll der Zusammenhang zwischen inneren Plasmaparametern und Wachstumsprozessen der Kohlenstoffnanoröhren oder –fasern definiert werden, um eine Prozesskontrolle während der Abscheidungsphase zu ermöglichen.

Hybride Metall-Halogen Perowskit basierte Solarzellen haben im letzten Jahrzehnt eine noch nie dagewesene Entwicklung hinsichtlich ihrer Effizienzsteigerung erzielt. Dies ging mit einem rapiden Anstieg des Interesses der Forschungsgemeinschaft einher. Ein wichtiger Faktor für die Realisierung von Forschungsergebnissen ist der Übergang von Laborskalen zu industriellen Dimensionen, was grundlegende Anpassungen im Herstellungsprozess notwenig macht. Hier hat sich die physikalische Gasphasenabscheidung für andere Materialklassen bereits als gute Lösung bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen Dünnschichten erwiesen. In dieser Arbeit wird die Vakuumabscheidung von FA₁ ₋ ₓCsₓPbI₃ ₋ ₓBrₓ für die Anwendung in Solarzellen durch Dreiquellenkoverdampfung erforscht. Durch eine Kombination aus optischen und Röntgen-basierten Messverfahren konnte eine Veränderung der Aufnahme des organischen Halogensalzes, Formamidiniumiodid (FAI), in die Perowkitverbindung in Abhängigkeit vom Kammerdruck festgestellt werden. Dadurch tritt eine Stöchiometrieänderung auf, welche sich in einer Bandlückenverschiebung niederschlägt. Außerdem wurde eine Veränderung der Kristallitorientierung beobachtet. Diese Ergebnisse motivieren eine genauere Untersuchung des Verdampfungsverhaltens des organischen Halogensalzes. Mit Hilfe von Massenspektrometriemessungen und einer detaillierten Erfassung der Prozessparameter konnte eine Zersetzung von FAI während der Verdampfung festgestellt werden. Desweiteren wurden weitere Besonderheiten im Abscheideverhalten, wie zum Beispiel Verdampfunsgrenzen und Veränderungen des Toolingfaktors beobachtet. Die Ergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zum tieferen Verständnis der Vakuumabscheidung von organischinorganischen Metall-Halogen Perowskiten.:Kurzfassung iv Abstract v List of publications vi 1. Introduction 1 2. Theoretical background 5 2.1. Basics of thin-_lm solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Status of current thin-_lm solar cell technologies . . . . . . . . . . . . 7 2.3. The Perovskite system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Organic-inorganic mixed-halide metal perovskites . . . . . . . . . . . 14 2.5. Deposition methods of metal halide perovskite . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Vacuum deposition of perovskite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3. Experimental methods 27 3.1. Physical vapor deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Vacuum deposition of perovskite layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3. Analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4. Pressure dependent triple-source co-evaporation of methylammoniumfree perovskite 39 4.1. Precursor puri_cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2. Film deposition procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3. Crystallographic characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4. Optical characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5. Incorporation of FAI into thin-_lms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.6. Photovoltaic devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.7. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5. Evaporation properties of formamidinium iodide 57 5.1. Degradation reactions of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Evaporation behaviour of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 58 5.3. Theoretical considerations during the deposition process . . . . . . 61 5.4. Tooling behaviour of Formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6. Summary & Outlook 71 A. Appendix 75 List of Figures 81 List of Tables 82 List of Abbreviations 86 Bibliography 86 / In the last decade, hybrid metal halide perovskite-based solar cells have enjoyed an unprecedented surge in development within the research community. The next steps to further improve this technology will involve the transition from the laboratory to commercial-scale production, which will require adjustments in their fabrication processes. Here, physical vapour deposition has proven to be a good option for the fabrication of high-quality thin films for perovskites and other materials, like organic semiconductors. In this work, triple-source co-evaporation deposition of FA₁ ₋ ₓCsₓPbI₃ ₋ ₓBrₓ for the production of thin films for solar cell applications is investigated. With a combination of optical and X-ray-based measurement methods, a decrease in the incorporation of the organic halide salt formamidinium iodide (FAI) was found with increasing background pressure. This decrease results in a change in stoichiometry of the compound and, with it, a shift of the band gap. Furthermore, a change in crystallite orientation was observed. These findings motivate the examination of the evaporation behaviour of formamidinium iodide in more detail. With mass spectrometry measurements and detailed tracking of the process parameters, a degradation of FAI during evaporation was found. Furthermore, several effects of the deposition behaviour, evaporation limits, and tooling shifts were observed. These findings will be substantial for the deeper understanding of vacuum deposition of organic-inorganic metal halide perovskites, and will be significant in the expansion of perovskite-based solar technology.:Kurzfassung iv Abstract v List of publications vi 1. Introduction 1 2. Theoretical background 5 2.1. Basics of thin-_lm solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Status of current thin-_lm solar cell technologies . . . . . . . . . . . . 7 2.3. The Perovskite system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Organic-inorganic mixed-halide metal perovskites . . . . . . . . . . . 14 2.5. Deposition methods of metal halide perovskite . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Vacuum deposition of perovskite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3. Experimental methods 27 3.1. Physical vapor deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Vacuum deposition of perovskite layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3. Analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4. Pressure dependent triple-source co-evaporation of methylammoniumfree perovskite 39 4.1. Precursor puri_cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2. Film deposition procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3. Crystallographic characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4. Optical characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5. Incorporation of FAI into thin-_lms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.6. Photovoltaic devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.7. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5. Evaporation properties of formamidinium iodide 57 5.1. Degradation reactions of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Evaporation behaviour of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 58 5.3. Theoretical considerations during the deposition process . . . . . . 61 5.4. Tooling behaviour of Formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6. Summary & Outlook 71 A. Appendix 75 List of Figures 81 List of Tables 82 List of Abbreviations 86 Bibliography 86

This thesis comprises detailed experimental and theoretical investigations of the transport properties of one-dimensional nanostructures. Most of the work is dedicated to the exploration of the fascinating effects occurring in single wall carbon nanotubes (SWCNT). These particular nanostructures gained an overwhelming interest in the past two decades due to its outstanding electronic and mechanical features. We have investigated the properties of a novel family of carbon nanostructures, named here as Y-shaped rings. The studies show that they present very interesting quantum interference effects. A high structural stability under tensile strain and elevated temperatures is observed. Within the semi-classical potential adopted, the critical strain values of structure rupture lie in the same range of their pristine SWCNT counterparts. This is directly verified by the first observations of these ring-like structures in a transmission electron microscopy. A merging process of asymmetric into symmetric rings is investigated in-situ under electron beam irradiation at high temperatures. The electronic properties of these systems are theoretically studied using Monte Carlo simulations and environment dependent tight-binding calculations. From our results, we address the possibility of double-slit like interference processes of counter-propagating electron waves in the ring-like structures. The nature of well defined, sharp peaks in the density of states are determined as the discrete eigenenergies of the central loop part. Furthermore, the formation and dispersion of standing waves inside the ring is shown to originate from the quantum-dot like confinement of each branch between the leads. The obtained dispersion relation is shown to be the same occurring in purely one-dimensional quantum dots of similar geometries. Furthermore, Fabry-Perot-like interferences are observed. We established at the IFW a bottom-up processing route to fabricate nanotube based electronic devices. The SWCNTs are grown by chemical vapor deposition and we present a detailed study of the different approaches to obtain individual nanotubes suitable for a successful integration into electronic devices. Wet-chemistry and ultra-thin films as well as ferritin were employed as catalyst particles in the growth of SWCNT samples. By adjusting the optimized process parameters, we can control the obtained yield from thick nanotube forests down to just a couple of free-standing individual SWCNTs. The nanotubes are localized, contacted by standard e-beam lithography and characterized at ambient- as well as liquid helium temperatures. We usually obtain quite transparent contacts and the devices exhibit metallic or a mixed metallic/semiconducting behavior. The well-known memory effect upon gate voltage sweeping as well as single electron tunneling in the Coulomb blockade regime are addressed.

The main objective of the present thesis is to deepen the understanding of the mechanisms involved in catalytic growth of carbon nanotubes (CNT) and related processes, such as the catalytic hydrogenation, and to use this knowledge to optimize the experimental approaches in order to gain better control in the synthesis and modification of carbon nanomaterials. Controlled growth of the CNT is achieved using gas-phase prepared catalyst particles (Fe, Co) which serve as individual catalytic nucleation sites in a chemical vapor deposition (CVD) process. These studies highlight that the controlled preparation of catalyst particles is a crucial step in order to control the CNT morphology. The resultant CNT diameter and the CNT density are found to increase with increasing nanoparticle diameter and density, respectively. The number of walls of the CNT also increases with increasing primary catalyst size. The experimentally derived correlations between the particle diameter on one hand and the CNT diameter and the CNT number of walls on the other hand are attributed to an increase of the catalyst's volume-to-surface area ratio with increasing particle size. While the availability of carbon dissolved within the catalyst at the point of nucleation is determined by the catalyst volume, the amount of carbon required to form a cap depends on the surface area of the catalyst particle. Electron microscopy studies of the catalyst/substrate/carbon interfaces of CNT grown from Fe nanoparticles reveal that the CNT walls are anchored to the oxide substrate which contests the general argument that the CNT walls stem from atomic steps at the catalyst. It is argued that after nucleation, the substrate itself provides a catalytic functionality towards the stimulation of ongoing CNT growth, whereas the catalytic activity of the metal particle is more restricted to the nucleation process. Selective hard-magnetic functionalization of CNT tips has been achieved in a plasma-enhanced CVD process. Hard-magnetically terminated CNT, i.e. CNT with a FePt nanoparticle at each tip, are directly grown using FePt catalysts. Fe/Pt thin films with a strongly over-stoichiometric Fe content in the starting catalyst composition yield CNT with a significant number of particles in the hard-magnetic phase. Anisotropic etching of graphite through Co catalyst particles in hydrogen atmosphere at elevated temperatures (i.e. catalytic hydrogenation) is reported. Catalytic hydrogenation is a potential key engineering route for the fabrication of graphene nanoribbons with atomic precision. While in previous studies the etching of zigzag channels was preferred, the present investigations reveal preferential etching of armchair channels, which provides a means to tailor graphene nanostructures with specific edge termination. Further, detailed morphological and structural characterization of the Co particles provide insight into the hydrogenation mechanism which is still a matter of controversy.

The growth of ZnO single crystals and ZnO thin films on Si substrates by an open-system vapor phase method was studied in this thesis. The as-grown ZnO single crystals were investigated by means of photoluminescence (PL). Two unique emissions were observed in virgin and hydrogenated crystals. The up-to-now attempts for the p-type doping of ZnO were summarized and our doping studies were performed using nitrogen and antimony. The seed-free and open-system vapor phase method is a simple and low cost approach to grow good quality ZnO single crystals. The growth parameters, including flow rates of N2, H2, O2, and growth temperatures, have various influences on the crystal growth, and also on the optical properties of the as grown crystals. The as-grown crystals are c-axis oriented needle crystals, and the crystals typically have a maximum length of 40 mm and a maximum diameter of 1 mm. The needle-shaped crystals are n-type with main donors due to Al, Ga, and In impurities, as determined from the PL spectra. Two unidentified PL emission lines (P1 at 3.3643 eV and P2 at 3.3462 eV) are observed in our vapor phase grown ZnO single crystals. P1 is attributed to the recombination of an exciton bound to a shallow donor，which has a binding energy of 42.2 meV. Hydrogenation of the as-grown ZnO single crystal leads to the appearance of the P2 line and a great reduction of the P1 line. Subsequent isochronal annealing in the ambient atmosphere leads to gradual reduction of P2 and the reappearance of P1. The PL measurements indicate that hydrogen is involved in the defect origins of the P2 line. ZnO thin films were deposited on Si substrates by the vapor phase method. Three different types of configurations with alternative source materials and oxidizers were employed and compared. It is demonstrated that, methods with lower growth temperatures are easier to deposit homogenous ZnO films on Si substrate. Donor-acceptor-pair (DAP) transition at 3.245 eV and its phonon replicas were observed in the PL spectra of the thin films, which are grown by the hydrogen-free vapor phase method. The appearance of DAP transition indicates the presence of acceptor in the films. The long-standing challenge of p-type doping in ZnO is mainly attributed to the low valence band maximum (VBM) at the absolute energy scale, the spontaneous formation of compensating defects and the lack of appropriate acceptors with small ionization energy. Two attempts for the p-type doping of ZnO were performed by nitrogen diffusion into ZnO single crystals from plasma after the growth or by in-situ doping antimony during the growth of ZnO films. No hole conductivity could however be achieved in our doped samples. / In dieser Arbeit wurde das Wachstum von ZnO-Einkristallen und Dünnfilmschichten auf Si durch chemische Gasphasenabscheidung in einem offenen System untersucht. Die hergestellten ZnO-Einkristalle wurden mit Photolumineszenzmessungen (PL) untersucht. Es konnten sowohl in unbehandelten als auch in mit Wasserstoff behandelten Proben zwei charakteristische Linien beobachtet werden. Sowohl die bisherigen Versuche zur p-Typ Dotierung von ZnO als auch die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche mit Stickstoff und Antimon werden zusammengefasst und präsentiert. Die Keimkristall-freie Gasphasenabscheidung (CVD) in offenen Systemen ist eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung von qualitativ hochwertigen ZnO-Einkristallen. Die Wachstumsparameter, einschließlich der Flussraten von N2, H2 und O2 sowie der Wachstumstemperatur beeinflussen das Kristallwachstum sowie die optischen Eigenschaften der hergestellten Kristalle. Die hergestellten Kristalle wachsen typischerweise als entlang der c-Achse orientierte Nadeln mit Längen von bis zu 40 mm und Durchmessern von bis zu 1 mm. Die nadelförmigen Kristalle besitzen eine n-Typ Dotierung, welche hauptsächlich durch Verunreinigung mit Al, Ga und In verursacht wird. Zwei bisher nicht identifizierte PL-Linien (P1 bei 3,3643 eV und P2 bei 3,3462 eV) wurden in den hergestellten Kristallen beobachtet. P1 wird der Rekombination von Exzitonen an flachen Donatoren mit einer Bindungsenergie von 42,2 meV zugeordnet. Eine Wasserstoffbehandlung der hergestellten Kristalle führt zum Erscheinen der P2-Linie und einer starken Unterdrückung der P1-Linie. Anschließende isochronische Temperung in Luft führt zu einer schrittweisen Reduzierung der Intensität der P2-Linie und zu einer Verstärkung der P1-Linie. Photolumineszenzmessungen weisen auf eine Korrelation von P2 mit Wasserstoff hin. Zusätzlich wurden mit der CVD-Methode dünne ZnO-Schichten auf Si-Substraten abgeschieden. Drei unterschiedliche Konfigurationen mit verschiedenen Ausgangsmaterialien (ZnO-Pulver bw. Zn-Pulver) und verschiedenen Oxidationsmitteln (O2 bzw. Wasser) wurden untersucht und verglichen. Es wird gezeigt, dass mit den Konfigurationen mit geringerer Wachstumstemperatur am einfachsten homogene ZnO-Schichten auf Si abgeschieden werden können. Ein Donator-Akzeptor-Paar-Übergang (DAP) bei 3,245 eV und die dazugehörigen Phononenrepliken wurden in den Schichten beobachtet, welche in einer Wasserstoff-freien Konfiguration abgeschieden wurden. Diese DAP-Übergänge sind ein Hinweis auf die Anwesenheit von Akzeptoren. Die seit langem bestehende Herausforderung der p-Typ-Dotierung von ZnO hat ihre Wurzeln hauptsächlich in dem niedrig liegenden Valenzbandmaximum (VBM) auf der absoluten Energieskala, der spontanen Bildung von kompensierenden Defekten sowie dem Mangel an geeigneten Akzeptoren mit geringer Ionisierungsenergie. Zwei Versuche zur p-Typ-Dotierung von ZnO durch Behandlung der Kristalle mit N-Plasma bzw. durch in-situ Dotierung mit Sb während des Kristallwachstums wurden durchgeführt. Allerdings konnte damit keine nachweisbare Löcherleitung in den behandelten Proben erreicht werden.

Im Rahmen der Arbeit wurde eine neuartige Variante der Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie (HTVPE) für die Herstellung von GaN entwickelt, die eine hohe Flexibilität und bessere Kontrolle des Züchtungsprozesses ermöglicht. Für die Realisierung des Konzeptes wurde eine Züchtungsanlage für die HTVPE entworfen und aufgebaut. Des Weiteren wurde ein numerisches Modell des Wärme- und Stofftransports entwickelt und für die Untersuchungen der Transportphänomene im HTVPE-Reaktor sowie für die Weiterentwicklung des Züchtungsreaktors verwendet. Die systematischen Züchtungsexperimente zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen und lieferten ein besseres Verständnis der HTVPE und ihres Anwendungspotentials. Die versbesserte Prozesskontrolle ermöglichte die erstmalige Anwendung der Niedertemperatur-Nukleation für die heteroepitaktische Abscheidung von GaN auf Saphir mit der HTVPE. Weiterhin wurden Wachstumsraten über 80 µm/h erreicht und das Potential der HTVPE für die Herstellung von GaN-Volumenschichten demonstriert.

Im Rahmen der Arbeit wurde eine neuartige Variante der Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie (HTVPE) für die Herstellung von GaN entwickelt, die eine hohe Flexibilität und bessere Kontrolle des Züchtungsprozesses ermöglicht. Für die Realisierung des Konzeptes wurde eine Züchtungsanlage für die HTVPE entworfen und aufgebaut. Des Weiteren wurde ein numerisches Modell des Wärme- und Stofftransports entwickelt und für die Untersuchungen der Transportphänomene im HTVPE-Reaktor sowie für die Weiterentwicklung des Züchtungsreaktors verwendet. Die systematischen Züchtungsexperimente zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen und lieferten ein besseres Verständnis der HTVPE und ihres Anwendungspotentials. Die versbesserte Prozesskontrolle ermöglichte die erstmalige Anwendung der Niedertemperatur-Nukleation für die heteroepitaktische Abscheidung von GaN auf Saphir mit der HTVPE. Weiterhin wurden Wachstumsraten über 80 µm/h erreicht und das Potential der HTVPE für die Herstellung von GaN-Volumenschichten demonstriert.

In dieser Arbeit wird die Atomlagenabscheidung (ALD) zur Beschichtung von Kohlenstofffasern verwendet. Dabei werden zwei neuartige Titan-haltige Beschichtungen erzeugt und untersucht, sowie der Aluminiumoxid-ALD-Prozess auf Kohlenstofffasergewebe übertragen. Die erhaltenen Beschichtungen sollen in weiterführenden Arbeiten als mechanisch schwache Beschichtungen oder Oxidationsschutzschichten in faserverstärkten Keramiken eingesetzt werden. Im ersten Teil der Arbeit wird der TiO2-ALD-Prozess mit den Precursoren TiCl4 und H2O als Basis für die Herstellung von organisch-anorganischen Hybridmaterialsschichten verwendet. Dazu wird Furfurylalkohol in einer sequenziellen Pulsfolge entweder nur mit TiCl4 oder mit TiCl4 und H2O eingesetzt. Dabei entstehen dünne Schichten im Nanometerbereich deren Wachstum und chemische Zusammensetzung eingehend untersucht werden. Auf Grundlage der Ergebnisse wird ein möglicher Mechanismus für das Wachstum diskutiert. Die Beschichtungen werden weiterhin auf Polymerfolien aufgebracht und mechanischen Tests unterzogen. Diese zeigen, dass die Schichten leichter verformbar sind als reines Titanoxid. Des Weiteren wird ein neuartiger Prozess zur Herstellung von Titanphosphatbeschichtungen mittels der Atomlagenabscheidung vorgestellt. Dabei nimmt die Schichtdicke linear mit der Anzahl der Zyklen zu und die Reaktionen der Precursoren sind selbstlimitierend. Weiterhin wird die chemische Zusammensetzung der Beschichtung und deren Temperaturstabilität eingehend untersucht. Mittels thermogravimetrischer Analyse wird gezeigt, dass diese Schichten die Oxidationstemperatur von Kohlenstofffasern an Luft erhöhen. Im letzten Teil der Arbeit soll untersucht werden, ob der ALD-Prozess geeignet ist, geometrisch komplexe Kohlenstofffasergewebe gleichmäßig zu beschichten. Dazu wird Al2O3 auf Kohlenstofffasergeweben verschiedener Größen abgeschieden und die resultierende Schichtdicke an verschiedenen Stellen der Gewebe untersucht. Weiterhin wird mittels verschiedenen Mikroskopiemethoden überprüft, ob Defekte in der Beschichtung vorliegen.

Kohlenstoffnanoröhren besitzen eine Reihe von einzigartigen strukturellen, mechanischen und elektronischen Eigenschaften. Sie können in Abhängigkeit von der Chiralität metallisches oder halbleitendes Verhalten zeigen, hohe mechanische, thermische und chemische Stabilität aufweisen, können chemisch funktionalisiert werden und sind hervorragende Elektronenemitter. Vor dem Hintergrund dieser vielversprechenden Eigenschaften wurde schnell die Frage von möglichen technischen Anwendungen von Kohlenstoffnanoröhren gestellt. Vor einer umfassenden kommerziellen Umsetzung sind allerdings noch grundlegende Untersuchungen, sowohl zu den Eigenschaften als auch zu einer gezielten Herstellung und Manipulation, erforderlich. Der Mechanismus des gerichteten Wachstums der Kohlenstoffnanoröhren ist äußerst komplex, weshalb er bis heute nicht völlig aufgeklärt werden konnte. Der Grund liegt in der Vielfalt der möglichen Reaktionen zwischen den Molekülen in der Gasphase, der Wechselwirkung zwischen Gasphase und verwendeten Unterlagen und den Reaktionsmechanismen auf diesen Substratoberflächen. Bislang fehlt es an einem einheitlichen Verständnis des Entstehungsprozesses von Kohlenstoffnanoröhren bzw. –nanostrukturen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Abscheidung von Kohlenstoffnanostrukturen mittels plasmaaktivierter und hitzdrahtgestützter chemischen Gasphasenabscheidung -„Plasma enhanced hot filament chemical vapor deposition“ (PE-HF-CVD). Es sollen Abscheidungsbedingungen für die Synthese von unterschiedlichen Kohlenstoffnanostrukturen gefunden und optimiert werden. Die Darstellung und Charakterisierung von „phasenreinen“, mehrwandigen, tubularen Röhren auf unterschiedlichen metallbeschichteten Substraten steht im Vordergrund der Arbeit. Das Interesse besteht in einer Abscheidung bei niedrigen Substrattemperaturen, damit temperaturempfindliche Werkstoffe wie z.B. Glas, als Substratmaterialien eingesetzt werden können. Mittels der PE-HF-CVD Methode, die als vielversprechende Technologie zur Darstellung gerichteter Kohlenstoffnanoröhren gilt, sollen Erkenntnisse zum Einfluss einzelner Abscheidungsparameter auf den Wachstumsprozess von Nanoröhren gewonnen werden, wozu auch die plasmadiagnostische Langmuirsondentechnik und die optische Emissionsspektroskopie (OES) eingesetzt werden. Dadurch soll der Zusammenhang zwischen inneren Plasmaparametern und Wachstumsprozessen der Kohlenstoffnanoröhren oder –fasern definiert werden, um eine Prozesskontrolle während der Abscheidungsphase zu ermöglichen.

The main objective of the present thesis is to deepen the understanding of the mechanisms involved in catalytic growth of carbon nanotubes (CNT) and related processes, such as the catalytic hydrogenation, and to use this knowledge to optimize the experimental approaches in order to gain better control in the synthesis and modification of carbon nanomaterials. Controlled growth of the CNT is achieved using gas-phase prepared catalyst particles (Fe, Co) which serve as individual catalytic nucleation sites in a chemical vapor deposition (CVD) process. These studies highlight that the controlled preparation of catalyst particles is a crucial step in order to control the CNT morphology. The resultant CNT diameter and the CNT density are found to increase with increasing nanoparticle diameter and density, respectively. The number of walls of the CNT also increases with increasing primary catalyst size. The experimentally derived correlations between the particle diameter on one hand and the CNT diameter and the CNT number of walls on the other hand are attributed to an increase of the catalyst's volume-to-surface area ratio with increasing particle size. While the availability of carbon dissolved within the catalyst at the point of nucleation is determined by the catalyst volume, the amount of carbon required to form a cap depends on the surface area of the catalyst particle. Electron microscopy studies of the catalyst/substrate/carbon interfaces of CNT grown from Fe nanoparticles reveal that the CNT walls are anchored to the oxide substrate which contests the general argument that the CNT walls stem from atomic steps at the catalyst. It is argued that after nucleation, the substrate itself provides a catalytic functionality towards the stimulation of ongoing CNT growth, whereas the catalytic activity of the metal particle is more restricted to the nucleation process. Selective hard-magnetic functionalization of CNT tips has been achieved in a plasma-enhanced CVD process. Hard-magnetically terminated CNT, i.e. CNT with a FePt nanoparticle at each tip, are directly grown using FePt catalysts. Fe/Pt thin films with a strongly over-stoichiometric Fe content in the starting catalyst composition yield CNT with a significant number of particles in the hard-magnetic phase. Anisotropic etching of graphite through Co catalyst particles in hydrogen atmosphere at elevated temperatures (i.e. catalytic hydrogenation) is reported. Catalytic hydrogenation is a potential key engineering route for the fabrication of graphene nanoribbons with atomic precision. While in previous studies the etching of zigzag channels was preferred, the present investigations reveal preferential etching of armchair channels, which provides a means to tailor graphene nanostructures with specific edge termination. Further, detailed morphological and structural characterization of the Co particles provide insight into the hydrogenation mechanism which is still a matter of controversy.