In dieser Arbeit wurde eine Tandemsolarzelle aus III-V-Halbleitern auf der Gitterkonstanten von InP mit einem neuartigen Tunnelkontakt entwickelt. Für die Entwicklung der monolithischen Präparation wurden insbesondere kritische Hetero-Grenzflächen im Bereich des Tunnelkontaktes mit oberflächensensitiven Messmethoden untersucht. Die Tandemsolarzelle bestand aus Einzelsolarzellen mit Absorberschichten aus InGaAs (E_g=0,73eV) und InGaAsP (E_g=1,03eV), deren Serienverschaltung mit einem Tunnelkontakt erfolgte, der aus einer n-InGaAs- und einer p-GaAsSb-Schicht bestand. Die Halbleiterschichten wurden mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) einkristallin auf einem InP(100)-Substrat gitterangepasst präpariert. Insbesondere wurde der Einfluss der Präparation von InGaAs-Oberflächen auf die Schärfe der InGaAs/GaAsSb-Grenzfläche in-situ mit RAS und nach einem kontaminationsfreien Transfer ins UHV mit UPS, XPS und LEED untersucht. Dabei konnten erstmals drei verschiedene Rekonstruktionen der MOCVD-präparierten InGaAs-Oberfläche beobachtet werden, die von der Heiztemperatur abhängig waren: eine As-reiche (4x3)-, eine InGa-reiche (2x4)- und eine ebenfalls InGa-reiche (4x2)/c(8x2)-Rekonstruktion. Danach erfolgte die Untersuchung des Wachstums von dünnen GaAsSb-Schichten auf diesen drei InGaAs-Oberflächen. Anhand des Sb/As-Verhältnisses im GaAsSb konnte die Präparation auf der (4x3)-rekonstruierten Oberfläche als die schlechteste beurteilt werden. Abschließend wurden Tandemsolarzellen mit verschieden dicken Absorberschichten der InGaAsP-Topzelle gefertigt. Der höchste Wirkungsgrad einer hier hergestellten Tandemsolarzelle betrug 7,3% unter einem gefilterten Sonnenspektrum, das eine GaAs-basierte Tandemsolarzelle mit großen Bandlücken (E_g>1,4eV) simulierte. Die Kombination einer solchen Tandemsolarzelle mit der hier entwickelten InGaAs/InGaAsP-Tandemsolarzelle hat das Potential, für konzentriertes Sonnenlicht eine Konversionseffizienz von deutlich über 40% zu erreichen. / A monolithic low band gap tandem solar cell made up of III-V semiconductors lattice matched to InP and including a novel tunnel junction was developed. Critical hetero interfaces were investigated in detail, in particular the ones related to the tunnel diode. The tandem solar cell was composed of single junction cells with InGaAs (E_g=0.73eV) and InGaAsP (E_g=1.03eV) absorber layers. The serial connection of the subcells was realized by using a tunnel junction including n-InGaAs and p-GaAsSb layers. Metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) was used to prepare the III-V layers lattice matched on InP(100) substrates. In particular, the influence of the preparation of the InGaAs surface on the sharpness of the InGaAs/GaAsSb interface was investigated in-situ by Reflection Anisotropy Spectroscopy (RAS). After a contamination free transfer to UHV the samples were analyzed by UPS, XPS and LEED. Three different surface reconstructions of MOVPE-prepared InGaAs were determined for the first time: an As-rich (4x3)-, an InGa-rich (2x4) and an also InGa-rich (4x2)/c(8x2)-reconstructed surface. In a second step, the growth of thin GaAsSb layers on the three different InGaAs surfaces was studied. The Sb/As-ratio in the GaAsSb layer indicated that the preparations on the InGa-rich surfaces result in a sharper interface. Finally, tandem solar cells with different thicknesses for the absorber layer of the top cell were produced. The highest efficiency obtained for the tandem solar cell was 7.3%, when measured under a filtered solar spectrum to simulate the operation below a GaAs-based tandem solar cell (E_g>1.4eV). The combination of a high band gap tandem solar cell with the InGaAs/InGaAsP tandem solar cell developed here is estimated to reach under a concentrated solar spectrum a total efficiency of more than 40% after further optimization steps.

In der Arbeit werden die mikrostrukturellen Eigenschaften von an (110)-Flächen orientierten Heterostrukturen auf GaAs-Substraten mittels verschiedener Techniken der Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Kubisch flächenzentrierte (Al,Ga)As/AlAs/GaAs Mehrschichtstrukturen auf GaAs(110) weisen in orthogonalen Richtungen parallel zur Substratoberfläche verschiedene Mechanismen zur Aufnahme der Verspannungen aufgrund von Fehlanpassungen auf. Defektfreie Strukturen sind durch eine geeignete, kurz periodische AlAs/GaAs-Überstruktur erfolgreich realisiert worden. Abschließend sind künstliche Defekte per Nanoindentation in den defektfreien Proben erzeugt worden, um die Auswirkung kurzperiodischer Übergitter zu prüfen. Das System aus hexagonal dicht gepacktem MnAs auf GaAs(110) zeichnet sich durch anisotrope Gitterfehlanpassung von -7.5% und 0.7% entsprechend der [11-20] und der [0001] Richtungen aus. Eine Benetzungsschicht, die der Entstehung von Inseln vorausgeht, wird beobachtet, was das Stranski-Krastanov-Wachstum von MnAs belegt. Die Dehnung durch die Gitterfehlpassung von 0.7% wird elastisch eingebaut, während die Spannung durch die Gitterfehlanpassung in der senkrechten [11-20] Richtung durch die Entstehung einer periodischen Anordnung, vollständiger Gitterfehlanpassungsversetzungen abgebaut wird, die sich von der Grenzfläche entfernt im MnAs-Gitter befinden. Das aus der Versetzungsanordnung resultierende Dehnungsfeld ist auf eine Dicke von 3.4 nm um die Grenzfläche beschränkt. Eine atomare Struktur der Grenzfläche wird basierend auf dem Vergleich von HRTEM-Aufnahmen und Simulationen vorgeschlagen. CoAl-Legierungen in der B2-Phase sind zum Vergleich auf (001) und auf (110) orientierten GaAs-Substraten hergestellt worden. Beide Fälle weisen die Koexistenz der B2-Phase und der ungeordneten, kubisch raumzentrierten Variante auf. Die Unordnung wird teilweise durch die epitaktische Dehnung und teilweise durch Diffusion von Punktdefekten hervorgerufen. / In the work, we systematically investigate the microstructural properties of (110) oriented heterostructures on GaAs substrates by means of different transmission electron microscopy techniques. Fcc-type (Al,Ga)As/AlAs/GaAs multilayer structure on GaAs (110) presents different mismatch strain accommodation mechanisms along the perpendicular in-plane directions. Defect-free structures are successfully acquired by an appropriate type of AlAs/GaAs short period superlattice. Finally, artificial defects are intentionally produced by nano-indentation to the defect-free sample to verify the effect of short period superlattices. Hcp-type MnAs on GaAs (110) system is characterized by anisotropic lattice mismatches of -7.5% and 0.7% along the [11-20] and [0001] direction, respectively. A wetting layer is observed prior to the formation of islands, indicating a Stranski-Krastanov growth mode of MnAs. The strain corresponding to the 0.7% lattice misfit is accommodated elastically, whereas the mismatch stress along perpendicular [11-20] direction is relived by the formation of a periodic array of perfect misfit dislocations with a stand-off position in MnAs lattice. The long range strain field associated with the dislocation array is constrained at the interface within a thickness of about 3.4 nm. An interfacial atomic configuration is also proposed based on the comparison between HRTEM image and the simulations. B2-type CoAl alloys are realized on (001) and (110) oriented GaAs substrates for comparison. They are both characterized by a coexistence of B2 phase and its disordered version bcc phase. The disordering is induced partially by the epitaxial strain and partially by the diffusion of point defects.

In dieser Arbeit wurde die Austrittsarbeit von Graphen, einer vielversprechenden Elektrodenmaterial für (opto)- elektronische Bauteile, durch die Adsorption von luftbeständigen konjugierten organischen Molekülen (KOMs), welche als Akzeptoren und Donatoren fungieren, modifiziert. Die Eigenschaften der Valenz- und Rumpfniveaus sowie die Austrittsarbeitsmodifikation der vakuumverdampften KOMs wurden mit Photoelektronenspektroskopie (PES) untersucht, während die Orientierung der KOMs mit Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) aufgeklärt wurde. Die Austrittsarbeit von Graphen auf Quartz (G/Qu) lässt sich auf maximal 5.7 eV und minimal 3 eV anpassen, welches aus einem Ladungstransfer direkt an der Grenzfläche resultiert, der keine Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen der molekularen Monolage und dem Graphen beinhaltet. Zudem, für den starken molekularen Akzeptor Hexaazatriphenylen-Hexacarbonitril (HATCN) verläuft die Austrittsarbeitserhöhung über eine Orientierungsänderung der Moleküle im Monolagenbereich. Für alle anderen auf G/Qu abgeschiedenen Akzeptoren (Donatoren) wurde beobachtet, dass der Ladungstransfer eine positive (negative) Oberflächen-ladungsdotierung der Graphen-Schicht bewirkt, welches in einer Austrittsarbeitserhöhung (-erniedrigung) resultiert. Letztere ließ sich jeweils in zwei Beiträge zerlegen: (a) Verschiebung des Vakuumniveaus durch einen Grenzflächendipol an der KOM/Graphen-Grenzfläche und (b) Verschiebung des Fermi-Niveaus durch Oberflächenladungstransferdotierung der Graphen-Schicht. Weiterhin wurde der molekulare Akzeptor Hexafluoro-tetracyano napththoquinodimethan (F6TCNNQ) sowohl auf G/Qu als auch auf Graphen auf Kupfer abgeschieden, wobei sich herausstellte, dass der Ladungstransfer im ersteren Fall vom Graphen stammt, und im letzteren von der Kupferunterlage. Die Ergebnisse werden von Dichtefunktionaltheorieberechnungen gestützt und tragen erheblich zum Verständnis von Graphen/KOM-Grenzflächen bei. / In this thesis, the work function of graphene, a promising electrode for (opto)electronic devices was modified by adsorption of air-stable conjugated organic molecules (COMs) that act as strong molecular acceptors or donors. The valence and core level properties, together with the work function modification of the vacuum-deposited COMs on graphene were investigated with photoelectron spectroscopy (PES), while the orientation of COMs was studied with near edge X-ray fine structure spectroscopy (NEXAFS). The work function of graphene-on-quartz (G/Qu) is modified up to 5.7 eV and down to 3 eV as a result of charge transfer (CT) occurring right at the interface, which does not invoke covalent bond formation between the molecular monolayer and the graphene. In addition to the CT, in the case of the molecular acceptor hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile (HATCN), the work function increase proceeded via a density-dependent re-orientation of the molecule in the monolayer regime. For all the other tested molecular acceptors (donors) deposited on graphene-on-quartz, the CT was observed to induce positive (negative) surface CT doping of the graphene layer, leading to a work function increase (decrease) and was disentangled into two contributions: (a) shift of the Vacuum level due to the formation of an interface dipole at the COM/graphene interface and (b) shift of the Fermi level of the graphene due to the surface CT doping. Additionally, the molecular acceptor hexafluoro-tetracyanonapththoquinodimethane (F6TCNNQ) was deposited on both G/Qu and graphene-on-copper, where the CT was found to originate from graphene and copper support respectively. The findings were supported by density functional theory calculations and significantly add to a fundamental understanding of graphene/COM interfaces.

In this work systematic studies of the organic semiconductor CuPc have been presented. In general the investigation can be devided in three parts. In the first one we have studied the electronic structure of clean CuPc thin film. The next two parts are devoted to organic-organic and metal–organic interface formation, where one of the interface components is CuPc thin film. The main results of this thesis are: - The electronic structure of the pristine organic semiconductor CuPc (valence band and empty states) has been obtained by a combination of conventional and resonant photoemission, near-edge X-ray absorption, as well as by theoretical ab initio quantum-chemical calculations. A qualitative assignment of different VB structures has been given, or in other words the contributions of different atomic species as well as sites of the CuPc molecule to the electronic DOS has been established. In particular, it was shown, that the HOMO is mainly comprised of the spectral weights from the orbitals of carbon pyrolle atoms. Additional contributions to the HOMO stems from the benzene atoms. A combined experimental and theoretical study of the unoccupied electronic density of states of CuPc was presented. Our study allows identifying the contributions from different parts of the molecule to the unoccupied DOS and the measured spectra, which lays grounds for future studies of the evolution of the CuPc electronic states upon e.g. functionalization or doping. Application of similar studies to other organic semiconductors will also provide significant insight into their unoccupied electronic states. - The electronic properties of the organic heterointerfaces between fullerite and pristine copper phthalocyanine were studied. Both interfaces, CuPc/C60 and C60/CuPc, were found to be non-reactive with pronounced shifts of the vacuum level pointing to the formation of an interfacial dipole mainly at the CuPc side of the heterojunctions. The dipole values are close to the difference of the work functions of the two materials. Important interface parameters and hole-injection barriers were obtained. The sequence of deposition does not influence the electronic properties of the interfaces. - CuPc doped with potassium was studied by means of photoemission and photoabsorption spectroscopy. A detailed analysis of the core-level PE spectra allows one to propose possible lattice sites, which harbor the potassium ions. Contrasting to a few results reported in the literature, the films prepared in this thesis showed no finite electronic density of states at the Fermi level. - Two stages of the In/CuPc interface formation have been distinguished. The low-coverage stage is characterized by a strong diffusion of the In atoms into the organic film. Metal ions occupy sites close to the pyrolle nitrogen and strongly interact with molecules transferring negative charge to CuPc. Indium diffusion into the organic films saturates at a stoichiometry of In2CuPc. Subsequently, in the second stage the formation of a metallic indium film occurs on the top of the In2CuPc film. - Upon deposition on CuPc film Sn and Ag atoms do not diffuse into the organic film forming metallic clusters and/or thin metallic overlayer. Sharp metal-organic film interface is formed, in contrast to indium and potassium deposition. Presented experimental results also give evidence for absence of noticeable chemical reaction of Sn and Ag with CuPc thin film. - The systematic investigation of interface formation between CuPc thin film and various metals gives us the possibility to summarize all results with demonstrating similarities and differences for all systems studied.

In this work systematic studies of the organic semiconductor CuPc have been presented. In general the investigation can be devided in three parts. In the first one we have studied the electronic structure of clean CuPc thin film. The next two parts are devoted to organic-organic and metal–organic interface formation, where one of the interface components is CuPc thin film. The main results of this thesis are: - The electronic structure of the pristine organic semiconductor CuPc (valence band and empty states) has been obtained by a combination of conventional and resonant photoemission, near-edge X-ray absorption, as well as by theoretical ab initio quantum-chemical calculations. A qualitative assignment of different VB structures has been given, or in other words the contributions of different atomic species as well as sites of the CuPc molecule to the electronic DOS has been established. In particular, it was shown, that the HOMO is mainly comprised of the spectral weights from the orbitals of carbon pyrolle atoms. Additional contributions to the HOMO stems from the benzene atoms. A combined experimental and theoretical study of the unoccupied electronic density of states of CuPc was presented. Our study allows identifying the contributions from different parts of the molecule to the unoccupied DOS and the measured spectra, which lays grounds for future studies of the evolution of the CuPc electronic states upon e.g. functionalization or doping. Application of similar studies to other organic semiconductors will also provide significant insight into their unoccupied electronic states. - The electronic properties of the organic heterointerfaces between fullerite and pristine copper phthalocyanine were studied. Both interfaces, CuPc/C60 and C60/CuPc, were found to be non-reactive with pronounced shifts of the vacuum level pointing to the formation of an interfacial dipole mainly at the CuPc side of the heterojunctions. The dipole values are close to the difference of the work functions of the two materials. Important interface parameters and hole-injection barriers were obtained. The sequence of deposition does not influence the electronic properties of the interfaces. - CuPc doped with potassium was studied by means of photoemission and photoabsorption spectroscopy. A detailed analysis of the core-level PE spectra allows one to propose possible lattice sites, which harbor the potassium ions. Contrasting to a few results reported in the literature, the films prepared in this thesis showed no finite electronic density of states at the Fermi level. - Two stages of the In/CuPc interface formation have been distinguished. The low-coverage stage is characterized by a strong diffusion of the In atoms into the organic film. Metal ions occupy sites close to the pyrolle nitrogen and strongly interact with molecules transferring negative charge to CuPc. Indium diffusion into the organic films saturates at a stoichiometry of In2CuPc. Subsequently, in the second stage the formation of a metallic indium film occurs on the top of the In2CuPc film. - Upon deposition on CuPc film Sn and Ag atoms do not diffuse into the organic film forming metallic clusters and/or thin metallic overlayer. Sharp metal-organic film interface is formed, in contrast to indium and potassium deposition. Presented experimental results also give evidence for absence of noticeable chemical reaction of Sn and Ag with CuPc thin film. - The systematic investigation of interface formation between CuPc thin film and various metals gives us the possibility to summarize all results with demonstrating similarities and differences for all systems studied.

Vor dem Hintergrund zukünftiger Sensoren, basierend auf dem piezoresistiven Effekt von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), werden in dieser Arbeit umfangreiche Ergebnisse zum mechanischen Verhalten von Grenzflächen zwischen SWCNTs und edlen Metallen am Beispiel von Pd und Au präsentiert. Im Fokus steht dabei die Synergie von rechnerischen und experimentellen Methoden Molekulardynamik (MD), nanoskalige Tests und Analytik , um (1) mit guter Genauigkeit maximale Kräfte von gezogenen SWCNTs, welche in Metall eingebettet sind, vorauszuberechnen und (2) einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der zu Grunde liegenden Fehlermechanismen zu liefern. Es wurde ein MDModell eines in eine einkristalline Matrix eingebetteten SWCNTs mit Randbedingen eines Auszugsversuchs entwickelt. Mit diesem Modell können Kraft-Weg-Beziehungen und Energieverläufe für einen quasistatischen verschiebungsgesteuerten Auszugsversuch errechnet werden. Das Modell liefert kritische Kräfte bei Versagen des Systems. Des Weiteren können mit diesem Modell der Einfluss des SWCNT-Typus, der Einbettungslänge, der Temperatur, von intrinsischen Defekten und Oberflächengruppen (SFGs) auf das Grenzflächenverhalten untersucht werden. Zum Vergleich wurden kritische Kräfte experimentell durch in situ Auszugsversuche in einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung von rechnerischen und experimentellen Daten festgestellt. Der vorherrschende Fehler im Experiment ist der SWCNT-Bruch, jedoch wurden auch einige SWCNT-Auszüge beobachtet. Mit Hilfe der MD-Simulationen wurde gefunden, dass die SFGs als kleine Anker in der umgebenden metallischen Matrix wirken und somit die maximalen Kräfte signifikant erhöhen. Diese Grenzflächenverstärkung kann Zugspannungen verursachen, die genügend hoch sind, so dass SWCNT-Bruch initiert wird. Im Gegensatz dazu zeigten Simulationen von Auszugstests mit idealen SWCNTs nur kleine Auszugskräfte, welche meistens unabhängig von der Einbettungslänge des SWCNTs sind. Dieses Verhalten wird mit einer inkommensurablen Konfiguration der Kristallstrukturen an der Grenzfläche von SWCNTs und der einbettenden Edelmetalle interpretiert. Zur Qualifizierung der Existenz von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material wurden analytische Untersuchungen mittels Fluoreszenzmarkierung von Oberflächengruppen durchgeführt. In Übereinstimmung mit Literaturstellen zum gesicherten Nachweis von SFGs, bedingt durch technologische Behandlungen, weisen diese Experimente stark auf das Vorhandensein von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material hin. Demnach kann der dominante SWCNT-Bruch Fehler durch die Grenzflächenverstärkung auf Grund von SFGs erklärt werden. / In the light of future sensors, that are based upon the piezoresistive effect of singlewalled carbon nanotubes (SWCNTs), this work presents comprehensive results of studies on the mechanical behavior of interfaces between SWCNTs and noble metals using the examples of Pd and Au. With this contribution, the focus is on a synergy between computational and experimental approaches involving molecular dynamics (MD) simulations, nanoscale testing, and analytics (1) to predict to a good degree of accuracy maximum forces of pulled SWCNTs embedded in a noble metal matrix and (2) to provide valuable input to understand the underlying mechanisms of failure. A MD model of a SWCNT embedded in a single crystalline matrix with pull-out test boundary conditions was developed. With this model, force-displacement relations and energy evolutions for a quasi-static displacement controlled test can be computed. The model provides critical forces for failure of the system. Furthermore, the influence of SWCNT type, embedding length, temperature, intrinsic defects and surface functional groups (SFGs) on the interface behavior can be studied using this model. For comparison, critical forces were experimentally determined by conducting pull-out tests in situ, inside a scanning electron microscope. A very good agreement of computational and experimental values was discovered. The dominant failure mode in the experiment was a SWCNT rupture, although several pull-out failures were also observed. From MD simulations, it was found that SFGs act as small anchors in the metal matrix and significantly enhance the maximum forces. This interface reinforcement can lead to tensile stresses sufficiently high to initiate SWCNT rupture. In contrast, pull-out test simulations of ideal SWCNTs show only small pull-out forces, which are mostly independent on SWCNT embedding length. This behavior is interpreted with an incommensurate configuration of crystal structures at the interface between SWCNTs and embedding noble metals. To qualify the existence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material, an analytical investigation by means of fluorescence labeling of surface species was performed. In agreement with literature reports on the secured verification of SFGs due to necessary technological treatments, these experiments strongly indicate the presence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material. Thus, the dominant SWCNT rupture failure is explained with an interface reinforcement by SFGs.

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In dieser Arbeit wurde die Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und CF/PEEK in thermoplastischen Ti-CF/PEEK-Laminaten untersucht. Vergleichende Untersuchungen von mechanischen, chemischen, chemisch-physikalischen und physikalischen Oberflächenvorbehandlungen im Zugscherversuch haben gezeigt, dass sich durch die Vorbehandlung mit einem Nd:YAG-Laser ein stabiles und feuchtigkeitsbeständiges Grenzflächensystem erzeugen lässt. Ti-CF/PEEK-Laminate wurden bruchmechanisch im Mixed-Mode-Bending-Versuch sowohl bei reiner als auch bei überlagerter Mode I- und Mode II-Belastung geprüft. Die Versagensmechanismen wurden an den Bruchflächen der Mixed-Mode-Bending-Proben und an den Bruchflächen der Zugscherproben mittels mikroskopischer und spektroskopischer Methoden bestimmt. Verschiedene Analyseverfahren wurden eingesetzt, um Ti-3Al-2,5V-Oberflächen vor und nach der Laservorbehandlung, um laserbehandelte und wärmebehandelte Ti-3Al-2,5V-Oberflächen und um das Grenzflächensystem im Verbund zwischen Ti-3Al-2,5V und CF/PEEK vor und nach Alterung in 80°C warmem Wasser zu analysieren. Dabei wurden sowohl die grenzflächennahen Phasen im Ti-3Al-2,5V als auch die grenzflächennahen Phasen im PEEK berücksichtigt. Die Untersuchgen zeigen, dass sich nicht alle eingesetzten Analyseverfahren zur Charakterisierung eignen und dass nicht jedes Analyseverfahren eindeutig interpretierbare Ergebnisse liefert. Die eingesetzten Analyseverfahren werden in dieser Arbeit miteinander verglichen und in Bezug zu ihrer Einsetzbarkeit und zu ihren Einsatzgrenzen bewertet. Titan-PEEK-Verbindungen zeigen je nach eingesetzter Vorbehandlungsmethode unterschiedliche Adhäsions-, Versagens- und Alterungsmechanismen. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen der Verbindung zwischen PEEK und laserbehandeltem Ti-3Al-2,5V zeigen, dass neben mechanischer Adhäsion auf Mikro- und Nanoebene weitere Adhäsionsmechanismen in Frage kommen. Die Aluminiumanreicherung an der Oberfläche und die erhöhte Reaktivität durch mikro- und nanostrukturierte Oberflächen können chemische Wechselwirkungen zwischen PEEK und laserbehandeltem Ti-3Al-2,5V begünstigen. Die Untersuchungen geben ebenfalls Hinweise darauf, dass die Verbundeigenschaften im Titan-PEEK-Verbund durch die Morphologie von PEEK beeinflusst wird. An der Titan-PEEK-Grenzfläche wurde Grenzflächenkristallisation nachgewiesen, von der bekannt ist, dass sie die Verbundeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen senkrecht zur Faserorientierung verbessern. Nicht nachgewiesen, aber durchaus möglich ist, dass sich mechanisch verklammertes PEEK in der porösen Oxidschicht aufgrund thermischer Eigenspannungen während der Abkühlung orientiert und die mechanischen Eigenschaften an der Grenzfläche in Analogie zu selbst verstärkten Polymeren verbessert. Dieser Ansatz kann eine Erklärung dafür sein, warum im MMB-Versuch nicht nur hohe kritische Energiefreisetzungsraten bei reiner Mode II-Belastung, sondern vor allem auch bei reiner Mode I-Belastung beobachtet wird. Die auf PEEK basierenden Mechanismen sind materialspezifisch und nicht auf chemisch aushärtbare Klebstoffe anwendbar. Der Einfluss der Größenordnung von Oberflächenstrukturen auf die Langzeit- und Feuchtigkeitsbeständigkeit, der bereits aus der Literatur bekannt ist, wird in dieser Arbeit bestätigt. Mit mikrostrukturierten Oberflächen, die mittels Sandstrahlen erzeugt werden, lassen sich im Gegensatz zu nanostrukturierten Oberflächen, die mittels Laserbehandlung erzeugt werden, keine langzeit- und feuchtigkeitsbeständige Verbindungen zwischen PEEK und Ti-3Al-2,5V erzeugen. In Titan-PEEK-Verbindungen ist nicht nur die Haftung zwischen PEEK und Ti-3Al-2,5V entscheidend, sondern auch die Stabilität der Phasen im Grenzflächensystem, wie am Beispiel der Verbindung zwischen anodisiertem Ti-3Al-2,5V und PEEK gezeigt wird. Geringe Verbundfestigkeiten können somit als Folge thermischer Alterung während der Verbundherstellung verursacht werden, bei der die Oxidschicht durch Sauerstoffdiffusion geschädigt wird. Thermische Eigenspannungen, die sowohl zur Rissbildung im Oxid als auch im martensitischen Bereich führen, und ungenügende Verbundqualität, die beispielsweise durch eingeschlossene Luft bei großflächigen Klebungen entsteht, begünstigen die Alterung in hydrothermischer Umgebung. Zum Verständnis von Adhäsions- und Alterungsmechanismen an der Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und PEEK trägt nicht nur das Eigenschaftsbild der Metall-, Oxid- und Polymerphasen im Grenzflächensystem bei, sondern auch Änderungen in den einzelnen grenzflächennahen Phasen während Oberflächenvorbehandlung und der Konsolidierung. Bei der Verwendung von thermoplastischen Klebstoffen sind im Gegensatz zu Reaktionsklebstoffen besonders die vergleichsweise hohen Konsolidierungstemperaturen, die Kristallisationskinetik und die Schmelzviskosität zu berücksichtigen. So sollte bereits bei der Oberflächenvorbehandlung die Bildung thermisch unstabiler Oberflächenphasen vermieden werden, da diese während der Herstellung thermisch geschädigt werden können. Der Verbindungsprozess erfordert besonders bei großen Klebeflächen Maßnahmen, um das Phänomen der «eingeschlossenen Luft» zu vermeiden, da sich schlecht infiltrierte Bereiche negativ auf die Alterungsbeständigkeit auswirken. Bei porösen Oberflächenstrukturen auf Nanoskala ist ebenso eine Abstimmung zwischen Porengröße und Schmelzviskosität des Thermoplasten erforderlich, um ausreichende Infiltration des Thermoplasten an porösen Oberflächenstrukturen zu gewährleisten. Die grenzflächennahen Phasen von PEEK wurden erstmals an der Ti-3Al-2,5V-Oberfläche nachgewiesen. Die Einflussfaktoren und die Eigenschaften der grenzflächennahen Phasen von PEEK sind bereits aus Untersuchungen von CF/PEEK-Verbunden bekannt. Die Ergebnisse zeigen großes Potential der Übertragbarkeit auf die Titan-PEEK-Grenzfläche. So kann beispielsweise die PEEK-Morphologie durch gezielte Temperaturführung beim Kleben beeinflusst werden. Die Mechanismen an der Grenzfläche und die daraus resultierenden Verbundeigenschaften, die sich an der Grenzfläche zwischen Ti-3Al-2,5V und PEEK ergeben, zeigen großes Potential. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit zur Herstellung von Ti-PEEK-Grenzflächen mit hoher Verbundfestigkeit und Alterungsbeständigkeit zeigen ebenfalls großes Potential der Übertragbarkeit auf andere Metall-Thermoplast-Verbindungen. / The interface between titanium Ti-3Al-2,5V and Polyetheretherketone (PEEK) in Ti-CF/PEEK laminates are investigated. Comparative investigations of mechanical, chemical, chemo-physical and physical surface pre-treatments evidenced that surface pre-treatment by a pulsed Nd:YAG laser (physical pre-treatment) offers both good adhesion and superior moisture resistance of the titanium-PEEK interface. The titanium-PEEK interface modified by laser pre-treatment is characterized mechanically and analytical in detail. This investigation takes into account all process steps (surface pre-treatment, bonding, and ageing) as well as all the phases and interfaces in the titanium-PEEK system (i.e. titanium, oxide, and also PEEK). The delamination behavior is investigated mechanically with the mixed mode bending experiment (MMB). The MMB loading was represented by a superposition of simple mode I and mode II loadings. Based on MMB fracture surface analysis, a failure and damaging mechanism could be assumed. The analytical methods used in this investigation are a cryo-fracture, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), secondary electron microscopy (SEM, EDX, transmission electron microscopy (TEM), analytical TEM (EDX, EFTEM, EELS), adsorption/desorption experiments (Krypton-BET), Laser scanning microscopy (LSM), contact angle measurements, and Raman microscopy. The adhesion and degradation mechanism observed at the titanium-PEEK interface strongly depends on the applied surface pre-treatment. The interface properties between pretreated Ti-3Al-2.5V and PEEK show an influence of the morphology of PEEK. For the first time, interfacial crystallization of PEEK at the Ti-3Al-2.5V surface was confirmed by experimental results. Interfacial crystallization is known for its strengthening effect perpendicular to C-fibers within CF/PEEK laminates and implies a strong interaction between PEEK and the oxide layer on the Ti-3Al-2.5V joining partner. Moreover, the investigations of the interface between laser treated Ti-3Al-2.5V and PEEK indicate that adhesion is not only due to mechanical interlocking on micro- and nano-scale. Chemical interactions between the polymer and the joining surface seem be promoted byan increased surface reactivity due to the high surface area structures on micro- and nano-scale. In addition, an aluminum-enrichment was detected with TEM at the treated surface that may play a role in the bonding. During the cooling phase of the consolidation of the thermoplastic, thermal stress arise at the interface due to suppressed expansion and contraction of the individual components. It can be assumed that PEEK, which is interlocked within the oxide pores, reduces the stress by relaxation processes. Relaxation induced re-orientation of the molecule structure is able strengthen the interface as it is known from self-reinforced polymers. This assumption could explain the interface behavior characterized by mode I and mode II loadings. High energy release rates observed at mode I loadings could be traced back to the re-orientated molecule structure which is equal to the direction of mode I loading. This mechanism is material specific and can be applied only to cure-free thermoplastics. The long-term durability is enhanced significantly when of surface structures on nano-scale are formed by the pretreatment. This result is in good agreement with the literature. However, during the bonding process not only on the formation of adhesion between PEEK and Ti-3Al-2.5V is important but also the stability of the interfacial phases within the Ti-PEEK interfacial system as shown on the interface properties between anodized Ti-3Al-2.5V. Anodized oxide phases, for example, which degrade during the bonding by oxidation diffusion, were found to result in low interfacial strength and low long-term durability. Aging in hydro-thermal environment are enhanced by further factors. Residual stress which arises during the bonding process leads to cracks within the oxide and within martensitic region. Entrapped air which especially develop when large areas are bonded enhance water diffusion along the interface and hydrothermal aging. A basic understanding of the titanium-PEEK system requires that all phases and interfaces in the titanium-PEEK system as well as all process steps are taken into account. Although the polymer will be neglected in most cases this investigation reveals that even the polymer morphology significantly influences the interface properties.

In dieser Arbeit werden als Untersuchungsverfahren für die Charakterisierung von gebondeten Siliziumwafern und Siliziumoxid-Xerogel-Schichten spektroskopische Ellipsometrie mit variablem Einfallswinkel (VASE) und Fouriertransformations-infrarotspektroskopie (FTIR) eingesetzt. Aus dem Verhalten der LO- und TO-Moden in den Infrarotspektren werden Veränderungen der Dicke und Struktur der vergrabenen Grenzfläche zweier Wafer bei einer Wärmebehandlung abgeleitet. Es werden Mechanismen für das Tieftemperaturbonden von Wafern, die auf der Entwicklung der chemischen Spezies an der vergrabenen Grenzfläche basieren, vorgeschlagen. Die chemischen Spezies wurden durch interne Vielfachtransmissionsinfrarotspektroskopie ermittelt. Aus ellipsometrischen Messungen wurden Dicke, optische Konstanten, Porosität und Porenabmessungen von Siliziumoxid-Xerogel bestimmt. Mittels VASE und FTIR wurde der Einfluss unterschiedlicher Hydrophobisierungsprozesse auf die Eigenschaften von Xerogel-Schichten untersucht. Weiterhin wurden die elektronischen und ionischen Beiträge zur statischen Dielektrizitätskonstanten bestimmt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier Phthalocyanine untersucht: Metallfreies-Phthalocyanin (H2Pc), Kupferphthalocyanin (CuPc) und Fluor-substituiertes Phthalocyanin (F4CuPc und F16CuPc). Das Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung der elektronischen und chemischen Eigenschaften der Grenzflächen zwischen diesen Molekülen und Silizium. Die Moleküle wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf wasserstoffpassivierte Si(111)-Substrate aufgedampft. Oberflächensensitive Messmethoden wie Photoemissionsspektroskopie (PES), Bremsstrahlung Isochromaten Spektroskopie (BIS oder IPES - Inverse Photoemissionsspektroskopie) und Spektroskopie der Röntgen-Absorptions-Feinstruktur (NEXAFS – Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure) wurden zur Charakterisierung eingesetzt. Um eine Zuordnung der verschiedenen Komponenten in PES und IPES zu ermöglichen, wurden Methoden der Dichtefunktionaltheorie zur theoretischen Berechnung eingesetzt. Die Energieniveauanpassung an der Grenzfläche zwischen der organischen Schicht und der H-Si-Grenzfläche, sowie die Transportbandlücke von H2Pc, CuPc, F4CuPc und F16CuPc wurden mit Hilfe von PES und IPES bestimmt. Die NEXAFS-Messungen ermöglichten eine genaue Bestimmung der Molekülorientierung relativ zum Substrat. Die Auswertung der Daten zeigte unterschiedliche Molekülorientierungen in dünnen und dicken Filmen. Diese Änderungen wurden mit dem bandverbiegungsähnlichen Verlauf der HOMO-und LUMO-Positionen in Verbindung gebracht. Zusätzlich zu diesem Verhalten wiesen die Grenzflächen auch einen Grenzflächendipol auf, welcher durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten der Kontaktmaterialien hervorgerufen wird. Der Einfluss des Grads der Flouridierung wird durch eine ähnlichen Zunahme der Elektronenaffinität (EA), der Austrittsarbeit (WF) und der Ionisierungsenergie (IE) bestätigt. Die elektronischen Eigenschaften von Metall/organische-Schicht-Grenzflächen und von organischen Schichten unter Sauerstoffeinfluss wurden mit Hilfe von PES und IPES untersucht. Die Ag/Pc Grenzflächen zeigten eine Mischung aus HOMO-LUMO-Verschiebungen und Grenzflächendipolbildung. An den Ag/H2Pc- und Ag/F16CuPc- Grenzflächen wurde ein Ladungstransferkomplex gebildet. Auf der CuPc-Schicht physisorbiert das Ag lediglich und im Fall von F4CuPc wird Ladung zu Ag transferiert, wobei eine andauernde n-Typ-Dotierung an der Grenzfläche erzeugt wird. In Analogie zum Fall der Pc/H-Si Grenzfläche wiesen die Dipole, die hier gefunden wurden, eine lineare Abhängigkeit von EA, WF und IE auf und können durch die Differenz zwischen den Austrittsarbeiten vorausgesagt werden. Das Verhalten der dicken organischen Schichten unter Sauerstoffeinfluss kann in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine Gruppe, bestehend aus H2Pc und F4CuPc, wies nur schwache Wechselwirkung auf und der Sauerstoff physisorbiert auf der Pc-Schicht. Die beiden anderen Moleküle, CuPc und F16CuPc konnten einer Gruppe starker Wechselwirkung zugeordnet werden. CuPc bildet einen Ladungstransferkomplex mit Sauerstoff und auf F16CuPc wird eine polarisierte Schicht gebildet. / In the context of this work four Phthalocyanine were studied: Metal-free Phthalocyanine (H2Pc), Copper Phthalocyanine (CuPc) and fluorine-substituted Phthalocyanine (F4CuPc and F16CuPc). The goal of this work is the electronic and chemical characteristics of the interfaces. The molecules were deposited by organic molecular beam deposition (OMBD) in the ultra high vacuum on hydrogen-passivated Si(111)-Substrate. Surface sensitive techniques such as photoemission spectroscopy (PES), bremsstrahlung isochromate spectroscopy (BIS or IPES - inverse photoemission spectroscopy) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) were used for characterisation. Theoretical computations by density functional theory methods were employed, in order to assign different components in PES and IPES. The energy level alignment at the organic/H-Si interface, as well as the transport gap of H2Pc, CuPc, F4CuPc and F16CuPc were determined by PES and IPES. The NEXAFS measurements determine the exact molecular orientation with respect to the substrate. The evaluation of the data showed different molecular orientation in the thin and thick films. This change was correlated with the band bending like behaviours that emerged at these interfaces. In addition to the band bending like behaviour, the interfaces show also an interface dipole which is driven by the work function difference between the contact materials. The influence of the degree of fluorination is confirmed in the similar increase of the EA, WF and IE. The electronic properties of metal/organic layer interfaces and of organic layer under oxygen influence were examined by PES and IPES. The Ag/Pc interfaces show a mixture of HOMO-LUMO shifts and interface dipole formation. A charge transfer complex is formed in the case of Ag/H2Pc and Ag/F16CuPc interfaces. Ag is physisorbed atop the CuPc. Charge transfers from F4CuPc to Ag creating a continuous n-type doping at the interface. Similar to the Pc/H-Si interfaces the interface dipoles found here show a linear dependence on the EA, WF and IE and can be predicted by the difference in the work functions. The data evaluation of oxygen exposed thick films determined two groups of behaviours. The weak interaction group is represented by H2Pc and F4CuPc, Pcs on which oxygen is physisorbed. The strong interaction group contains the other two molecules CuPc and F16CuPc. CuPc forms a charge transfer complex with oxygen and on top of F16CuPc a polarized layer is formed.