Die Natur bietet faszinierende Beispiele von Materialien mit besonderen mechanischen Eigenschaften wie Knochen oder Perlmutt. Die Grenzflächen in diesen Materialien scheinen eine der entscheidenden Faktoren zu sein. Die Natur benutzt Proteine als natürliche Kompatibilisatoren – Moleküle, die anorganische Oberfläche erkennen können und damit die Grenzfläche stabilizieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Aufgabe, die Anwendbarkeit des Konzeptes der Kompatibilisatoren aus den Biomaterialien auf synthetische Systeme zu prüfen. Das Konzept der Arbeit basiert auf der Erkenntnis, dass Peptide anorganische Oberflächen erkennen können. Die Peptidsequenzen können biokombinatorisch aus Phagen-Display-Bibliotheken identifiziert werden. Eine adhärierende Peptidsequenz zusammen mit Polymerblock stellt ein Peptid-Polymer Konjugat dar, der als eine vereinfachte Version der Grenzflächenproteinen betrachtet werden kann. Das Einblenden der Konjugate in die Komposite führt zur gleichzeitigen Verbesserung von Steifigkeit und Zähigkeit. Die Analyse der Materialstruktur zeigt die Unterdrückung der Aggregation und den entsprechenden Größeneffekt, der für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften verantwortlich ist. Das Konzept der bioinspirierten Kompatibilisatoren wurde auf andere Peptidsequenzen erweitert. Die Evaluierung der sekundären Wechselwirkungen hat gezeigt, dass je kleiner die Affinität zur Peptid-Peptid Wechselwirkung, desto höher ist die Verfügbarkeit der Sequenz für die anorganische Oberfläche. Die Peptidsequenzen mit der geringeren Löslichkeit aufgrund der Aggregation sind weniger effizient in der Erkennung der Oberfläche. Diese Arbeit zeigt, dass die Idee von den Biomolekülen an der Grenzfläche übertragbar auf die synthetischen Systeme ist. Das Konzept von der bioinspirierten Grenzflächenmodifizierung ist ein versatiles Tool für die Entwicklung neuer Materialien. / Nature provides fascinating examples of composite materials with exceptional mechanical properties such as bone or nacre. Bioinspired materials represent a new class of materials build according to architecture principles found in nature. Control of interface properties seems to be one of the key factors towards outstanding mechanical properties. Nature uses proteins as connecting molecules – compatibilizers, which are able to recognize inorganic surfaces and mediate the internal material interface. This thesis aims to evaluate the applicability of interface management derived from nature to synthetic system. The current concept is based on the sequence specific recognition of the inorganic surface by peptides. Specifically binding peptides can be biocombinatorially selected from a phage display library. Peptide-polyethylene oxide (PEO) conjugates, consisting of a previously identified specifically binding peptide sequence and polymer-block, are incorporated in the polymer composite material, composed of MgF2 nanoparticles particles and PEO. Peptide-polymer conjugates can be considered as the simplified version of natural compatibilizers. Incorporation of the conjugates into the composite leads to simultaneous improvement of mutually exclusive properties such as stiffness and toughness. Structural studies revealed suppression of particle aggregation and corresponding structural size effect responsible for improvement in the mechanical performance. Concept of bioinspired compatibilizer was expanded to the implementation of different peptide sequences. Evaluation of secondary interactions revealed that the smaller the affinity for peptide-peptide interaction, the higher the availability of peptide sequences for an inorganic surface. Sequences with low solubility due to aggregation are less efficient in surface recognition. This bioinspired concept of interface modification via peptide-polymer conjugates represents a versatile tool for new material development.

Die Untersuchung von III-V-Heterostruktur-Grenzflächen spielt aufgrund des starken Einflusses der Grenzflächen auf die Eigenschaften von Halbleiterbauelementen eine elementare Rolle. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) hat sich als eines der geeignetsten Methoden für die Analyse von Grenzflächen erwiesen. Jedoch stellt die Interpretation von zweidimensionalen Projektionen, insbesondere bei dreidimensionalen (3D) Strukturen, eine Herausforderung dar, da die Information über die Tiefe in der Projektion verloren geht. In dieser Arbeit wird diskutiert, dass Grenzflächen als 3D Objekte gesehen werden können, insbesondere bei großen Rauheiten oder chemischen Durchmischungen. Zur Charakterisierung von vergrabenen III-V-Halbleitergrenzflächen wurde eine neue analytische Methode auf Basis der Elektronentomographie entwickelt. Diese Methode wird anhand eines (Al,Ga)As/GaAs-Mehrschichtsystems als Fallstudie vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die tomographische Rekonstruktion von Grenzflächen ausgenutzt werden kann, um sogenannte Iso-Konzentrationsflächen zu erhalten, welche die Lage einer festgelegten Konzentration an der Grenzfläche beschreiben. Sie erlauben die Erstellung topographischer Höhenkarten, die die Rauheit von Grenzflächen visualisieren und ermöglichen die Bestimmung wesentlicher Grenzflächenparameter wie die quadratische Rauheit oder die lateralen und vertikalen Korrelationslängen. Zusätzlich wurden Isoflächen an unterschiedlichen Konzentrationsniveaus verwendet, um topographische Karten der Grenzflächenbreite zu erzeugen. Die Stärke der Methodik liegt in der Möglichkeit, alle chemisch-strukturellen Parameter von vergrabenen Grenzflächen mit einer einzelnen Tomographiemessung zu bestimmen. Die Applikation dieser neuen Grenzflächentomographie-Technik wird an unterschiedlichen Halbleitermaterialien für optische Anwendungen demonstriert: An einer (Al,Ga)As/GaAs-Mikrokavität, einem (Al,Ga)N/GaN-Bragg-Reflektor und einem 3D (In,Ga)N/GaN-Nanodraht. / The investigation of III-V heterostructure interfaces plays a key role in developing novel semiconductor devices due to the strong influence of interfaces on device characteristics. Transmission electron microscopy (TEM) has proven to be one of the most suitable tools for an interface analysis. The interpretation of two-dimensional projections can be challenging, especially for three-dimensional (3D) structures, since the depth information is lost in the projection. It is discussed in this thesis that interfaces can be seen as 3D objects, particularly when interfaces are subject to large roughnesses or chemical intermixing. A new analytical method for the comprehensive characterization of buried III-V semiconductor interfaces based on electron tomography was developed. This method is applied to an (Al,Ga)As/GaAs multilayer system as a case study. It is shown that the tomographic reconstruction of a tomography needle of this material can be exploited to obtain so-called iso-concentration surfaces. These surfaces describe the positions of a chosen concentration value at the interfaces. They enable the creation of topographic height maps revealing the roughness of several interfaces. The height maps allow the determination of essential interface parameters as the quadratic mean roughness or the lateral and vertical correlation lengths using the height-height correlation function. In addition, height-difference maps based on isosurfaces corresponding to different concentration levels were used to generate topographic maps of the interface width. The methodology’s main strength is the ability to determine all chemical-structural parameters of buried interfaces with a single measurement. This thesis presents the application of this new interfacial tomography technique on semiconducting materials used for optical application purposes: An (Al,Ga)As/GaAs microcavity, an (Al,Ga)N/GaN Bragg reflector and a complex, 3D (In,Ga)N/GaN multi-shell nanowire.

Dank der hohen uniaxialen Kristallanisotropie der L10-geordneten Phase gelten nanopartikuläre FePt+C-Schichten als aussichtsreiche Kandidaten zukünftiger Datenspeichersysteme. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Arbeit in Kooperation mit HGST- A Western Digital Company Prototypen solcher Medien strukturell bis hin zu atomarer Auflösung charakterisiert. Anhand von lokalen Messungen der Gitterparameter der FePt-Partikel wird gezeigt, dass die Partikel dünne, zementitartige Verbindungen an ihrer Oberfläche aufweisen. Zusätzlich werden große Partikel mit kleinem Oberfläche-Volumen-Verhältnis von kontinuierlichen Kohlenstoffschichten umschlossen, was die Deposition weiteren Materials verhindert. Eine Folge davon ist die Entstehung einer zweiten Lage statistisch orientierter Partikel, die sich negativ auf das magnetische Verhalten der FePt-Schicht auswirkt. Weiterhin wird die besondere Bedeutung des eingesetzten Substrats sowie seiner Gitterfehlpassung zur L10-geordneten Einheitszelle nachgewiesen. So lässt sich das Auftreten fehlorientierter ebenso wie das L12-geordneter Kristallite im Fall großer Fehlpassung und einkristalliner Substrate unterdrücken, was andererseits jedoch zu einer stärkeren Verkippung der [001]-Achsen der individuellen FePt-Partikel führt. Abschließend wird mithilfe der Elektronenholographie nachgewiesen, dass die Magnetisierungsrichtungen der FePt-Partikel aufgrund von Anisotropieschwankungen von den [001]-Achsen abweichen können. / Highly textured L10-ordered FePt+C-films are foreseen to become the next generation of magnetic data storage media. Therefore prototypes of such media (provided by HGST- A Western Digital Company) are structurally investigated down to the atomic level by HR-TEM and the observed results are correlated to the magnetic performance of the film. In a first study the occurrence of a strongly disturbed surface layer with a lattice spacing that corresponds to cementite is observed. Furthermore the individual particles are surrounded by a thin carbon layer that suppresses the deposition of further material and leads, therefore, to the formation of a second layer of particles. Without a contact to the seed layer these particles are randomly oriented and degrade the magnetic performance of the media. A further study reveals, that a selection of single-crystalline substrates with appropriate lattice mismatch to the L10-ordered unit cell can be applied to avoid the formation of in-plane oriented and L12-ordered crystals. Unfortunately, the required large mismatch results in a broadening of the texture of the [001]-axes of the individual grains. As electron holography studies reveal, the orientation of the magnetization of the individual grains can differ from the structural [001]-axis due to local fluctuations of the uniaxial anisotropy.

Diese Arbeit behandelt mögliche Ursachen der reversiblen Änderung des elektrischen Widerstandes von Praseodym-Kalzium-Manganat (PCMO) durch elektrische Spannungspulse. Für diesen Widerstandsschalteffekt werden entweder chemische oder rein strukturelle Änderungen im PCMO angenommen. In den Experimenten liegt das PCMO als gesputterter Dünnfilm in einem Sandwichkontakt zwischen zwei Edelmetallelektroden vor, wobei die Kontaktflächen durch Strukturierung nur wenige µm² betragen. Um insbesondere die elektrischen Transporteigenschaften der Kontakte und den Einfluss der Grenzflächen zwischen Oxid und Elektroden zu untersuchen, wurden elektrische Charakterisierungen der Sandwichkontakte bei verschiedenen elektrischen Feldstärken, Temperaturen und Magnetfeldern für verschiedene Herstellungsparameter des PCMOs und der Elektroden durchgeführt. Entgegen der üblichen Annahme von Raumladungszonen als bestimmender Faktor des Grenzflächenwiderstandes wurde sowohl in den Grenzflächenwiderständen als auch im Volumenanteil des Films ein elektrischer Transport durch kleine Polaronen beobachtet, wie er von PCMO-Volumenproben bekannt ist. Die damit verbundene Spannungsabhängigkeit der polaronischen Leitfähigkeit, die Änderungen durch elektrisch bzw. magnetisch induzierte kolossale Widerstandseffekte (CER bzw. CMR) sowie negativ-differentielle Effekte in Widerstand bzw. Leitfähigkeit durch Joulesche Erwärmung konnten in den komplexen, stark nicht-linearen Kennlinien zugeordnet werden. Die Befunde legen ein heterogenes Modell für den Grenzflächenwiderstand nahe: Präparationsbedingte, erhöhte Defektdichten, wie z.B. durch Sauerstoffleerstellen, führen lokal zu einem defektinduzierten Metall-Isolator-Übergang und damit zu elektrisch isolierenden Bereichen. Die verbleibenden Bereiche zeigen hingegen noch die Transporteigenschaften von nahezu defektfreien, gut leitfähigem PCMO und bestimmen über ihren effektiven Querschnitt den Grenzflächenwiderstand. Die bei hohen elektrischen Spannungen auftretenden remanenten Schalteffekte konnten einem einzigen Schaltmechanismus mit klar definierter Schaltpolarität zugeordnet werden, obwohl er an beiden Grenzflächen auch gleichzeitig auftreten und sich damit zusammen mit Relaxation- bzw. Akkumulationseffekten in komplexen Widerstandsänderungen überlagern kann. Weder die Wahl der Herstellungsparameter für die PCMO-Schicht noch der Oberelektrode verändern den generellen Schaltmechanismus, wodurch ein struktureller Mechanismus z.B. auf Basis einer empfindlichen langreichweitigen Ladungsordnung im Vergleich zu einer chemischen Änderung sehr unwahrscheinlich wird. Die gemachten Beobachtungen, insbesondere Schaltpolarität und Zeitabhängigkeiten, sind prinzipiell kompatibel mit einer feldgetriebenen Sauerstoff(leerstellen)migration. Hierzu könnte auch die experimentell beobachtete, im Einklang mit Simulationsergebnissen stehende, starke Joulesche Erwärmung während des Schaltens beitragen. Durch eine Änderung der Sauerstoffleerstellenverteilung könnten lokal an den Grenzflächen defektinduzierte Metall-Isolator-Übergänge auftreten, so dass der Widerstandhub als eine Änderung des effektiven Querschnitts der leitfähigen Bereiche an den Grenzflächen zu interpretieren wäre.

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Das grundlegende Verständnis von Selbstorganisationsprozessen auf molekularem Niveau ist von entscheidender Bedeutung für den Fortschritt der Nanotechnologie. In diesem Zusammenhang werden hier Untersuchungen derartiger Prozesse an der Grenzfläche zwischen einer flüssigen Phase (z.B. einer Lösung) und einer kristallinen Festkörperoberfläche durchgeführt. Die Konzentration der Lösung und die Polarität des Lösungsmittels sind von entscheidender Bedeutung für die Kontrolle der durch Selbstorganisation gebildeten Strukturen von Molekülen an den flüssig-fest Grenzflächen zu einem Graphitsubstrat (HOPG). Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen die Einflüsse dieser beiden Parameter auf die Anordnung der Moleküle. Zunächst wird die Polarität der Lösungsmittel diskutiert. Lösungsmittel mit verschiedenen Polaritäten wie Phenyloctan (unpolar), Fettsäuren (moderat polar) und Fettalkohole (stark polar) wurden verwendet um Trimesinsäure (TMA) zu lösen. TMA bildet keine geordnete Struktur aus wenn es aus Phenyloctan (PO) abgeschieden wird. Ein poröses Muster ("Chicken-wire"-Struktur) entsteht aus der Lösung von TMA in Octansäure, wohingegen aus der Lösung von TMA in Undecanol ein Linienmuster durch Koadsorption von TMA und Undecanol Molekülen gebildet wird. Als nächstes werden die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung der Lösungen zur Kontrolle der Konzentration der Lösung und die daraus resultierende unterschiedliche molekulare Packungsdichte und Strukturen beschrieben. Eine selbstassemblierte Struktur aus Zick-Zack-Dimerketten wird bei der TMA-PO Lösung nur beobachtet, wenn die Lösung für 5 Stunden Ultraschall ausgesetzt wurde. Die hoher Packungsdichte in Form der "Flower"-Struktur wird für Lösungen von TMA in Octansäure gefunden, nachdem diese für lange Zeit mit Ultraschall behandelt wurden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Arbeit ist die entdeckte Veresterungsreaktion an der TMA-undecanol/HOPG Grenzfläche. 1-undecyl Monoester von TMA wurde überraschender Weise an dieser Grenzfläche gefunden, nachdem die TMA-Undecanol Lösungen, für lange Zeit Ultraschall ausgesetzt wurden. Diese Monoestermoleküle bilden sich an der flüssig-fest Grenzfläche allein auf Grund der erhöhten Konzentration von TMA (ohne jegliche externe Katalysatoren). Der physikalische Hintergrund der Prozesse des Lösens und der Ultraschallbehandlung sind der Gegenstand weiterer Untersuchungen. Selbstassemblierte Abscheidung tritt auch bei Verwendung nur der reinen Lösungsmittel (Octansäure beziehungsweise Undecanol) auf, was zu verschiedenen Mustern führt, welche ebenfalls durch Ultraschallbehandlung kontrolliert eingestellt werden können.

Hybride Oberflächenaktivierungen von Glasfaserrovings mittels Polymer/Zement-Kompositen ermöglichen eine komplette Durchdringung des Rovings mit Beton von der Matrix bis zu den innenliegenden Einzelfilamenten. Dies erlaubt einen deutlich verbesserten Lasteintrag in den gesamten Rovingquerschnitt bei der Verwendung als Faserverstärkung in textilbewehrten Betonen. Auf Grund von ausgeprägten Domänen hydratisierter Zementsteinphasen innerhalb des Rovings ergibt sich eine komplexe, multiskalige Verbundstruktur, die sich in ihren Eigenschaften deutlich von klassischen polymerbeschichteten Rovings unterscheidet. Wir diskutieren diesen Ansatz in Bezug auf Herstellung, nano-/mikroskopische Charakterisierung, sowie der mechanischen Eigenschaften der Probenkörper unter beschleunigten Alterungsbedingungen. Die mikroskopischen Untersuchungen mittels höchstauflösender Elektronenmikroskopie und Nanoindentation zielen darauf ab, die Grenzflächenanbindung, die veränderte Struktur in Abhängigkeit des verwendeten Polymers und der Additive sowie die Korrosionsmechanismen aufzuklären. / Hybrid surface modifications of glass fiber rovings with polymer/cement-composites allow the generation of extended cement phases within the roving and an activation of the innermost filaments to the surrounding concrete matrix. This enables enhanced load transfer across the full roving cross section when used as fibrous reinforcement in textile-reinforced concrete. Due to the presence of extended concrete domains within the roving, a complex multiscale composite structure develops, displaying distinctly different properties as compared to standard polymer impregnation routes. We discuss this approach in terms of production, nano/microscopic characterization of the concrete composites and mechanical properties of the resulting specimens under accelerated aging conditions. The microscopy studies using highest resolution electron microscopy and nanoindentation aim to elucidate the interface connection, the changes in morphology of the concrete as a function of the polymer and additives used, as well as shedding light on the corrosion mechanisms.

Es werden die Gleichgewichtskonstanten der Zinkextraktion ermittelt. Das Wilson-Modell und das erweiterte Debye-Hückel-Gesetz werden zur Beschreibung der Aktivitäten verwendet. Die tensiometrischen Untersuchungen erfolgen am hängenden Tropfen. Die Modellauswahl zur Beschreibung der Gleichgewichtsgrenzflächenspannung erfolgt im submizellaren Konzentrationsbereich. Die pseudo-nichtionische Modellierung auf der Basis der Langmuir-Isothermen der Mehrkomponentenadsorption bei Verwendung der Stern-Isothermen für die Gegenionenanreicherung liefert die beste Datenanpassung. Durch ein einfaches Modell zur Mizell- und Aggregatbildung gelingt die Modellerweiterung. Die gemessenen dynamischen Grenzflächenspannungskurven werden sorptionskinetisch und durch diffusive Approximationen angepasst. Es zeigt sich, dass der Stofftransport diffusionsdirigiert ist. Am oszillierenden Tropfen werden die Ergebnisse bestätigt. Für das Kationenaustauscheranion wird die Gültigkeit des Maxwell-Modells zur Beschreibung der Grenzflächendilatationsrheologie nachgewiesen.

CuI is a p-type transparent conductive semiconductor with unique optoelectronic properties, including wide band gap (3.1 eV), high hole mobility (>40 cm2 V−1 s−1 in bulk), and large room-temperature exciton binding energy (62 meV). The difficulty in epitaxy of CuI is the main obstacle for its application in advanced solid-state electronic devices. Herein, room-temperature heteroepitaxial growth of CuI on various substrates with well-defined in-plane epitaxial relations is realized by reactive sputtering technique. In such heteroepitaxial growth the formation of rotation domains is observed and hereby systematically investigated in accordance with existing theoretical study of domain-epitaxy. The controllable epitaxy of CuI thin films allows for the combination of p-type CuI with suitable n-type semiconductors with the purpose to fabricate epitaxial thin film heterojunctions. Such heterostructures have superior properties to structures without or with weakly ordered in-plane orientation. The obtained epitaxial thin film heterojunction of p-CuI(111)/n-ZnO(00.1) exhibits a high rectification up to 2 × 109 (±2 V), a 100-fold improvement compared to diodes with disordered interfaces. Also a low saturation current density down to 5 × 10−9 Acm−2 is formed. These results prove the great potential of epitaxial CuI as a promising p-type optoelectronic material.

Die Entwicklung neuer Materialien und neuer Werkstoffe wird heute international als Schlüsseltechnologie mit Querschnittscharakter und Schrittmacherfunktion für viele industrielle Bereiche eingestuft. Die Wirtschaftskraft der hoch entwickelten Industriegesellschaften hängt zunehmend von Erfolgen in der Materialwissenschaft und der Werkstofftechnologie ab. Die Forschungsaktivitäten in der Profillinie 1 sind gekennzeichnet durch Interdisziplinarität und Vernetzung von Forschungsvorhaben. Von besonderer Bedeutung ist darüber hinaus die zusätzliche Verzahnung mit der Profillinie 6 der TU Chemnitz “Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen“, um die Material- und Werkstoffforschung durch den intelligenten Einsatz leistungsstarker Rechentechnik weniger kostenintensiv gestalten zu können.