Polypropylene (PP) has excellent mechanical and chemical properties. Thus, it is used in a wide range of applications. However, like for most polymers, the high flammability of PP limits its application in various fields requiring specific flame-retardant standards. Some of halogenated flame retardants are restricted by European Community directives ROHs, WEEE and REACH. Now metallic hydroxides flame retardants are widely used in industry, but the high loading (about 60 wt %) seriously destroys the mechanical properties of polymeric materials. To improve the performance of flame retardant polymers, an environment-friendly electron beam (EB) technology has been successfully used in modifying flame retardant and polymer matrix. In this work, high efficient functional intumescent flame retardants and functional surfactant are designed and prepared for EB technology. In-depth studies the thermal stability, fire behavior and mechanical properties of these flame retardant PP composites have been studied. The possible graft-linking and cross-linking mechanisms of such EB modified composites can be well established. Specially, it is shown that the novel surfactant has better thermal stability in comparison to traditionally used modifiers. Another part of this work deals with the exploration of novel allylamine polyphosphate (AAPP) as flame retardant crosslinker for PP by electron beam (EB) treatment. Multifunctional AAPP showed unique efficient intumescent flame retardant properties. The limiting oxygen index (LOI) value and the effective melt drop resistance in UL-94 test of multifunctional flame retardant PP composites is greatly enhanced. In the cone calorimeter test, a reduction of peak heat release rate, total heat release and smoke production is achieved. Moreover, EB treatment increased the thermal stability of these designed flame retardant PP composites. Furthermore, AAPP provided an excellent quality of char residue in the combustion stage due to P−N−C and P−O−C structure. In addition, synergistic mechanism of AAPP with montmorillonite (MMT) was explored. Finally, different EB parameters have been used to modify fire retardant polymer nanocomposites. The effects of EB treatment on thermal stability, fire behavior and mechanical properties of fire retardant PP nanocomposites have been discussed. The heat release, the production of toxic gases and the mass loss of EB modified fire retardant PP nanocomposites are delayed in accordance to the result of cone calorimeter test. Based on these results high performance fire retardant polymer nanocomposites can be developed for industrial applications such as insulated material of wire, cable, etc.

Diese Arbeit beschreibt die Suche nach hochenergetischen kosmischen Neutrinos mit dem AMANDA-B10 Detektor. Das Antarctic Muon and Neutrinos Detection Array - AMANDA - ist ein Experiment zum Nachweis hochenergetischer Neutrinos. Es besteht aus einem Gitter optischer Detektoren, die in den antarktischen Gletscher eingeschmolzen wurden. Hochenergetische Myonneutrinos können anhand aufwärts laufender Myonspuren identifiziert werden. Nur Neutrinos reagieren ausschließlich durch die schwache Wechselwirkung, was sie zur einzigen Teilchensorte macht, die die ganze Erde durchlaufen kann. Aufwärtslaufende Spuren sind daher eine klare Signatur für neutrinoinduzierte Ereignisse. Die Richtung der Myonen kann anhand des abgestrahlten Cherenkovlichtes rekonstruiert werden. Für Neutrinoenergien oberhalb einiger hundert GeV behält das Myon die Richtung des Neutrinos im wesentlichen bei. Aus der Richtung des Myons kann daher auf die Richtung des Neutrinos geschlossen werden. Das erlaubt die Identifikation von Quellen. Die häufigste Klasse von Untergrundereignissen sind abwärtslaufende Spuren von Myonen, die durch kosmische Strahlen in der Erdatmosphäre erzeugt werden. Damit ist der wichtigste Selektionsparameter der rekonstruierte Zenithwinkel. Ein weitere Klasse von Untergrundereignissen für die Beobachtung kosmische Neutrinos sind aufwärtslaufende Myonspuren von sogenannten atmosphärischen Neutrinos. Das sind Neutrinos, die von der kosmischen Strahlung in der Atmosphäre der Nordhalbkugel erzeugt werden, die Erde durchlaufen und als aufwärtslaufende Spuren die gleiche Signatur haben wie kosmische Neutrinos. Im Falle von Punktquellen ist die Identifikation kosmischer Neutrinos über die Häufung von Neutrinos aus einer bestimmten Richtung möglich. Eine weitere Möglichkeit, kosmische Neutrinos von atmosphärischen Neutrinos zu unterscheiden, ist die Energieverteilung: atmosphärische Neutrinos haben ein Energiespektrum mit einem spektralen Index von ungefähr -3.7, während für kosmische Neutrinos ein Spektrum mit einem spektralen Index von -2 erwartet wird. Die Signatur kosmischer Neutrinos ist daher ein Überschuß von hochenergetischen Ereignissen. Zur Selektion dieser Ereignisse ist ein Energieparameter notwendig. Das Thema dieser Arbeit ist die Suche nach einem diffusen Fluß hochenergetischer kosmischer Neutrinos, als die Überlagerung der Flüsse von vielen, für sich genommen nicht nachweisbaren Quellen. Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit des Detektors wurde zuerst die Separation von atmosphärischen Neutrinos mitentwickelt. Die erhaltenen Kandidaten wurden auf einen Überschuß hochenergetischer Neutrinos untersucht. Dazu wurde die Methode zur Energierekonstruktion, die für den Baikal-Detektor entwickelt wurde, an die optischen Eigenschaften von Eis angepaßt. Eine Analyse der Fehlerbeiträge ergab jedoch, daß stochastische Fluktuationen der Energie- und damit Lichtdeposition die Energieauflösung begrenzen. Die Suche nach alternativen energieabhängigen Selektionsparametern ergab die Anzahl der getroffen Kanäle als effektiven Selektionsparameter für hochenergetische Ereignisse. Mit diesem Parameter konnte die Sensitivität des Detektors für hochenergetische Ereignisse abgeschätzt werden. Eine detaillierte Analyse ergab jedoch systematische Abweichungen zwischen Daten und Monte Carlo. Als Konsequenz wurde ein separater Filter für hochenergetische Ereignisse entwickelt. Mit Separationsschnitten auf nur fünf Parameter konnten die Daten auf weniger als ein Prozent reduziert werden. Die abschließenden Schnitte wurden mit einem Optimierungsprogramm entwickelt. Zur Optimierung der Sensitivität wurde eine Vielfalt von Parametern verglichen. Ein Satz besonders hochenergetischer Ereignisse konnte selektiert werden. Die Zahl und Verteilung der Ereignisse ist konsistent mit der Erwartung für atmosphärische Neutrinoereignisse. Ein Überschuß von Ereignissen hoher Energie wurde nicht beobachtet. Nach einem letzten Schnitt auf die Anzahl der getroffenen Kanäle als Energieparameter ließ sich daher eine obere Grenze für den Fluß hochenergetischer kosmischer Neutrinos ableiten. Unter der generischen Annahme eines E_nu^-2-Spektrums ergibt sich eine Grenze für Energien zwischen 5 * 10^3 GeV und 1 * 10^6 GeV von E^2 * (d Phi_(nu + nubar) / dE_nu )_(90% C.L.) / High energy neutrinos are a possible probe for cosmic acceleration mechanisms. Using data taken with the AMANDA-B10 detector in 1997 an upper limit of E^2 (d Phi / dE) < 1.0 * 10^-6 cm^-2 s^-1 sr^-1 GeV on the flux of cosmic neutrinos with energies between 5 TeV and 1 PeV was obtained.

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Polypropylene (PP) has excellent mechanical and chemical properties. Thus, it is used in a wide range of applications. However, like for most polymers, the high flammability of PP limits its application in various fields requiring specific flame-retardant standards. Some of halogenated flame retardants are restricted by European Community directives ROHs, WEEE and REACH. Now metallic hydroxides flame retardants are widely used in industry, but the high loading (about 60 wt %) seriously destroys the mechanical properties of polymeric materials. To improve the performance of flame retardant polymers, an environment-friendly electron beam (EB) technology has been successfully used in modifying flame retardant and polymer matrix. In this work, high efficient functional intumescent flame retardants and functional surfactant are designed and prepared for EB technology. In-depth studies the thermal stability, fire behavior and mechanical properties of these flame retardant PP composites have been studied. The possible graft-linking and cross-linking mechanisms of such EB modified composites can be well established. Specially, it is shown that the novel surfactant has better thermal stability in comparison to traditionally used modifiers. Another part of this work deals with the exploration of novel allylamine polyphosphate (AAPP) as flame retardant crosslinker for PP by electron beam (EB) treatment. Multifunctional AAPP showed unique efficient intumescent flame retardant properties. The limiting oxygen index (LOI) value and the effective melt drop resistance in UL-94 test of multifunctional flame retardant PP composites is greatly enhanced. In the cone calorimeter test, a reduction of peak heat release rate, total heat release and smoke production is achieved. Moreover, EB treatment increased the thermal stability of these designed flame retardant PP composites. Furthermore, AAPP provided an excellent quality of char residue in the combustion stage due to P−N−C and P−O−C structure. In addition, synergistic mechanism of AAPP with montmorillonite (MMT) was explored. Finally, different EB parameters have been used to modify fire retardant polymer nanocomposites. The effects of EB treatment on thermal stability, fire behavior and mechanical properties of fire retardant PP nanocomposites have been discussed. The heat release, the production of toxic gases and the mass loss of EB modified fire retardant PP nanocomposites are delayed in accordance to the result of cone calorimeter test. Based on these results high performance fire retardant polymer nanocomposites can be developed for industrial applications such as insulated material of wire, cable, etc.

This PhD thesis employed high energy synchrotron x-ray radiation to reveal atomic scale structural features occurring in plastically deformed Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 (Vit105) bulk metallic glass (BMG). The study is divided into three parts: Strain evolution during in-situ compression, strain distribution maps in mechanically-imprinted BMG, and residual strain around a single shear band. 1. Strain evolution during in-situ compression The structural rearrangements occurring during compressive deformation of a plastically deformable BMG showed that the elastic and plastic deformation of the BMG is correlated to the structural changes at short- (SRO) and medium range order (MRO). In the elastic regime, the atomic distances at SRO vary linearly with macroscopic stress. Analysis of the area under radial distribution function indicates that a small fraction of bonds in the first shell is broken in the loading direction whereas some new bonds are formed in the transverse direction. Atomic bonds at SRO appeared significantly stiffer than the MRO shells. Compared to the macroscopic values of the elastic strain, Young’s modulus and Poisson's ratio, both SRO and MRO appeared significantly stiffer, implying that the elastic behavior of the BMG is not only ruled by simple compression of the atoms/clusters but also is aided by rearrangement of atoms/clusters. The deviation of MRO atomic strain-stress correlation from linearity at the onset of plastic deformation was attributed to the activation of irreversible shear transformation zones. It was demonstrated by a strong shear strain value at the onset of yielding. This value is in good agreement with the reported value of the critical shear strain needed for activation of an irreversible STZ. The length scale of 12.5 Å indicated the largest shear strain and is probably the most effective length scale in the formation of STZs. The atomic pairs at SRO with smallest shear strain have the least contribution to the STZs. It was also indicated that the typical fracture angle of this BMG can be explained by the orientation of maximum shear strain at the onset of catastrophic shear band formation. 2. Strain distribution map in mechanically-imprinted BMG In mechanical imprinting, the BMG plate is loaded between two tools with a regular array of linear teeth and, as a result, a regular pattern of linear imprints is created on the surface of the plate. Mechanically imprinting results in considerable tensile plasticity of brittle Vit105 BMG plate. The distribution of hardness and Young’s modulus values at the transverse cross section of imprinted plate probed via nanoindentation revealed oscillating soft and hard regions beneath the surface. Spatially-resolved strain maps obtained via high-energy nano-size beam X-ray diffraction exhibited that the plastic deformation during imprinting creates a spatially heterogeneous atomic arrangement, consisting of strong compressive and tensile strain fields as well as significant shear strain fields in the cross section. It was shown that the heat treatment diminishes the heterogeneous structure resulting in brittle behavior in tension. The analysis of strain tensor components based on changes in the first diffraction maximum of the structure function, q1, revealed that Ɛx, the strain perpendicular to the loading direction, changes from the compressive at near to the surface to the tensile mode at the center of the imprinted plate. In contrast, the strain component along the loading direction, Ɛy, changes from tensile near the surface to the compressive at the center. Beneath the surface, Ɛx reaches to values about 1.5% under the imprints where there is a negligible Ɛy. The distribution map of principal strains, Ɛ1 and Ɛ2, indicated that large regions with compressive Ɛ1 and Ɛ2 exist under the imprints which can result in blocking of the propagating shear bands in agreement with microstructural observations of shear banding after uniaxial tension. Moreover, the region beneath the border of the imprinted and un-imprinted parts has the highest residual shear strain. Microstructural observations indicated that such regions can nucleate new shear bands upon tensile loading of imprinted BMG plate. 3. Residual strain around a single shear band In order to probe structural changes in the shear-induced zone around a single shear band, the distribution of residual strains at short- and medium-range order around a single shear band was determined in cold-rolled BMG plate using the nano-focused high energy x-ray diffraction. Plastic deformation results in significant residual normal and shear strains at distances of more than 15 μm around the shear band. The residual normal strains exhibit an asymmetric distribution whereas the residual shear strain is distributed symmetrically around the shear band. The large amount of residual atomic shear strain magnitude at the vicinity of the shear band triggers the nucleation of the new shear bands. The coincidence of the direction of the nucleating secondary shear bands from the main shear band with the orientation of the residual shear strain at the vicinity of the mature shear band highlight the dominant role of the shear strain in determining further plastic deformation at regions near the shear band. / Im Rahmen dieser Arbeit wird hochenergetische Synchrotron Röntgenstrahlung zum Aufzeigen der strukturellen Veränderungen in plastisch verformtem Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 metallischen Glas verwendet. Die Arbeit gliedert sich in drei Teile: Dehnungsentwicklung während in-situ Druckversuch, Dehnungsverteilung eines mechanisch geprägten massiven metallischen Glases, und Restdehnungen in der Umgebung eines einzenen Scherbandes. 1. Dehnungsentwicklung während in-situ Druckversuch Die während der Verformung auftretende strukturelle Neuordnung eines plastisch verformbaren metallischen Glases zeigt die Korrelation der elastischen und plastischen Verformung mit den strukturellen Änderungen in den Größenordnungen der Nah- (SRO) und mittelreichweitigen Ordnung (MRO). Im elastischen Bereich verändern sich die Atomabstände in der SRO linear mit der makroskopisch anliegenden Spannung. Die Untersuchung der Fläche unter der Radialen Verteilungsfunktion (RDF) deutet auf ein Aufbrechen eines geringen Anteils der Bindungen der ersten Schale in Druckspannungsrichtung und deren Neubildung quer dazu. Die atomaren Bindungen in der SRO erscheinen wesentlich steifer als in den MRO Schalen. Vergleicht man die Werte von elastischer Dehnung, E-Modul und Querkontraktionszahl mit ihren makroskopischen Gegenstücken erscheinen beide, SRO und MRO, wesentlich steifer. Dies zeigt, dass die elastische Verformung von metallischen Gläsern nicht nur von der einfachen Stauchung der Atome bzw. Atomgruppen bestimmt, sondern auch durch deren Neuanordnung unterstützt wird. Das Abweichen der Dehnungs-Spannungs-Korrelation vom linearen Verhalten in der MRO am Beginn der plastischen Verformung wird der irreversiblen Bildung von Schertransformations-zonen (STZ) zugeschrieben. Dies zeigt sich zudem in den erhöhten Scherdehnungswerten am Beginn der Dehngrenze, welche mit den in der Literatur berichteten Werten für die kritische Scherdehnung zum Bilden einer STZ übereinstimmen. Bei einem Atomabstand von 12,5 Å tritt der höchste Wert der Scherdehnung auf und markiert den effektivsten Längenbereich der STZ Bildung. Andererseits haben die atomaren Paare in der SRO mit der geringsten Scherdehnung den geringsten Beitrag an der STZ. Es zeigt sich außerdem, dass der typische Bruchwinkel dieses metallischen Glases über die Orientierung der maximalen Scherdehnung am Beginn der kritischen Scherbandbildung erklärt werden kann. 2. Dehnungsverteilung eines mechanisch geprägten massiven metallischen Glases Eine Prägung besteht darin, eine Platte metallischen Glases mit zwei Stempel, auf denen eine regelmäßige Anordnung von geradlinigen Kerben angebracht ist, zu belasten. Dadurch wird eine ebenso regelmäßige Anordnung von geradlinigen Kerben auf der Oberfläche des metallischen Glases erzeugt. Die plastische Verformbarkeit der Vit105 Platte im Zugversuch wird durch Prägung im Vergleich zur gegossenen Probe eindeutig verbessert. Die Untersuchung der Härte und des E-Moduls über den Querschnitt der geprägten Probe zeigt die Einbringung von Abwechselnd weichen und harten Regionen an der Oberfläche. Es wurden räumlich aufgelöste Dehnungskarten des geprägten metallischen Glases durch Beugung eines hochenergetischen nanometergroßen Röntgenstrahles erzeugt. Die Ergebnisse offenbaren, dass die durch Prägung eingebrachte plastische Verformung eine räumlich heterogene Atomanordnung erzeugt, welche aus starken Druck- und Zugdehnungsfeldern besteht. Zusätzlich wird eine signifikante Scherdehnung in die Probe eingebracht. Die Wärmebehandlung beseitigt diese heterogene Struktur und führt sie fast auf den Ausgangszustand zurück. Die Analyse der Dehnungstensorkomponenten basierend auf Änderungen im erstem Maximum des Strukturfaktors, q1, zeigt, dass sich Ɛx von der Oberfläche zur Mitte der Platte hin von einer Stauchung in eine Dehnung umwandelt. Im Gegensatz dazu wandelt sich die Komponente Ɛy von der Oberfläche zur Mitte der Platte hin von einer Dehnung in eine Stauchung um. An der Oberfläche unter den Eindrücken, wo Ɛy vernachlässigbar ist, erreicht Ɛx Werte von ca. 1.5 %. Die Verteilungskarten der Hauptdehnungen zeigt, dass beide e1 und e2 unterhalb der Kerben als Stauchungen vorhanden sind. Daraus resultiert das Blockieren und Ablenken der sich ausbreitenden Scherbänder, was an Zugproben im REM beobachtet werden kann. Weiterhin hat der Bereich an der Grenze der geprägten und nicht geprägten Regionen die höchste Restscherdehnung. Mikrostrukturelle Beobachtungen deuten darauf hin, dass solche Bereiche unter Zuglast Keimstellen für neue Scherbänder sind. 3. Restdehnungen in der Umgebung eines einzenen Scherbandes Es wurde ein einzelnes Scherband einer kaltgewalzte Platte mittels Beugung eines hochenergetischen nanometergroßen Röntgenstrahles untersucht. Die strukturellen Unterschiede in der scherinduzierten Zone um ein einzelnes Scherband werden durch die Verteilung der Restdehnungen in SRO und MRO bestimmt. Plastische Verformung führt zu signifikanten Restnormal- und Restscherdehnungen in Entfernungen von mehr als 15 µm um das Scherband. Die Restnormaldehnungen zeigen eine asymmetrische Verteilung, wohingegen die Restscherdehnungen auf beiden Seiten des Scherbandes symmetrisch verteilt sind. Der große Betrag der atomaren Restscherdehnung in der Nähe des Scherbandes führt zur Bildung von neuen Scherbändern. Das Zusammenfallen der Richtung des sich bildenden sekundären Scherbandes und der Orientierung der Restscherdehnung, in der Nähe des primären Scherbandes, demonstriert die dominierende Rolle der Scherdehnung bei weiterer plastischer Verformung in der Nähe des Scherbandes.

Die monolithische Integration von Phasenwechselmaterialien mit Halbleiter-Hetero\-strukturen er\"offnet neue Perspektiven f\"ur zuk\"unftige Generationen von nichtfl\"uchtigen Speicherbauelementen. %Epitaktische Phasenwechselmaterialien erm�glichen detaillierte %Studien der strukturellen �nderungen w�hrend des Phasen�bergangs und %erlauben eine Bestimmung der Skalierungslimits zuk�nftiger %Datenspeicher. Diese Arbeit befasst sich mit dem epitaktischen Wachstum von Ge-Sb-Te Phasenwechselmaterialien. Dazu wurden Ge-Sb-Te(GST) Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf GaSb(001)-Substraten abgeschieden. Die kristallografische Orientierung und die Ver\"anderungen der Gitterkonstante w\"ahrend des Wachstums wurden mittels R\"ontgenbeugung unter streifendem Einfall (GIXRD) bestimmt. Das Nukleationsverhalten zu Beginn des Wachstums wurde mittels Hochenergie-Elektronenbeugung unter streifendem Einfall (RHEED) untersucht. / The integration of phase change materials into semiconductor heterostructures may lead to the development of a new generation of high density non-volatile phase change memories. Epitaxial phase change materials allow to study the detailed structural changes during the phase transition and to determine the scaling limits of the memory. This work is dedicated to the epitaxial growth of Ge-Sb-Te phase change alloys on GaSb(001). We deposit Ge-Sb-Te (GST) films on GaSb(001) substrates by means of molecular beam epitaxy (MBE). The film orientation and lattice constant evolution is determined in real time during growth using grazing incidence X-ray diffraction (GID). The nucleation stage of the growth is studied \emph{in situ} using reflection high energy electron diffraction (RHEED).

Ge-Sb-Te basierte Phasenwechselmaterialen sind vielersprechende Kandidaten für die Anwendung in optischen und elektrischen nicht-flüchtigen Speicheranwendungen. Diese Materialien können mit Hilfe von elektrischen oder optischen Pulsen reversibel zwischen der kristallinen und amorphen Struktur geschaltet werden. Diese stukturellen Phasen zeigen einen großen Unterschied in ihren elektronischen Eigenschaften, der sich in einer starken Änderung der optischen Reflektivität und des elektrischen Widerstands zeigt.Diese Studie befasst sich mit epitaktischem Wachstum und Analyse der epitaktischen Schichten. Der erste Teil der Arbiet befasst sich mir dem epitaktischen Wachstum von GeTe. Dünne GeTe Schichten wurden auf Si(111) und Si(001) Substraten mit einer Gitterfehlanpassung von 10.8% präpariert. Auf beiden Substraten bildet sich in der GeTe Schicht die [111] Oberflächenfacette parallel zur Si(001) und Si(111) Oberfläche aus. Während des inertialen Wachstums findet eine Phasentransformation von amorph zu kristallin statt. Diese Phasentransformation wurde mittels azimuthaler in-situ Beugung hochenergetischer Elektronen sowie in-situ Röntgenbeugung unter streifendem Einfall untersucht. Der zweite Teil der Arbeit wird die Epitaxie sowie die strukturelle Charakterisierung dünner Sb2Te3 Schichten dargestellt. Der dritte Teil umfasst die Epitaxie terniärer Ge-Sb-Te Schichten . Zum Wachstum wurden sowohl die Substrattemperatur als auch die Ge, Sb und Te Flüsse variiert. Es wird gezeigt, dass die Komposition der Schicht stark von der Wachtumstemperatur abhängt und nur entlang der pseudibinären Verbindungslinie von GeTe-Sb2Te3 variiert. Zur Kontrolle des Wachstums wurde dabei die in-situ Quadrupol Massenspektroskopie verwendet. Es zeigen sich diverse inkommensurate Beugungsmaxima entlang der [111] Oberflächennormalen der Schichten, anhand derer die Ausbildung einer Lehrstellen Ordnung in Form einer Überstruktur diskutiert wird. / Ge-Sb-Te based phase change materials are considered as a prime candidate for optical and electrical data storage applications. With the application of an optical or electrical pulse, they can be reversibly switched between amorphous and crystalline state, thereby exhibiting large optical and electrical contrast between the two phases, which are then stored as information in the form of binary digits. Single crystalline growth is interesting from both the academic and industrial perspective, as ordered Ge-Sb-Te based metamaterials are known to exhibit switching at reduced energies. The present study deals with the epitaxial growth and analysis of Ge-Sb-Te based thin films. The first part of the thesis deals with the epitaxial growth of GeTe. Thin films of GeTe were grown on highly mismatched Si(111) and (001) substrates. On both the substrate orientations the film grows along [111] direction with an amorphous-to-crystalline transition observed during the initial stages of growth. The amorphous-to-crystalline transition was studied in-vivo using azimuthal reflection high-energy electron diffraction scans and grazing incidence x-ray diffraction. In the second part of the thesis epitaxy and characterization of Sb2Te3 thin films are presented. The third part of the thesis deals with the epitaxy of ternary Ge-Sb-Te alloys. The composition of the films are shown to be highly dependent on growth temperatures and vary along the pseudobinary line from Sb2Te3 to GeTe with increase in growth temperatures. A line-of-sight quadrupole mass spectrometer was used to reliably control the GeSbTe growth temperature. Growth was performed at different Ge, Sb, Te fluxes to study the compositional variation of the films. Incommensurate peaks are observed along the [111] direction by x-ray diffraction. The possibility of superstructural vacancy ordering along the [111] direction is discussed.

This PhD thesis employed high energy synchrotron x-ray radiation to reveal atomic scale structural features occurring in plastically deformed Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 (Vit105) bulk metallic glass (BMG). The study is divided into three parts: Strain evolution during in-situ compression, strain distribution maps in mechanically-imprinted BMG, and residual strain around a single shear band. 1. Strain evolution during in-situ compression The structural rearrangements occurring during compressive deformation of a plastically deformable BMG showed that the elastic and plastic deformation of the BMG is correlated to the structural changes at short- (SRO) and medium range order (MRO). In the elastic regime, the atomic distances at SRO vary linearly with macroscopic stress. Analysis of the area under radial distribution function indicates that a small fraction of bonds in the first shell is broken in the loading direction whereas some new bonds are formed in the transverse direction. Atomic bonds at SRO appeared significantly stiffer than the MRO shells. Compared to the macroscopic values of the elastic strain, Young’s modulus and Poisson's ratio, both SRO and MRO appeared significantly stiffer, implying that the elastic behavior of the BMG is not only ruled by simple compression of the atoms/clusters but also is aided by rearrangement of atoms/clusters. The deviation of MRO atomic strain-stress correlation from linearity at the onset of plastic deformation was attributed to the activation of irreversible shear transformation zones. It was demonstrated by a strong shear strain value at the onset of yielding. This value is in good agreement with the reported value of the critical shear strain needed for activation of an irreversible STZ. The length scale of 12.5 Å indicated the largest shear strain and is probably the most effective length scale in the formation of STZs. The atomic pairs at SRO with smallest shear strain have the least contribution to the STZs. It was also indicated that the typical fracture angle of this BMG can be explained by the orientation of maximum shear strain at the onset of catastrophic shear band formation. 2. Strain distribution map in mechanically-imprinted BMG In mechanical imprinting, the BMG plate is loaded between two tools with a regular array of linear teeth and, as a result, a regular pattern of linear imprints is created on the surface of the plate. Mechanically imprinting results in considerable tensile plasticity of brittle Vit105 BMG plate. The distribution of hardness and Young’s modulus values at the transverse cross section of imprinted plate probed via nanoindentation revealed oscillating soft and hard regions beneath the surface. Spatially-resolved strain maps obtained via high-energy nano-size beam X-ray diffraction exhibited that the plastic deformation during imprinting creates a spatially heterogeneous atomic arrangement, consisting of strong compressive and tensile strain fields as well as significant shear strain fields in the cross section. It was shown that the heat treatment diminishes the heterogeneous structure resulting in brittle behavior in tension. The analysis of strain tensor components based on changes in the first diffraction maximum of the structure function, q1, revealed that Ɛx, the strain perpendicular to the loading direction, changes from the compressive at near to the surface to the tensile mode at the center of the imprinted plate. In contrast, the strain component along the loading direction, Ɛy, changes from tensile near the surface to the compressive at the center. Beneath the surface, Ɛx reaches to values about 1.5% under the imprints where there is a negligible Ɛy. The distribution map of principal strains, Ɛ1 and Ɛ2, indicated that large regions with compressive Ɛ1 and Ɛ2 exist under the imprints which can result in blocking of the propagating shear bands in agreement with microstructural observations of shear banding after uniaxial tension. Moreover, the region beneath the border of the imprinted and un-imprinted parts has the highest residual shear strain. Microstructural observations indicated that such regions can nucleate new shear bands upon tensile loading of imprinted BMG plate. 3. Residual strain around a single shear band In order to probe structural changes in the shear-induced zone around a single shear band, the distribution of residual strains at short- and medium-range order around a single shear band was determined in cold-rolled BMG plate using the nano-focused high energy x-ray diffraction. Plastic deformation results in significant residual normal and shear strains at distances of more than 15 μm around the shear band. The residual normal strains exhibit an asymmetric distribution whereas the residual shear strain is distributed symmetrically around the shear band. The large amount of residual atomic shear strain magnitude at the vicinity of the shear band triggers the nucleation of the new shear bands. The coincidence of the direction of the nucleating secondary shear bands from the main shear band with the orientation of the residual shear strain at the vicinity of the mature shear band highlight the dominant role of the shear strain in determining further plastic deformation at regions near the shear band. / Im Rahmen dieser Arbeit wird hochenergetische Synchrotron Röntgenstrahlung zum Aufzeigen der strukturellen Veränderungen in plastisch verformtem Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 metallischen Glas verwendet. Die Arbeit gliedert sich in drei Teile: Dehnungsentwicklung während in-situ Druckversuch, Dehnungsverteilung eines mechanisch geprägten massiven metallischen Glases, und Restdehnungen in der Umgebung eines einzenen Scherbandes. 1. Dehnungsentwicklung während in-situ Druckversuch Die während der Verformung auftretende strukturelle Neuordnung eines plastisch verformbaren metallischen Glases zeigt die Korrelation der elastischen und plastischen Verformung mit den strukturellen Änderungen in den Größenordnungen der Nah- (SRO) und mittelreichweitigen Ordnung (MRO). Im elastischen Bereich verändern sich die Atomabstände in der SRO linear mit der makroskopisch anliegenden Spannung. Die Untersuchung der Fläche unter der Radialen Verteilungsfunktion (RDF) deutet auf ein Aufbrechen eines geringen Anteils der Bindungen der ersten Schale in Druckspannungsrichtung und deren Neubildung quer dazu. Die atomaren Bindungen in der SRO erscheinen wesentlich steifer als in den MRO Schalen. Vergleicht man die Werte von elastischer Dehnung, E-Modul und Querkontraktionszahl mit ihren makroskopischen Gegenstücken erscheinen beide, SRO und MRO, wesentlich steifer. Dies zeigt, dass die elastische Verformung von metallischen Gläsern nicht nur von der einfachen Stauchung der Atome bzw. Atomgruppen bestimmt, sondern auch durch deren Neuanordnung unterstützt wird. Das Abweichen der Dehnungs-Spannungs-Korrelation vom linearen Verhalten in der MRO am Beginn der plastischen Verformung wird der irreversiblen Bildung von Schertransformations-zonen (STZ) zugeschrieben. Dies zeigt sich zudem in den erhöhten Scherdehnungswerten am Beginn der Dehngrenze, welche mit den in der Literatur berichteten Werten für die kritische Scherdehnung zum Bilden einer STZ übereinstimmen. Bei einem Atomabstand von 12,5 Å tritt der höchste Wert der Scherdehnung auf und markiert den effektivsten Längenbereich der STZ Bildung. Andererseits haben die atomaren Paare in der SRO mit der geringsten Scherdehnung den geringsten Beitrag an der STZ. Es zeigt sich außerdem, dass der typische Bruchwinkel dieses metallischen Glases über die Orientierung der maximalen Scherdehnung am Beginn der kritischen Scherbandbildung erklärt werden kann. 2. Dehnungsverteilung eines mechanisch geprägten massiven metallischen Glases Eine Prägung besteht darin, eine Platte metallischen Glases mit zwei Stempel, auf denen eine regelmäßige Anordnung von geradlinigen Kerben angebracht ist, zu belasten. Dadurch wird eine ebenso regelmäßige Anordnung von geradlinigen Kerben auf der Oberfläche des metallischen Glases erzeugt. Die plastische Verformbarkeit der Vit105 Platte im Zugversuch wird durch Prägung im Vergleich zur gegossenen Probe eindeutig verbessert. Die Untersuchung der Härte und des E-Moduls über den Querschnitt der geprägten Probe zeigt die Einbringung von Abwechselnd weichen und harten Regionen an der Oberfläche. Es wurden räumlich aufgelöste Dehnungskarten des geprägten metallischen Glases durch Beugung eines hochenergetischen nanometergroßen Röntgenstrahles erzeugt. Die Ergebnisse offenbaren, dass die durch Prägung eingebrachte plastische Verformung eine räumlich heterogene Atomanordnung erzeugt, welche aus starken Druck- und Zugdehnungsfeldern besteht. Zusätzlich wird eine signifikante Scherdehnung in die Probe eingebracht. Die Wärmebehandlung beseitigt diese heterogene Struktur und führt sie fast auf den Ausgangszustand zurück. Die Analyse der Dehnungstensorkomponenten basierend auf Änderungen im erstem Maximum des Strukturfaktors, q1, zeigt, dass sich Ɛx von der Oberfläche zur Mitte der Platte hin von einer Stauchung in eine Dehnung umwandelt. Im Gegensatz dazu wandelt sich die Komponente Ɛy von der Oberfläche zur Mitte der Platte hin von einer Dehnung in eine Stauchung um. An der Oberfläche unter den Eindrücken, wo Ɛy vernachlässigbar ist, erreicht Ɛx Werte von ca. 1.5 %. Die Verteilungskarten der Hauptdehnungen zeigt, dass beide e1 und e2 unterhalb der Kerben als Stauchungen vorhanden sind. Daraus resultiert das Blockieren und Ablenken der sich ausbreitenden Scherbänder, was an Zugproben im REM beobachtet werden kann. Weiterhin hat der Bereich an der Grenze der geprägten und nicht geprägten Regionen die höchste Restscherdehnung. Mikrostrukturelle Beobachtungen deuten darauf hin, dass solche Bereiche unter Zuglast Keimstellen für neue Scherbänder sind. 3. Restdehnungen in der Umgebung eines einzenen Scherbandes Es wurde ein einzelnes Scherband einer kaltgewalzte Platte mittels Beugung eines hochenergetischen nanometergroßen Röntgenstrahles untersucht. Die strukturellen Unterschiede in der scherinduzierten Zone um ein einzelnes Scherband werden durch die Verteilung der Restdehnungen in SRO und MRO bestimmt. Plastische Verformung führt zu signifikanten Restnormal- und Restscherdehnungen in Entfernungen von mehr als 15 µm um das Scherband. Die Restnormaldehnungen zeigen eine asymmetrische Verteilung, wohingegen die Restscherdehnungen auf beiden Seiten des Scherbandes symmetrisch verteilt sind. Der große Betrag der atomaren Restscherdehnung in der Nähe des Scherbandes führt zur Bildung von neuen Scherbändern. Das Zusammenfallen der Richtung des sich bildenden sekundären Scherbandes und der Orientierung der Restscherdehnung, in der Nähe des primären Scherbandes, demonstriert die dominierende Rolle der Scherdehnung bei weiterer plastischer Verformung in der Nähe des Scherbandes.

The goal of this thesis is to improve our knowledge on energetic particle precipitation into the Earth’s atmosphere from the thermosphere to the surface. The particles origin from the Sun or from temporarily trapped populations inside the magnetosphere. The best documented influence of solar (high-) energetic particles on the atmosphere is the Ozone depletion in high latitudes, attributed to the generation of HOx and NOx by precipitating particles (Crutzen et al., 1975; Solomon et al., 1981; Reid et al., 1991). In addition Callis et al. (1996b, 2001) and Randall et al. (2005, 2006) point out the importance of low-energetic precipitating particles of magnetospheric origin, creating NOx in the lower thermosphere, which may be transported downwards where it also contributes to Ozone depletion. The incoming particle flux is dramatically changing as a function of auroral/geomagnetical activity and in particular during solar particle events. As a result, the degree of ionization and the chemical composition of the atmosphere are substantially affected by the state of the Sun. Therefore the direct energetic or dynamical influences of ions on the upper atmosphere depend on solar variability at different time scales. Influences on chemistry have been considered so far with simplified precipitation patterns, limited energy range and restrictions to certain particle species, see e.g. Jackman et al. (2000); Sinnhuber et al. (2003b, for solar energetic protons and no spatial differentiation), and Callis et al. (1996b, 2001, for magnetospheric electrons only). A comprehensive atmospheric ionization model with spatially resolved particle precipitation including a wide energy range and all main particle species as well as a dynamic magnetosphere was missing. In the scope of this work, a 3-D precipitation model of solar and magnetospheric particles has been developed. Temporal as well as spatial ionization patterns will be discussed. Apart from that, the ionization data are used in different climate models, allowing (a) simulations of NOx and HOx formation and transport, (b) comparisons to incoherent scatter radar measurements and (c) inter-comparison of the chemistry part in different models and comparison of model results to MIPAS observations. In a bigger scope the ionization data may be used to better constrain the natural sources of climate change or consequences for atmospheric dynamics due to local temperature changes by precipitating particles and their implications for chemistry. Thus the influence of precipitating energetic particles on the composition and dynamics of the atmosphere is a challenging issue in climate modeling. The ionization data is available online and can be adopted automatically to any user specific model grid.