Die vorliegende Arbeit entstand im Zeitraum von 05/2014 bis 03/2017 in Kooperation mit Umicore AG & Co. KG und ist thematisch direkt mit dem BMWi-Projekt „NeoKarII“ mit der Suche nach neuartigen, oxidischen Elektrodenmaterialien für Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM-FC) verknüpft. In dieser Arbeit wurden verschiedene oxidische Materialien über Sol-Gel- und Imprägnationsverfahren hergestellt und deren Eignung für eine Brennstoffzellenanwendung geprüft. Neben umfassenden röntgenographischen Untersuchungen zu den Stoffsystemen IrO2-TiO2, IrO2-SnO2 und Cr2O3-TiO2 sind in dieser Arbeit auch zusammensetzungsabhängige Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit gezeigt. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Leitfähigkeitsversuchsstand mit einer 2-Punkt-Durchgangswiderstandsmessmethode entwickelt und in Betrieb genommen. Der halbautomatische Versuchsstand ermöglicht eine temperatur- und druckprogrammierte Vermessung pulverförmiger Werkstoffe. / This thesis was developed between 05/2014 and 03/2017 together with Umicore AG & Co. KG and is related to the BMWi project 'NeoKarII' with the search for novel, oxidic electrode materials for polymer electrolyte fuel cells (PEM-FC). In this work, various oxidic materials were prepared by sol-gel and impregnation processes and their suitability for a fuel cell application was tested. In addition to comprehensive X-ray diffraction examinations of the materials systems IrO2-TiO2, IrO2-SnO2 and Cr2O3-TiO2, the composition dependence of electrical conductivity is also shown. For this purpose, a new measurement setup with a 2-point resistance measurement method was developed and brought into services. The semi-automatic setup allows a temperature- and pressure-programmed measurement of powdered materials.

Ein zentraler Nachteil der meisten Koordinationspolymere ist, dass sie elektrische Isolatoren sind. In dieser Arbeit wurden konjugierte Koordinationspolymere auf ihre Leitfähigkeit untersucht, die eine Rhodium-Paddle-Wheel-Struktur besitzen. Die Beschichtung auf einer funktionalisierten Oberfläche im Vorfeld der C-AFM-Messung wurde mittels eines selbstgebauten Dip-Coaters realisiert. Koordinationspolymere, die das [Rh2(ac)4]-Paddle-Wheel enthalten, sind unabhängig von den untersuchten Linkern Isolatoren. Werden die Acetatliganden mit drei oder vier Acetamidatliganden ausgetauscht, so ist das entstandene Koordinationspolymer leitfähig. Temperaturabhängige C-AFM-Messungen ergeben eine für hohe Feldstärken konstante Aktivierungsenergie, die je nach Koordinationspolymer zwischen 0,3 eV und 0,7 eV beträgt. Anhand der Ergebnisse wurde gezeigt, dass der Ladungstransport durch einen Hopping Mechanismus dominiert wird. C-AFM ist eine aussagekräftige Methode zur Charakterisierung leitfähiger Koordinationspolymere auf der Oberfläche.

Tectonic and geological processes on Earth often result in structural anisotropy of the subsurface, which can be imaged by various geophysical methods. In order to achieve appropriate and realistic Earth models for interpretation, inversion algorithms have to allow for an anisotropic subsurface. Within the framework of this thesis, I analyzed a magnetotelluric (MT) data set taken from the Cape Fold Belt in South Africa. This data set exhibited strong indications for crustal anisotropy, e.g. MT phases out of the expected quadrant, which are beyond of fitting and interpreting with standard isotropic inversion algorithms. To overcome this obstacle, I have developed a two-dimensional inversion method for reconstructing anisotropic electrical conductivity distributions. The MT inverse problem represents in general a non-linear and ill-posed minimization problem with many degrees of freedom: In isotropic case, we have to assign an electrical conductivity value to each cell of a large grid to assimilate the Earth's subsurface, e.g. a grid with 100 x 50 cells results in 5000 unknown model parameters in an isotropic case; in contrast, we have the sixfold in an anisotropic scenario where the single value of electrical conductivity becomes a symmetric, real-valued tensor while the number of the data remains unchanged. In order to successfully invert for anisotropic conductivities and to overcome the non-uniqueness of the solution of the inverse problem it is necessary to use appropriate constraints on the class of allowed models. This becomes even more important as MT data is not equally sensitive to all anisotropic parameters. In this thesis, I have developed an algorithm through which the solution of the anisotropic inversion problem is calculated by minimization of a global penalty functional consisting of three entries: the data misfit, the model roughness constraint and the anisotropy constraint. For comparison, in an isotropic approach only the first two entries are minimized. The newly defined anisotropy term is measured by the sum of the square difference of the principal conductivity values of the model. The basic idea of this constraint is straightforward. If an isotropic model is already adequate to explain the data, there is no need to introduce electrical anisotropy at all. In order to ensure successful inversion, appropriate trade-off parameters, also known as regularization parameters, have to be chosen for the different model constraints. Synthetic tests show that using fixed trade-off parameters usually causes the inversion to end up by either a smooth model with large RMS error or a rough model with small RMS error. Using of a relaxation approach on the regularization parameters after each successful inversion iteration will result in smoother inversion model and a better convergence. This approach seems to be a sophisticated way for the selection of trade-off parameters. In general, the proposed inversion method is adequate for resolving the principal conductivities defined in horizontal plane. Once none of the principal directions of the anisotropic structure is coincided with the predefined strike direction, only the corresponding effective conductivities, which is the projection of the principal conductivities onto the model coordinate axes direction, can be resolved and the information about the rotation angles is lost. In the end the MT data from the Cape Fold Belt in South Africa has been analyzed. The MT data exhibits an area (> 10 km) where MT phases over 90 degrees occur. This part of data cannot be modeled by standard isotropic modeling procedures and hence can not be properly interpreted. The proposed inversion method, however, could not reproduce the anomalous large phases as desired because of losing the information about rotation angles. MT phases outside the first quadrant are usually obtained by different anisotropic anomalies with oblique anisotropy strike. In order to achieve this challenge, the algorithm needs further developments. However, forward modeling studies with the MT data have shown that surface highly conductive heterogeneity in combination with a mid-crustal electrically anisotropic zone are required to fit the data. According to known geological and tectonic information the mid-crustal zone is interpreted as a deep aquifer related to the fractured Table Mountain Group rocks in the Cape Fold Belt. / Tektonische und geologische Prozesse verursachen häufig eine strukturelle Anisotropie des Untergrundes, welche von verschiedenen geophysikalischen Methoden beobachtet werden kann. Zur Erstellung und Interpretation geeigneter, realistischer Modelle der Erde sind Inversionsalgorithmen notwendig, die einen anisotropen Untergrund einbeziehen können. Für die vorliegende Arbeit habe ich einen magnetotellurischen (MT) Datensatz vom Cape Fold Gürtel in Südafrika untersucht. Diese Daten weisen auf eine ausgeprägte Anisotropie der Kruste hin, da z.B. die MT Phasen außerhalb des erwarteten Quadranten liegen und nicht durch standardisierte isotrope Inversionsalgorithmen angepasst und ausgewertet werden können. Um dieses Problem zu beheben, habe ich eine zweidimensionale Inversionsmethode entwickelt, welche eine anisotrope elektrische Leitfähigkeitsverteilungen in den Modellen zulässt. Die MT Inversion ist im allgemeinen ein nichtlineares, schlecht gestelltes Minimierungsproblem mit einer hohen Anzahl an Freiheitsgraden. Im isotropen Fall wird jeder Gitterzelle eines Modells ein elektrischer Leitfähigkeitswert zugewiesen um den Erduntergrund nachzubilden. Ein Modell mit beispielsweise 100 x 50 Zellen besitzt 5000 unbekannte Modellparameter. Im Gegensatz dazu haben wir im anisotropen Fall die sechsfache Anzahl, da hier aus dem einfachen Zahlenwert der elektrischen Leitfähigkeit ein symmetrischer, reellwertiger Tensor wird, wobei die Anzahl der Daten gleich bleibt. Für die erfolgreiche Inversion von anisotropen Leitfähigkeiten und um die Nicht-Eindeutigkeit der Lösung des inversen Problems zu überwinden, ist eine geeignete Einschränkung der möglichen Modelle absolut notwendig. Dies wird umso wichtiger, da die Sensitivität von MT Daten nicht für alle Anisotropieparameter gleich ist. In der vorliegenden Arbeit habe ich einen Algorithmus entwickelt, welcher die Lösung des anisotropen Inversionsproblems unter Minimierung einer globalen Straffunktion berechnet. Diese besteht aus drei Teilen: der Datenanpassung, den Zusatzbedingungen an die Glätte des Modells und die Anisotropie. Im Gegensatz dazu werden beim isotropen Fall nur die ersten zwei Parameter minimiert. Der neu definierte Anisotropieterm wird mit Hilfe der Summe der quadratischen Abweichung der Hauptleitfähigkeitswerte des Modells gemessen. Die grundlegende Idee dieser Zusatzbedingung ist einfach. Falls ein isotropes Modell die Daten ausreichend gut anpassen kann, wird keine elektrische Anisotropie zusätzlich in das Modell eingefügt. Um eine erfolgreiche Inversion zu garantieren müssen geeignete Regularisierungsparameter für die verschiedenen Nebenbedingungen an das Modell gewählt werden. Tests mit synthetischen Modellen zeigen, dass bei festgesetzten Regularisierungsparametern die Inversion meistens entweder in einem glatten Modell mit hohem RMS Fehler oder einem groben Modell mit kleinem RMS Fehler endet. Die Anwendung einer Relaxationsbedingung auf die Regularisierung nach jedem Iterationsschritt resultiert in glatteren Inversionsmodellen und einer höheren Konvergenz und scheint ein ausgereifter Weg zur Wahl der Parameter zu sein. Die vorgestellte Inversionsmethode ist im allgemeinen in der Lage die Hauptleitfähigkeiten in der horizontalen Ebene zu finden. Wenn keine der Hauptrichtungen der Anisotropiestruktur mit der vorgegebenen Streichrichtung übereinstimmt, können nur die dazugehörigen effektiven Leitfähigkeiten, welche die Projektion der Hauptleitfähigkeiten auf die Koordinatenachsen des Modells darstellen, aufgelöst werden. Allerdings gehen die Informationen über die Rotationswinkel verloren. Am Ende meiner Arbeit werden die MT Daten des Cape Fold Gürtels in Südafrika analysiert. Die MT Daten zeigen in einem Abschnitt des Messprofils (> 10 km) Phasen über 90 Grad. Dieser Teil der Daten kann nicht mit herkömmlichen isotropen Modellierungsverfahren angepasst und daher mit diesen auch nicht vollständig ausgewertet werden. Die vorgestellte Inversionsmethode konnte die außergewöhnlich hohen Phasenwerte nicht wie gewünscht im Inversionsergebnis erreichen, was mit dem erwähnten Informationsverlust der Rotationswinkel begründet werden kann. MT Phasen außerhalb des ersten Quadranten können für gewöhnlich bei Anomalien mit geneigter Streichrichtung der Anisotropie gemessen werden. Um diese auch in den Inversionsergebnissen zu erreichen ist eine Weiterentwicklung des Algorithmus notwendig. Vorwärtsmodellierungen des MT Datensatzes haben allerdings gezeigt, dass eine hohe Leitfähigkeitsheterogenität an der Oberfläche in Kombination mit einer Zone elektrischer Anisotropie in der mittleren Kruste notwendig sind um die Daten anzupassen. Aufgrund geologischer und tektonischer Informationen kann diese Zone in der mittleren Kruste als tiefer Aquifer interpretiert werden, der im Zusammenhang mit den zerrütteten Gesteinen der Table Mountain Group des Cape Fold Gürtels steht.

Die elektrische Dehnungsmesstechnik auf der Grundlage separater Dehnungsmessstreifen (DMS) stellt heute eine der wesentlichsten Methoden zur experimentellen Beanspruchungs- analyse dar. Präzise Messungen außerhalb der Kalibrierbedingungen, insbesondere bei großen Deformationen oder hohen Querdehnungsanteilen, erfordern die Berücksichtigung nicht- linearer Zusammenhänge zwischen den zu bestimmenden Komponenten der Bauteildehnung und der Widerstandsänderung des Messgitters. Die Theorie dieser Zusammenhänge wird in zwei unterschiedlichen Formulierungen dargestellt. In der ersten Formulierung werden die für den Messgitterwerkstoff geltenden Leitfähigkeiten durch einem dreidimensionalen Ansatz mit den Dehnungskomponenten im Leiter verknüpft. Die Bestimmung der definierten Leitfähigkeitsparameter erfolgt exemplarisch für eine DMS-Konstantanfolie. In Form von Übertragungsfaktoren wird berücksichtigt, dass die Querdehnungskomponente der Bauteildehnung nicht vollständig auf die Stege und Umlenkstellen des Messgitters übertragen wird. Die zweite Formulierung basiert auf den vom DMS-Hersteller angegebenen Empfindlichkeiten präparierter Dehnungsmessstreifen in Längs- und Querrichtung. Die Genauigkeit der abgeleiteten Widerstands-Dehnungsbeziehungen wird durch zwei unter- schiedliche Versuche, bei denen die DMS-Messstellen längs bzw. quer zum einachsigen Spannungsfeld orientiert sind, überprüft. Die maximalen Dehnungen betragen dabei 5 bzw. 8 %.

Zielstellung Gesamtziel der Promotionsarbeit “Neuartige Nanokompositmaterialien für zukünftige elekt-rochemische Energiespeicher” war die Entwicklung und Erprobung innovativer, nanostruktu-rierter Festelektrolytmaterialien für die elektrochemische Energieumwandlung und -speicherung. Die zu entwickelnden Materialsysteme sollten bereits bei Temperaturen unter 700 °C eine höhere Ionenleitfähigkeit als der reinphasige Festelektrolyt aufweisen und damit eine effektivere, umweltfreundlichere Nutzung von Elektroenergie ermöglichen. Experimentelles Gemäß der höheren Leitfähigkeit der Korngrenzen zwischen Elektrolyt und Isolator, ein 3D-Modell eines idealisierten zweiphasigen Kompositmaterials wurde designt. Dafür wurde Ga-dolinium-dotiertem Ceroxid (GDC) wegen seiner hohen ionischen Leitfähigkeit und niedrigen elektrischen Leitfähigkeit als Elektrolyt und Magnesiumoxid- (MgO) als Ioslator ausgewählt. Zunächst wurden sowohl GDC- als auch MgO-Nanopartikel mit unterschiedlichen Synthese-methoden hergestellt. Dazu wurden in dieser Arbeit drei Synthesemethoden untersucht:  Methode 1: “Ausfällung von Mg(OH)2 und thermische Zersetzung zu MgO” für die Synthese der MgO-Nanopartikel,  Methode 2: “Carbonat-Copräzipitationsverfahren” für die Synthese der GDC-Nanopartikel und  Methode 3: “Self-propagating high-temperature synthesis” (SHS) für die Synthese der MgO-Nanopartikel, der GDC-Nanopartikel und der Mischung von GDC- und MgO-Nanopartikeln. Nach der Synthese wurden die Proben gesintert. In dieser Arbeit wurde zunächst die klassi-sche Sintermethode angewendet. Die Proben wurden in einem Kammerofen bei verschiede-nen Temperaturen gesintert. Dann wurde die neue Sintermethode Field Assisted Sintering Technology (FAST) / Spark Plasma Sintering (SPS) erprobt. Realisierte Ergebnisse Keramische Kompositmaterialien auf der Basis von Sauerstoffionen-leitendem Gadolinium-dotiertem Ceroxid- (GDC) und Magnesiumoxid- (MgO) Nanopartikeln wurden mit verschie-denen Präparationsmethoden synthetisiert. Deren Struktur und Eigenschaften wurden mit-tels Röntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie sowie elektrochemischen Messme-thoden umfassend aufgeklärt und charakterisiert. Wichtigstes Teilergebnis der Arbeit ist die erfolgreiche Entwicklung geeigneter Verfahren zur Synthese und Sinterung der Nanopartikel. Mittels der Synthesemethode SHS ist es erstmals gelungen, Mischungen von GDC- und MgO-Nanopartikeln herzustellen, die folgende erfolgversprechende Eigenschaften haben: passen-de Partikelgrößen (10 bis 20 nm) für beide Materialien, eine enge Partikelgrößenverteilung, geringe Aggregation und gute Homogenität der beiden Komponenten. Mit einem optimier-ten FAST / SPS-Verfahren konnten die auf diese Weise gemischten Pulver ohne wesentliche Partikelvergrößerung mit der gewünschten Größe und hohen Anzahl an Korngrenzen der Nanopartikel gesintert werden. Derart hergestellte Materialproben wiesen im Vergleich zu dem herkömmlich präparierten Festelektrolyt mit größeren Körnern eine ca. 10-fach höhere Leitfähigkeit auf.:Abkürzungsverzeichnis Vorwort Erklärung 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Festelektrolyt 2.1.1 Bekannte Festelektrolytmaterialien 2.1.2 Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC) 2.1.2.1 Cerdioxid 2.1.2.2 Dotiertes Cerdioxid 2.1.3 Kompositmaterial 2.2 Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) 2.2.1 Brennstoffzelle 2.2.2 Festelektrolyt-Brennstoffzelle 3 Zielstellung und Lösungsweg 4 Experimentelles 4.1 Synthesemethoden 4.2 Sintermethoden 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Thermogravimetrische Analyse 4.3.2 Röntgen-Diffraktometrie 4.3.3 Rasterelektronenmikroskopie 4.3.4 Transmissionselektronenmikroskopie 4.3.5 Impedanzspektroskopie 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Ergebnisse und Diskussion der Synthesen 5.1.1 Synthese der MgO-Nanopartikel 5.1.1.1 Ausfällung von Mg(OH)2 und thermische Zersetzung zu MgO 5.1.1.2 Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) von MgO 5.1.2 Synthese der GDC-Nanopartikel 5.1.2.1 Carbonat-Copräzipitationsverfahren 5.1.2.2 Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) von GDC 5.1.3 Synthese der Mischung von GDC- und MgO-Nanopartikeln 5.1.3.1 Mischen der beiden Sole 5.1.3.2 Mischen der beiden Nassgele mit Labormixer 5.1.3.3 Mischen der beiden Nassgele mit Ultraschallfinger 5.1.3.4 Mischen von GDC-Nassgel und Ausgangssubstanzen des MgO 5.1.3.5 Mischen von MgO-Nassgel und den Ausgangssubstanzen des GDC 5.1.4 Zusammenfassung der Synthesen 5.2 Ergebnisse und Diskussion des Sinterns 5.2.1 Klassische Sintermethode 5.2.2 Field Assisted Sintering Technology (FAST) 5.2.2.1 Sintern der GDC-Proben mittels der FAST-Methode 5.2.2.2 Sintern der Komposit-Proben mittels der FAST-Methode 5.2.3 Zusammenfassung der Sinterergebnisse 5.3 Strukturelle Untersuchungen 5.3.1 Thermogravimetrische Analyse 5.3.2 Röntgen-Diffraktometrie 5.3.3 Elektronenmikroskopische Untersuchungen 5.3.3.1 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von MgO-Nanopartikeln 5.3.3.2 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von GDC-Nanopartikeln 5.3.3.3 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von gemischten GDC-MgO-Nanopartikeln 5.3.3.4 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an klassisch gesinterten Proben 5.3.3.5 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von mittels FAST gesinterten GDC-Proben 5.3.3.6 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an mittels FAST gesinterten Komposit-Proben 5.4 Elektrochemische Untersuchungen 5.4.1 Aufbau des Messgerätes 5.4.2 Impedanzmessungen 5.4.2.1 Vorbereitung der Proben 5.4.2.2 Auswertung der Impedanzspekten 5.4.2.3 Vergleich von FAST- und klassisch gesinterten Proben 5.4.2.4 Untersuchung der Abhängigkeit vom Gasfluss 5.4.2.5 Bestimmung der Korngrenzen-Leitfähigkeiten der mittels FAST gesinterten Proben 5.4.2.6 Vergleich der eigenen Messungen mit Literaturangaben 5.4.2.7 Schlussfolgerung aus den Impedanzmessungen 5.5 Alterungsuntersuchungen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis Publikationen Poster Danksagung Anhang Chemikalienliste

Es werden metallische Kurzfasern, die durch ein Schnellerstarrungsverfahren direkt aus der Schmelze hergestellt werden, bezüglich ihrer Verwendung als hochporöser Absorber und als elektrisch leitfähige Strukturen in Verbundwerkstoffen vorgestellt. Auf der Basis einer schalldämpfenden hochporösen gesinterten Metallfaserstruktur und einer schalldämmenden Elastomerplatte wird ein neuartiges Schallschutzmaterial beschrieben. Die Theorie des homogenen Mediums ist für Absorber mit schichtartigen Aufbau erweitert und mit den gemessenen Absorberkennwerten verglichen worden. Weiterhin wird gezeigt, dass schmelzextrahierte metallische Kurzfasern in Polymerwerkstoffe eingelagert werden können, um einen elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff zu erhalten, der eine höhere Leitfähigkeit als rußgefüllte Polymere aufweist und eine preiswerte Alternative zu intrinsich leitenden Polymeren darstellt. Es werden die Herstellung und mechanische Eigenschaften des Metallfaserverbundwerkstoffes beschrieben. Das elektrische Verhalten des Faserverbundwerkstoffes wird anhand der Perkolationstheorie erläutert. Ausgehend von einem umfangreichen Überblick zu Möglichkeiten der Modellierung mechanischer und elektrischer Eigenschaften wird anhand geeigneter Modelle das reale Werkstoffverhalten beschrieben.

Charged domain walls (CDWs) in proper ferroelectrics are a novel route towards the creation of advancing functional electronics. At CDWs the spontaneous polarization obeying the ferroelectric order alters abruptly within inter-atomic distances. Upon screening, the resulting charge accumulation may result in the manifestation of novel fascinating electrical properties. Here, we will focus on electrical conduction. A major advantage of these ferroelectric DWs is the ability to control its motion upon electrical fields. Hence, electrical conduction can be manipulated, which can enrich the possibilities of current electronic devices e.g. in the field of reconfigurability, fast random access memories or any kind of adaptive electronic circuitry. In this dissertation thesis, I want to shed more light onto this new type of interfacial electronic conduction on inclined DWs mainly in lithium niobate/LiNbO3 (LNO). The expectation was: the stronger the DW inclination towards the polar axis of the ferroelectric order and, hence, the larger the bound polarization charge, the larger the conductivity to be displayed. The DW conductance and the correlation with polarization charge was investigated with a multitude of experimental methods as scanning probe microscopy, linear and nonlinear optical microscopy as well as electron microscopy. We were able to observe a clear correlation of the local DW inclination angle with the DW conductivity by comparing the three-dimensional DW data and the local DW conductance. We investigated the conduction mechanisms on CDWs by temperature-dependent two-terminal current-voltage sweeps and were able to deduce the transport to be given by small electron polaron hopping, which are formed after injection into the CDWs. The thermal activated transport is in very good agreement with time-resolved polaron luminescence spectroscopy. The applicability of this effect for non-volatile memories was investigated in metal-ferroelectric-metal stacks with CMOS compatible single-crystalline films. These films showed unprecedented endurance, retention, precise set voltage, and small leakage currents as expected for single crystalline material. The conductance was tuned and switched according to DW switching time and voltage. The formation of CDWs has proven to be extremely stable over at least two months. The conductivity was further investigated via microwave impedance microscopy, which revealed a DW conductivity of about 100 to 1000 S/m at microwave frequencies of about 1 GHz. / Geladene Domänenwände (DW) in reinen Ferroelektrika stellen eine neue Möglichkeit zur Erzeugung zukünftiger, funktionalisierter Elektroniken dar. An geladenen DW ändert sich die Polarisation sehr abrupt - innerhalb nur weniger Atomabstände. Sofern die dadurch hervorgerufene Ladungsträgeranreicherung elektrisch abgeschirmt werden kann, könnte dies zu faszinierenden elektrischen Eigenschaften führen. Wir möchten uns hierbei jedoch auf die elektrische Leitfähigkeit beschränken. Ein großer Vorteil für die Anwendung leitfähiger DW ist deren kontrollierte Bewegung unter Einwirkung elektrischer Felder. Dies ermöglicht die Manipulation das Ladungstransports, welches zum Beispiel im Bereich der Rekonfigurierbarkeit, schneller Speicherbauelemente und jeder Art von adaptiven elektronischen Schaltungen Anwendung finden kann. In dieser Dissertationsschrift möchte ich diesen neuen Typus grenzflächiger elektronischen Ladungstransports an geladenen DW hauptsächlich am Beispiel von Lithiumniobat/-LiNbO3 (LNO) untersuchen. Die Annahme lautete hierbei: umso stärker die DW zur ferroelektrischen Achse geneigt ist, also desto stärker die gebundene Polarisationsladung und folglich die elektrische DW-Leitfähigkeit. Die elektrische DW-Leitfähigkeit und die Korrelation mit der Polarisationsladung wurde mit verschiedenen experimentellen Methoden wie Rasterkraftmikroskopie, linearer und nichtlinearer optischer Mikroskopie als auch Elektronenmikroskopie untersucht. Es konnte eine klare Korrelation durch Vergleich der dreidimensionalen DW-Aufzeichnungsdaten mit der lokalen Leitfähigkeit gezeigt werden. Wir haben weiterhin den Leitfähigkeitsmechanismus an geladenen DW mittels temperaturabhängiger Strom-Spannungskennlinien untersucht und konnten hierbei einen Hopping-Transport kleiner Elektronenpolaronen nachweisen, welche nach Elektroneninjektion in die geladene DW generiert werden. Der thermisch aktivierte Ladungsträgertransport ist in guter Übereinstimmung mit zeitaufgelöster Polaron-Lumineszenzspektroskopie. Die Anwendbarkeit dieses Effektes für nicht-volatile Speicherbauelemente wurde an Metall-Ferroelektrika-Metall Schichtstrukturen mit CMOS-kompatiblen einkristalliner Filmen untersucht. Die Filme zeigen bisher nichtgesehene Durchhalte- und Speichervermögen, genau definierte Schaltspannung sowie sehr geringe Leckageströme wie dies für einkristalline Materialsysteme erwartet wird. Die Leitfähigkeit konnte mittels entsprechender Wahl der elektrischen Schaltzeiten und -spannungen zielgerichtet manipuliert und geschalten werden. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass die hergestellten geladenen DW über eine Zeitspanne von mindestens zwei Monaten stabil sind und hierbei leitfähig bleiben. Die Leitfähigkeit der DW wurde weiterhin mittels Mikrowellenimpedanzmikroskopie untersucht. Dabei konnten DW-Leitfähigkeiten von 100 bis 1000 S/m für Mikrowellenfrequenzen von etwa 1GHz ermittelt werden.

Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Synthese von organisch/anorganischen Hybridmaterialien mit multifunktionalen Eigenschaften unter ausschliesslicher Darstellung dieser Materialen mit Hilfe des „wet chemistry“ Zugangs. Ausgehend von der Darstellung und Charakterisierung von isomorphen bzw. isostrukturellen Hybridmaterialien der allgemeinen Zusammensetzung catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) speziell mittels IR und UV/vis Spektroskopie ist beschrieben, wie sich aus diesen entsprechende bi-, tri-, und auch tetra-heterometallische Koordinationspolymere der allgemeinen Zusammenseztung {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ und x, y, z, t als prozentualer Metallgehalt) herstellen lassen und welche limitierende Faktoren zu berücksichtigen sind. Leifähigkeitsmessungen an Einkristallen ausgewählter Koordinationspolymere werden vorgestellt. Zusätzlich werden die durch Rekristallisation von Nitac erhaltenen zwei verschiedenen Koordinationspolymere der Formel {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n und {[(Me3NH]{NiCl3}}n in Bezug auf ihre ungewöhnlichen strukturellen und magnetischen Eigenschaften vorgestellt und beschrieben. Die durch Austausch von [Me3NH]+ Kationen gegen [Et3NH]+ bzw. protonierten aromatischen N-haltigen Kationen wie [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ erhaltenen Reaktionsprodukte aus Umsetzungen mit Hilfe des “wet chemistry” Zugangs werden im Hinblick auf ihre Festkörperstrukturen beschrieben. Die erfolgreiche Darstellung einer neuen Familie von perylentetracarboxylato-basierenden Komplexen, die teilweise hervorragende Löslichkeiten besitzen, wird beschrieben sowie die strukturellen, magnetischen und lumineszierenden Eigenschaften ausgewählter Vetreter. / The thesis presented here is focused on the synthesis of organic/ inorganic hybrid materials with multifunctional properties by means of the “wet chemistry” approach. The synthesis and characterization of hybrid materials with the general composition catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) is described. Due to their isomorphic and/ or isostructural character, bi-, tri-, and even tetra-heterometallic chains of the general formula {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ and x, y, z, t is the percentage of each metal content) were synthesized and characterized. Limitating factors of the synthesis of these types of heterometallic coordination polymers are discussed. Furthermore, the conductive properties of selected representatives were investigated. Additionally, the products obtained from recrystallization of Nitac, two different novel 1D coordination polymers of the formula {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n and {[(Me3NH]{NiCl3}}n are described with respect to their structural and magnetic properties. Efforts to replace the [Me3NH]+ cations of Mtac compounds by [Et3NH]+ cations as well as by protonated aromatic amines as [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ are reported next with respect to the structural exploration of obtained hybrid materials by the “wet chemistry” approach. Finally, the synthesis of a new family of perylene tetracarboxylate (ptc) based soluble complexes is reported. Structural, magnetic and luminescence properties of selected representatives of this new series of soluble ptc derivatives are reported.

Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die Synthese von organisch/anorganischen Hybridmaterialien mit multifunktionalen Eigenschaften unter ausschliesslicher Darstellung dieser Materialen mit Hilfe des „wet chemistry“ Zugangs. Ausgehend von der Darstellung und Charakterisierung von isomorphen bzw. isostrukturellen Hybridmaterialien der allgemeinen Zusammensetzung catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) speziell mittels IR und UV/vis Spektroskopie ist beschrieben, wie sich aus diesen entsprechende bi-, tri-, und auch tetra-heterometallische Koordinationspolymere der allgemeinen Zusammenseztung {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ und x, y, z, t als prozentualer Metallgehalt) herstellen lassen und welche limitierende Faktoren zu berücksichtigen sind. Leifähigkeitsmessungen an Einkristallen ausgewählter Koordinationspolymere werden vorgestellt. Zusätzlich werden die durch Rekristallisation von Nitac erhaltenen zwei verschiedenen Koordinationspolymere der Formel {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n und {[(Me3NH]{NiCl3}}n in Bezug auf ihre ungewöhnlichen strukturellen und magnetischen Eigenschaften vorgestellt und beschrieben. Die durch Austausch von [Me3NH]+ Kationen gegen [Et3NH]+ bzw. protonierten aromatischen N-haltigen Kationen wie [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ erhaltenen Reaktionsprodukte aus Umsetzungen mit Hilfe des “wet chemistry” Zugangs werden im Hinblick auf ihre Festkörperstrukturen beschrieben. Die erfolgreiche Darstellung einer neuen Familie von perylentetracarboxylato-basierenden Komplexen, die teilweise hervorragende Löslichkeiten besitzen, wird beschrieben sowie die strukturellen, magnetischen und lumineszierenden Eigenschaften ausgewählter Vetreter. / The thesis presented here is focused on the synthesis of organic/ inorganic hybrid materials with multifunctional properties by means of the “wet chemistry” approach. The synthesis and characterization of hybrid materials with the general composition catena-{[Me3NH][MCl3·2H2O]}n (Mtac) (MII = Mn, Co, Ni, Cu, tac = [Me3NH]Cl3·2H2O]) is described. Due to their isomorphic and/ or isostructural character, bi-, tri-, and even tetra-heterometallic chains of the general formula {MxM´ytac}n, {MxM´yM´´ztac}n, {MxM´yM´´zM´´´ttac}n (MII = M ≠ M´≠ M´´≠ M´´´≠ M´´´´ and x, y, z, t is the percentage of each metal content) were synthesized and characterized. Limitating factors of the synthesis of these types of heterometallic coordination polymers are discussed. Furthermore, the conductive properties of selected representatives were investigated. Additionally, the products obtained from recrystallization of Nitac, two different novel 1D coordination polymers of the formula {[Me3NH]3{NiCl4}{NiCl3}}n and {[(Me3NH]{NiCl3}}n are described with respect to their structural and magnetic properties. Efforts to replace the [Me3NH]+ cations of Mtac compounds by [Et3NH]+ cations as well as by protonated aromatic amines as [2,2’-bipyH2]2+, [4,4’-bipyH2]2+ and [1,10-phenH2]2+ are reported next with respect to the structural exploration of obtained hybrid materials by the “wet chemistry” approach. Finally, the synthesis of a new family of perylene tetracarboxylate (ptc) based soluble complexes is reported. Structural, magnetic and luminescence properties of selected representatives of this new series of soluble ptc derivatives are reported.

Es werden metallische Kurzfasern, die durch ein Schnellerstarrungsverfahren direkt aus der Schmelze hergestellt werden, bezüglich ihrer Verwendung als hochporöser Absorber und als elektrisch leitfähige Strukturen in Verbundwerkstoffen vorgestellt. Auf der Basis einer schalldämpfenden hochporösen gesinterten Metallfaserstruktur und einer schalldämmenden Elastomerplatte wird ein neuartiges Schallschutzmaterial beschrieben. Die Theorie des homogenen Mediums ist für Absorber mit schichtartigen Aufbau erweitert und mit den gemessenen Absorberkennwerten verglichen worden. Weiterhin wird gezeigt, dass schmelzextrahierte metallische Kurzfasern in Polymerwerkstoffe eingelagert werden können, um einen elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff zu erhalten, der eine höhere Leitfähigkeit als rußgefüllte Polymere aufweist und eine preiswerte Alternative zu intrinsich leitenden Polymeren darstellt. Es werden die Herstellung und mechanische Eigenschaften des Metallfaserverbundwerkstoffes beschrieben. Das elektrische Verhalten des Faserverbundwerkstoffes wird anhand der Perkolationstheorie erläutert. Ausgehend von einem umfangreichen Überblick zu Möglichkeiten der Modellierung mechanischer und elektrischer Eigenschaften wird anhand geeigneter Modelle das reale Werkstoffverhalten beschrieben.