Anbaubegleitende spektral-optische Analysen direkt an der Pflanze haben zunehmend Bedeutung für die gartenbauliche Produktion. Veränderungen individueller Pflanzeninhaltsstoffe können mit Hilfe optischer Sensoren unmittelbar und beliebig oft erfasst werden, wodurch Pflanzenreaktionen auf veränderte Umgebungs- und Kulturbedingungen instrumentell messbar sind. Im Konzept eines Präzisionsgartenbau könnten diese zusätzlichen Informationen adaptiven Kulturmaßnahmen dienen und zur effizienten Nutzung von Ressourcen in der Produktion von Obst und Gemüse beitragen. Die wellenlängenspezifische Lichtabsorption pflanzlicher Gewebe ermöglicht zerstörungsfreie Reflexions- oder Transmissionsmessungen und die Adressierung von Pigmentgruppen im ultravioletten und sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Auf Grund veränderlicher Gehalte während des Wachstum und der Entwicklung pflanzlicher Gewebe, sind Pigmente zudem wichtige Indikatoren für den physiologischen Zustand von Obst und Gemüse. Präzise zerstörungsfreie Spektralanalysen werden allerdings durch komplexe optische Eigenschaften biologischen Materials, besonders im Hinblick auf die Reifeentwicklung von Obst und Gemüse erschwert. Zur Lösung dieser Problematik wurde ein neuer iterativer Ansatz (iMLR) entwickelt, der überlagerte in-situ und in-vivo Spektren individueller Pigmente aus einem Summenmessspektrum separiert. Dieser Algorithmus wurde in eine eigenständige Applikation überführt. Eine Datenbank enthält spektrale Signaturen von Chlorophyll a und b, Lycopin, β-Carotin, α-Carotin, Lutein und Violaxanthin. Obwohl die spektrale Analyse einzelner Pigmente durch optische Störgrößen in komplex aufgebauten biologischen Geweben und Pigmentgemischen erschwert ist, konnte ein neuer Ansatz erarbeitet und validiert werden. Diese Methode minimiert spektrale Überlagerung von in-situ und in-vivo aufgezeichneten Messsummensignalen und analysiert Pigmentgehalte in Farbstoffgemische zuverlässig. / Spectral measurements on plants have already been introduced in practice through extensive research and through the recent increase in the availability of low-cost devices. It can be expected that optical sensor systems may contribute to an economic and sustainable use of natural resources as a part of the concept for precision horticulture. In terms of phytomonitoring approaches, such technologies which address variable amounts of individual chromophoric plant components become more important. Their wavelength-selective light absorption makes pigments specifically responsive to reflection or transmission recordings in the ultraviolet and visible range of the electromagnetic spectrum. Additionally, pigments serve as indicators for physiological stages of leaf and fruit. Consequently, the instrumental recording of variable pigment contents has high potential with regards to dynamic plant-adapted processes during the production of fruit and vegetables. Solving the known issues of non-destructive spectroscopy, a new approach was figured out in the present work to obtain a more precise analysis of individual pigment contents, which vary during the cultivation of horticultural crops. The tool is based on an iterative algorithm (iMLR), that separates coinciding in-situ and in-vitro spectra from sum signals of individual pigments. Finally, the algorithm was integrated into a stand-alone application containing a library of chlorophyll a and b, as well as signatures of lycopene, β-carotene, α-carotene, lutein and violaxanthin. It can be pointed out that individual pigment compositions are suitable indicators of the physiological stage of horticultural products. However, the spectral analysis of single pigment levels is challenging due to complex interactions of coinciding absorption and diffuse light scattering in natural pigment mixtures or in fruit extracts. From this, an improved method for the reliable decomposition of spectral signals was developed.

Polymere Nanopartikel sind ein vielversprechender Ansatz für die Diagnose und Therapie von Krankheiten. Sie ermöglichen den Einsatz von schwerlöslichen oder instabilen Wirkstoffen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit das Targetings, durch gezielte Modifikationen des Nanopartikels wird der Wirkstoff zum Zielort transportiert und kann dort in der gewünschten Form freigesetzt werden; dadurch könnten bei erhöhter Wirksamkeit die Nebenwirkungen von Medikamenten reduziert werden. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von physikalischen und biochemischen Eigenschaften von Nanopartikeln bestehend aus einem abbaustabilen Polystyren- Kern und einer biologisch abbaubaren Schale aus Polybutylcyanoacrylat. Es werden Methoden beschrieben, um die Größe, Struktur und den Abbau dieser Wirkstoffträger zu untersuchen. Die untersuchten Nanopartikel zeigen RAYLEIGH-Streuung, sowohl Größe als auch Abbau können durch Messung des Absorptionsspektrums bestimmt werden. Weiterhin konnten diese Eigenschaften mit Hilfe von dynamischer und statischer Lichtstreuung sowie Neutronenkleinwinkelstreuung untersucht werden. Bei letzterer Methode konnte gezeigt werden, dass die Schale größtenteils abgebaut werden kann, während der Kern intakt bleibt. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde die Überwindung der Blut-Hirn-Schranke durch polymere Nanopartikel untersucht. Dabei wurde der fluoreszierende Thioflavine als Modellwirkstoffe eingesetzt. Das Durchdringen der Blut-Hirn-Schranke konnte nur mit Nanopartikeln erreicht werden, an deren Oberfläche ein Apolipoprotein E-Peptid gekoppelt war. Es konnte gezeigt werden, das die Nanopartikelschale im Gehirn abgebaut wird, der Wirkstoff freigesetzt wird und an Amyloid β, einem Marker der Alzheimer-Krankheit, bindet.

Dynamic light scattering (DLS) is a method to size submicron particles by measuring their thermal motion (diffusion) in suspensions and emulsions. However, the validity of the Stokes-Einstein equation that relates the diffusion coefficient and the particle size is limited to spherical particles and very low concentrations. Within this thesis, DLS is used for the characterization of suspensions of pyrogenic silica which consists of fractal-like aggregates composed of sintered spherical primary particles. These structural features clearly complicate the understanding of DLS experiments and have been a severe obstacle to employing DLS as routine standard tool for the characterization of pyrogenic silica. The main objective of this thesis is therefore to evaluate the application of DLS in product development and quality assurance of pyrogenic silica industry, what essentially means to identify those structural properties of fractal aggregates which are measurable with DLS and to quantify the method’s sensitivity to changes in these properties. The investigations presented here are split up into four parts, simulations that establish a relation between structural and hydrodynamic properties, experiments validating the simulation results, the characterization of concentrated suspensions and the application-oriented analysis of DLS data for specific industrially relevant measurement tasks. / Die Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine Messmethode zur Größenbestimmung submikroner Partikel. Dabei wird primär die stochastische Bewegung der Teilchen (Diffusion) in Suspensionen und Emulsionen bewertet. Die Stokes-Einstein Gleichung, die das Verhältnis zwischen gemessenem Diffusionskoeffizienten und Partikelgröße wiedergibt, ist jedoch nur für kugelförmige Teilchen, die in sehr niedriger Konzentration vorliegen, gültig. In der vorliegenden Arbeit wird die dynamische Lichtstreuung zur Charakterisierung von Suspensionen pyrogener Kieselsäure eingesetzt. Diese besteht aus fraktalen Aggregaten, die wiederum aus versinterten aber meist kugelförmigen Primärpartikeln zusammengesetzt sind. Diese strukturellen Eigenschaften erschweren die Anwendbarkeit der DLS bzw. die Interpretation der Messergebnisse und verhinderten bisher den Einsatz der DLS als Routinemethode zur Charakterisierung pyrogener Kieselsäuren. Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher eine Bewertung der Möglichkeiten der DLS für die Produktentwicklung und Qualitätssicherung in der Herstellung pyrogener Kieselsäuren. Das bedeutet im Besonderen, dass sowohl die messbaren granulometrischen Eigenschaften als auch die Sensitivität der Methode bei Eigenschaftsänderungen ermittelt werden müssen. Die hier durchgeführten Arbeiten sind in vier Teile gegliedert: Simulationen, die eine Beziehung zwischen strukturellen und hydrodynamischen Eigenschaften herstellen, Experimente zur Validierung der Simulationsergebnisse, die Charakterisierung konzentrierter Suspensionen und die anwendungsorientierte Auswertung von DLS-Daten für spezifische industrierelevante Messaufgaben.

The mechanochemical polycondensation between a diamine and a dialdehyde constitutes a sustainable alternative to classical solvent-based polymerization reactions. This process not only allows for a higher conversion and a shorter reaction time as compared to standard solvent-based syntheses of this conjugated polymer, but the reaction can also be adjusted by the energy introduced via the ball mill.

The mechanochemical polycondensation between a diamine and a dialdehyde constitutes a sustainable alternative to classical solvent-based polymerization reactions. This process not only allows for a higher conversion and a shorter reaction time as compared to standard solvent-based syntheses of this conjugated polymer, but the reaction can also be adjusted by the energy introduced via the ball mill.

Generating, miniaturizing and controlling spin waves on the nanometer scale is of great interest for magnonics. For instance, this holds the prospect of exploring wave-based logic concepts and reduced Joule heating, by avoiding charge transport, in spin-wave circuitry. In this work, a novel approach is for the first time confirmed experimentally, which allows confining spin-wave transport to nanometre-wide channels defined by magnetic domain walls. This is investigated for different domain wall types( 90deg and180deg Néel walls) in two material systems of polycrystalline Ni81Fe19 and epitaxial Fe. The study covers the thermal, linear and non-linear regime utilizing micro- focused Brillouin light scattering microscopy complemented by micromagnetic simulations. An initially linear dispersion dominated by dipolar interactions is found for the guided spin waves. These are transversally confined to sub-wavelength wide beams with a well-defined wave vector along the domain wall channel. In the non-linear regime, higher harmonic generation of additional spin-wave beams at the sides of the domain wall channel is observed. Furthermore, the possibility to shift the position of the domain wall over several microns by small magnetic fields is demonstrated, while maintaining its spin-wave channeling functionality. Additionally, spin-wave transmittance along domain walls, which change direction at the edges of the structure as well as between interconnected walls of identical and different type is studied. Characterization of spin-wave transmission through interconnected domain walls is an important step towards the development of magnonic circuitry based on domain wall(-networks). With respect to developing flexible and scalable spin-wave sources, the second part of this thesis addresses auto-oscillations in spin Hall oscillators (based on a Pt / Ni81Fe19 bilayer) of tapered nanowire geometry. In these systems, a simultaneous formation of two separate spin-wave bullets of distinct localization and frequency has been indicated. This spin-wave bullet formation is con- firmed experimentally and investigated for different driving currents. Subsequently, control over these bullets by injecting external microwave signals of varying frequency and power is demon- strated, switching the oscillator into single-mode operation. Three synchronized auto-oscillatory states are observed, which can be selected by the frequency of the externally imprinted signal. This synchronization results in linewidth reduction and frequency-locking of the individual bullet modes. Simultaneously the bullet-amplitude is amplified and is found to scale as P2/3 with the injected microwave power P. This amplification and control over position and frequency of the spin-wave bullets is promising for the development of microwave amplifiers/detectors and spin- wave sources on the nanoscale based on spin Hall oscillators.:1 Introduction 1 2 Theoretical background 4 2.1 Energy density of thin film ferromagnets and domain(wall) formation 2.2 Magnetizationdynamicsinthinfilmferromagnets 11 2.2.1 Spin-wavedispersioninthelinearregime 13 2.2.2 Magnetizationdynamicsinthenon-linearregime 17 2.3 SpinHallOscillators 21 2.3.1 Spin Hall effect and spin transfer torque in a ferromagnet/heavy-metal bi- layersystem 21 2.3.2 Characteristics of magnetization auto-oscillations 25 2.3.3 Improvement of monochromaticity, coherence and output power by injec- tionlocking 28 3 Materials and Methods 31 3.1 ElectronBeamLithography,EBL 31 3.2 Ni81Fe19 microstructures 32 3.3 Femicrostructures 34 3.4 TaperedspinHalloscillators 35 3.5 Micro-focused Brillouin Light Scattering Spectroscopy, μBLS 36 3.5.1 μBLSspatialresolution 40 4 Experimental results 43 4.1 Spin-wave dynamics in multi-domain magnetic configurations 43 4.1.1 Spin-wave dynamics of 180◦ Néel walls in rectangular elements 44 4.1.2 Spin-wave dynamics of 90◦ Néel walls in square elements 63 4.1.3 Spin-wave dynamics of interconnected Néel walls in Fe wires 76 4.2 Auto-oscillationintaperedwiregeometries 88 4.2.1 Initial static magnetic configuration and effective field 89 4.2.2 Thermally excited dynamics and spectral properties 91 4.2.3 Direct microwave excitation of spin-wave dynamics 93 4.2.4 Auto-oscillatoryresponse 96 4.2.5 Microwaveamplificationandinjectionlocking 104 5 Summary and outlook 114 Own publications 118 Bibliography 120 Acknowledgement 141 A Appendix 143 A.1 Splitting process in magnetic domains confined by domain walls 143 A.2 reconfigurable remanent states in square structures stabilized by local ion irradiation 144 A.3 Domain wall displacements induced by a scanning laser beam 145 A.4 Magnetic Force Microscopy investigation of the domain wall type and width 147 A.5 Micromagnetic simulations: problem definition and analysis 149 A.6 Current dependence of auto-oscillations in the tapered SHO 152 A.7 Fabrication of Ni81Fe19 microstructures for spin waves in domain walls 153

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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und der Untersuchung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen neuartiger V-förmiger, formstabiler Mesogene zur Realisierung biaxial nematischer Mesophasen (Nb). Alle synthetisierten Verbindungen besitzen ein formtreues Oligo(phenylenethinylen)-Grundgerüst, an welches laterale Alkyloxyketten und verschiedene terminale Substituenten (z. B. -CN, O(CH2)nCOOEt, Pyridyle) angebunden wurden. Durch dieses spezielle Design erhält man ausschließlich nematische und keine höher geordneten flüssigkristallinen Phasen. Durch den Einsatz verschiedener zentraler heterozyklischer Kernbausteine konnten erfolgreich Öffnungswinkel zwischen 108.9° und 160° realisiert werden. Dabei zeigen Thiadiazolderivate stets enantiotrope Mesophasen, wobei im Hochtemperaturbereich eine uniaxiale Phase mit biaxialen Aggregaten vorliegt. Beim Abkühlen konnte bei etwa 50 °C mittels Polarisationsmikroskopie und dielektrischer Spektroskopie ein Übergang in die Nb-Phase nachgewiesen werden. Die erstmalige Beobachtung eines direkten Übergangs von der isotropen Phase in die Nb-Phase gelang durch den Einsatz von Benzo[1,2-b:4,3-b]dithiophen als Kernbaustein.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und der Untersuchung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen neuartiger V-förmiger, formstabiler Mesogene zur Realisierung biaxial nematischer Mesophasen (Nb). Alle synthetisierten Verbindungen besitzen ein formtreues Oligo(phenylenethinylen)-Grundgerüst, an welches laterale Alkyloxyketten und verschiedene terminale Substituenten (z. B. -CN, O(CH2)nCOOEt, Pyridyle) angebunden wurden. Durch dieses spezielle Design erhält man ausschließlich nematische und keine höher geordneten flüssigkristallinen Phasen. Durch den Einsatz verschiedener zentraler heterozyklischer Kernbausteine konnten erfolgreich Öffnungswinkel zwischen 108.9° und 160° realisiert werden. Dabei zeigen Thiadiazolderivate stets enantiotrope Mesophasen, wobei im Hochtemperaturbereich eine uniaxiale Phase mit biaxialen Aggregaten vorliegt. Beim Abkühlen konnte bei etwa 50 °C mittels Polarisationsmikroskopie und dielektrischer Spektroskopie ein Übergang in die Nb-Phase nachgewiesen werden. Die erstmalige Beobachtung eines direkten Übergangs von der isotropen Phase in die Nb-Phase gelang durch den Einsatz von Benzo[1,2-b:4,3-b]dithiophen als Kernbaustein.