Broadband Coherent Anti-Stokes Raman scattering (B-CARS) is an advanced Raman spectroscopy technique used to investigate the vibrational properties of materials. B-CARS combines the spectral sensitivity of spontaneous Raman scattering with the enhanced signal intensity of coherent Raman techniques. While B-CARS has been successfully applied in biomedicine for ultra-fast imaging of biological tissue, its potential in solid-state physics remains largely unexplored. This work delves into the challenges and adaptations necessary to apply B-CARS to crystalline materials and shows its potential as a powerful tool for high-speed, hyperspectral investigations. The theoretical part of this work covers inelastic light-matter scattering fundamentals and the signal generation process of B-CARS, with special attention given to the so-called Non-Resonant Background (NRB). This sample-unspecific signal amplifies the B-CARS intensity but also distorts the shape and position of the measured spectral peaks. A reliable NRB correction becomes crucial to retrieve precise spectral parameters containing information on the investigated material's crystallographic structure, defect density, and stress distribution. The first results chapter presents a practical guideline for an optimized workflow of sample preparation, measurement procedure, and data analysis. The influences of sample surfaces, focus positioning, and polarization sensitivity are discussed. The successful NRB removal is achieved by adapting an algorithm initially designed for biomedical purposes. The second chapter involves a transnational Round Robin investigating the same set of materials using different experimental setups. The influences of laser source, detection range, and transmission vs. epi detection are explored to optimize the experimental parameters. This work showcases applications such as high-speed, hyperspectral imaging of ferroelectric domain walls in LiNbO3, demonstrating the potential of B-CARS in the cutting-edge field of domain wall engineering. Additionally, imaging and polarization-sensitive measurements are shown for MoO3 flakes, paving the way for B-CARS investigations of 2D materials. The final chapter presents advanced techniques, such as Three-Color CARS and Time-Delay CARS, applied to crystalline materials. Three-Color CARS is especially promising, as it enhances the signal intensity for low-frequency Raman modes, which are particularly interesting for solid-state physics compared to the usual large-shift modes investigated in biomedical research. Meanwhile, Time-Delay CARS is sensitive to relaxation processes of vibrational and NRB states, enabling experimental NRB removal and lifetime measurements. Additionally, a neural network-based NRB removal method is presented, eliminating the need for a prior NRB spectrum and offering rapid computation. In summary, this work demonstrates the successful implementation of B-CARS for crystalline materials and provides a comprehensive guideline for the optimal experimental setup, workflow, and data processing. The application of B-CARS for imaging bulk crystalline materials, ferroelectric domain walls, and 2D structures shows promising possibilities for future research.

Following a 15-year-long investigation on graphene, two-dimensional (2D) carbon-rich conjugated frameworks (CCFs) have attracted growing research interest as a new generation of multifunctional materials. Typical 2D CCFs include 2D π-conjugated polymers (also classified as 2D π-conjugated covalent organic frameworks) and 2D π-conjugated metal–organic frameworks, which are characterized by layer-stacked periodic frameworks with high in-plane π-conjugation. These unique structures endow 2D CCFs with regular porosities, large specific surface areas, and superior chemical stability. In addition, 2D CCFs exhibit certain notable properties (e.g., excellent electronic conductivity, designable topologies, and defined catalytic/redox-active sites), which have motivated increasing efforts to explore 2D CCFs for electrochemical energy applications. In this Perspective, the structural features and synthetic principles of 2D CCFs are briefly introduced. Moreover, we discuss recent achievements in 2D CCFs designed for various electrochemical energy conversion (electrocatalysis) and storage (supercapacitors and batteries) applications. Particular emphasis is placed on analyzing the precise structural regulation of 2D CCFs. Finally, we provide an outlook about the future development of synthetic 2D CCFs for electrochemical applications, which concerns novel monomer design, chemical methodology/strategy establishment, and a roadmap toward practical applications.

Hf₁₋ₓZrₓO₂ (x ∼ 0.5–0.7) has been the leading candidate of ferroelectric materials with a fluorite crystal structure showing highly promising compatibility with complementary metal oxide semiconductor devices. Despite the notable improvement in device performance and processing techniques, the origin of its ferroelectric crystalline phase (space group: Pca2₁) formation has not been clearly elucidated. Several recent experimental and theoretical studies evidently showed that the interface and grain boundary energies of the higher symmetry phases (orthorhombic and tetragonal) contribute to the stabilization of the metastable non-centrosymmetric orthorhombic phase or tetragonal phase. However, there was a clear quantitative discrepancy between the theoretical expectation and experiment results, suggesting that the thermodynamic model may not provide the full explanation. This work, therefore, focuses on the phase transition kinetics during the cooling step after the crystallization annealing. It was found that the large activation barrier for the transition from the tetragonal/orthorhombic to the monoclinic phase, which is the stable phase at room temperature, suppresses the phase transition, and thus, plays a critical role in the emergence of ferroelectricity.

The anion-intercalation chemistries of graphite have the potential to construct batteries with promising energy and power breakthroughs. Here, we report the use of an ultrathin, positively charged two-dimensional poly(pyridinium salt) membrane (C2DP) as the graphite electrode skin to overcome the critical durability problem. Large-area C2DP enables the conformal coating on the graphite electrode, remarkably alleviating the electrolyte. Meanwhile, the dense face-on oriented single crystals with ultrathin thickness and cationic backbones allow C2DP with high anion-transport capability and selectivity. Such desirable anion-transport properties of C2DP prevent the cation/solvent co-intercalation into the graphite electrode and suppress the consequent structure collapse. An impressive PF6−-intercalation durability is demonstrated for the C2DP-covered graphite electrode, with capacity retention of 92.8% after 1000 cycles at 1 C and Coulombic efficiencies of > 99%. The feasibility of constructing artificial ion-regulating electrode skins with precisely customized two-dimensional polymers offers viable means to promote problematic battery chemistries.

Im Fokus dieser Arbeit standen zwei Ziele. Zum einem war es Forschungsgegenstand, dass Konzept der Zwillingspolymerisation auf germaniumhaltige, molekulare Vorstufen wie zum Beispiel Germylene, spirozyklische Germaniumverbindungen und molekulare Germanate zu erweitern und somit organisch-anorganische Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien darzustellen. Dazu wurden neuartige Germaniumalkoxide auf der Basis von Benzylalkoholaten, Salicylalkoholaten sowie Benzylthiolaten synthetisiert, charakterisiert und auf ihre Fähigkeit Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien über den Prozess der Zwillingspolymerisation zu erhalten studiert. Ein zweites Ziel dieser Arbeit war es, Beziehungen zwischen der Struktur und der Reaktivität dieser molekularen Vorstufen sowie deren Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Polymerisationsprodukte zu identifizieren und systematisch zu untersuchen. Hierfür wurden zum einen verschiedene Substituenten, welche unterschiedliche elektronische sowie sterische Eigenschaften aufweisen, an den aromatischen Einheiten der molekularen Vorstufen eingeführt. Die Effekte der Substituenten auf den Prozess der Zwillingspolymerisation und auf die Eigenschaften der Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien wurden für die Verbindungsklasse der Germanium(II)salicylalkoholate, der molekularen Germanate sowie der spiro-zyklischen Siliziumsalicylalkoholate untersucht. Spirozyklische Siliziumsalicylalkoholate, wie zum Beispiel 4H,4’H-2,2‘-Spirobi[benzo[d][1,3,2]dioxasilin], wurden im Rahmen dieser Arbeit mit einbezogen, da sie aufgrund ihres nahezu idealen Zwillingspolymerisationsprozesses geeignete Modelverbindungen für Reaktivitätsstudien darstellen. Zudem wurde der Einfluss der Substituenten auf die Charakteristika der aus den Kompositen beziehungsweise Hybridmaterialien erhaltenen Folgeprodukte (poröse Kohlenstoffmaterialien und oxydische Materialien) studiert. Des Weiteren wurde eine Serie von spirozyklischen Germaniumthiolaten, welche isostrukturell zu 4H,4’H-2,2‘-Spirobi[benzo[d][1,3,2]dioxasilin] sind, synthetisiert, um systematisch den Einfluss der Chalkogenide, Sauerstoff und Schwefel, in benzylständiger sowie phenylständiger Position auf deren Reaktionsvermögen im Polymerisationsprozess zu untersuchen. Die experimentellen Ergebnisse zu den Struktur-Reaktivitätsbeziehungsstudien wurden, soweit es jeweils durchführbar war, mittels quantenchemische Rechnungen validiert und die daraus gezogenen Schlüsse in die Diskussion zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse mit einbezogen.

Im Fokus dieser Arbeit stand die Methode Zwillingspolymerisation zur Synthese organisch-anorganischer Hybridmaterialien. Die simultane Zwillingspolymerisation wird als neues Konzept zur gezielten Herstellung homogener, nanostrukturierter Hybridmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung vorgestellt. Hierfür wurden die Zwillingsmonomere 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] und 2,2 Dimethyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin in einem Arbeitsschritt gemeinsam polymerisiert. Die erhaltenen Phenolharz-Siliciumdioxid/Dimethylsiloxan-Hybridmaterialien weisen aufgrund einstellbarer Syntheseparameter unterschiedliche Eigenschaftsprofile auf, die systematisch analysiert wurden. Die Charakterisierung der Produkte erfolgte mit Hilfe der Festkörper-NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, DSC, TGA-MS, sowie durch Extraktionsversuche und die Erzeugung und Analyse poröser Materialien. Neben der simultanen Zwillingspolymerisation wird die Synthese, Charakterisierung und thermisch induzierte Polymerisation literaturunbekannter Silicium-Spiroverbindungen mit einfach- oder zweifach substituierter Salicylalkohol-Einheit beschrieben. Hierbei wurden nanostrukturierte Hybridmaterialien mit teils hohem löslichen Anteil erhalten. Die Produktbildung wird in Abhängigkeit von der Entstehung und Weiterreaktion gefundener Chinonmethid-Strukturen diskutiert.

Es wurden verschiedene NMR-spektrokopische Messungen an flexiblen und chiralen MOFs durchgeführt. Zur Untersuchung der Porensysteme kamen 129Xe-NMR und 13C-NMR an adsorbiertem CO2 zum Einsatz, während die MOF-Gitter und ihre Wechselwirkungen mit adsorbierten Gastmolekülen mittels 13C- und 1H-MAS-NMR-Spektroskopie studiert wurden. Während DUT-8(Ni) Flexibilität zeigt, weist DUT-8(Cu) ein starres Gitter auf. Die Flexibilität der sogenannten Solid-Solutions hängt in ausgeprägter Weise vom Verhältnis der funktionalisierten bdc-Linker 2,5-bme-bdc und db-bdc ab. Dieses Verhältnis hat zudem einen großen Einfluss auf die Orientierung der adsorbierten CO2-Moleküle. Es wurde erstmals eine Methode vorgestellt, die den Festkörper-NMR-spektroskopischen Nachweis chiraler Seitengruppen in chiralen MOFs erlaubt, wie anhand des chiral modifizierten UMCM-1 (ChirUMCM-1) demonstriert wurde. Die Chiralität kann einen NMR-spektroskopisch messbaren Einfluss auf die intrinsische Dynamik des MOF-Gitters ausüben, wie am chiral modifizierten DUT-32 deutlich wurde, dessen chirale Seitengruppe selektiv 15N- und 13C-isotopenmarkiert wurde.

Die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Systemen begleitet von steigender Leistung und Funktionalität führt zur Erhöhung der Leistungsdichte. Um diesem Trend zu entsprechen, werden neue Entwärmungskonzepte benötigt, die wiederum neuartige Materialien und Materialverbünde fordern. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist deshalb die Konzentration auf die für den Wärmetransport entscheidenden Materialien. Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Methoden für die umfassende thermische Charakterisierung von den verschiedenen Materialien und Materialklassen, die in der Elektronikindustrie verwendet werden. Die Messsysteme wurden so entworfen und entwickelt, dass spezifische Anwendungsbedingungen berücksichtigt werden können, keine aufwändige Probenherstellung notwendig ist und gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist. Es wurden vier verschiedene Messsysteme innerhalb dieser Arbeit entwickelt und realisiert, die in ihrer Gesamtheit die Charakterisierung von fast allen Package-Materialien unter gewünschten Randbedingungen ermöglichen. Zahlreiche Materialien und Effekte wurden daraufhin im Rahmen dieser Arbeit mit den entwickelten Messsystemen untersucht und diskutiert. / The continuous miniaturization of electronic systems accompanied by increasing performance and functionality leads to an increase in power density. In order to comply this trend, new heat dissipation concepts are needed which demand new materials and material composites. An important aspect of this work is therefore the concentration on the materials that are decisive for the heat flow. This thesis deals with the development of Methods for comprehensive thermal characterization of the different materials and material classes used in the electronics industry. The measuring systems have been designed and developed in such a way that they enable to take into account specific application conditions, no costly sample preparation is necessary and at the same time high measuring accuracy is ensured. Four different measuring systems were developed and realized within this work, which, in their entirety, enable the characterization of almost all package materials under desired boundary conditions. Based on this, numerous materials and effects were investigated and discussed in the context of this work with the developed measurement systems.

Es wurden verschiedene NMR-spektrokopische Messungen an flexiblen und chiralen MOFs durchgeführt. Zur Untersuchung der Porensysteme kamen 129Xe-NMR und 13C-NMR an adsorbiertem CO2 zum Einsatz, während die MOF-Gitter und ihre Wechselwirkungen mit adsorbierten Gastmolekülen mittels 13C- und 1H-MAS-NMR-Spektroskopie studiert wurden. Während DUT-8(Ni) Flexibilität zeigt, weist DUT-8(Cu) ein starres Gitter auf. Die Flexibilität der sogenannten Solid-Solutions hängt in ausgeprägter Weise vom Verhältnis der funktionalisierten bdc-Linker 2,5-bme-bdc und db-bdc ab. Dieses Verhältnis hat zudem einen großen Einfluss auf die Orientierung der adsorbierten CO2-Moleküle. Es wurde erstmals eine Methode vorgestellt, die den Festkörper-NMR-spektroskopischen Nachweis chiraler Seitengruppen in chiralen MOFs erlaubt, wie anhand des chiral modifizierten UMCM-1 (ChirUMCM-1) demonstriert wurde. Die Chiralität kann einen NMR-spektroskopisch messbaren Einfluss auf die intrinsische Dynamik des MOF-Gitters ausüben, wie am chiral modifizierten DUT-32 deutlich wurde, dessen chirale Seitengruppe selektiv 15N- und 13C-isotopenmarkiert wurde.

Oxidische Materialien bieten ein weites Spektrum an möglichen Anwendungen. Vor allem Isolatoren mit Perowskitstruktur eignen sich hervorragend für die optische Datenverarbeitung und -speicherung. Andere, leitende, Oxide können für die magnetische Datenspeicherung eingesetzt werden. Vorraussetzung für den praktischen Einsatz der Werkstoffe sind jedoch grundlegende Kenntnisse über deren mikroskopischen Eigenschaften und ablaufende Prozesse. Mittels Photoelektronen- und Röntgenspektroskopie können Aussagen über die elektronische Struktur getroffen werden. Die noch junge Methode der Fluoreszenz weicher Röntgenstrahlung (SXF) wurde zur Charakterisierung der elektronischen Struktur hinzugezogen. SXF-Messungen wurden an der Beamline 8.0.1 am ALS in Berkeley, Kalifornien, durchgeführt. An der Modellsubstanz MgO wurden Röntgenabsorptions- und Röntgenemissionsspektren an der Sauerstoffkante erstellt. Es zeigt sich eine hervorragende Übereinstimmung mit Modellrechnungen. Ein Bandmapping unter Ausnutzung von Resonanzphänomenen, ähnlich wie in Graphit, scheint jedoch nicht möglich zu sein. In TiO2 wurde das Ti 3d Niveau untersucht. Die Emissionsspetkren zeigen Verluststrukturen, deren Feinstruktur mit der berechneten rJDOS nachvollzogen werden konnte. In KNbO3 wurde der Beitrag der Nb 5p und O 2p-Zustandsdichte zum Valenzband untersucht. Es wurde versucht, die Anregungsenergieabhängigkeit der O 2p-Emissionsspektren mit der Bandstruktur in Verbindung zu bringen. In KTaO3 wurde erstmals der Ta 5d-pDOS-Anteil am Valenzband direkt nachgewiesen. Zudem weisen die anregungsenergieabhängigen Emissionsspektren Verluststrukturen auf, die auf eine O 2p-Ta 5d Interbandanregung schließen lassen. An Sr2FeMoO6 wurden erstmals XES-Messungen zur Bestimmung der elektronischen Struktur durchgeführt. Es zeigen sich hybridisierte O 2p-Mo 4d Zustände, die Leitungselektronen haben einen leichten Fe-Charakter. Eine gute Übereinstimmung mit Bandstrukturrechnungen wird beobachtet. Für photorefraktive Material Sn2P2S6 wurde die elektronische Struktur mittels XPS, XES und FP-LAW-Rechnungen detailliert bestimmt. An Fe-dotiertem Ba0.77Ca0.23TiO3 wurde mittels XPD unter erstmaliger Erstellung von Azimuthalspektren der Einbauplatz von Ca verifiziert und der Einbauplatz von Eisen bestimmt. Für beide Elemente ergibt sich ein vollständiger bzw. überwiegender Einbau auf dem Ba-Platz.