Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen der atomaren Struktur und des elektrischen Widerstands an in-situ hergestellten amorphen Na-Sn-Legierungen im Temperaturbereich 2K < T < 500K vorgestellt. Zur Herstellung der hochreaktiven duennen Schichten wird eine neu entwickelte Praeparationsmethode unter Reinstgasatmosphaere und Ultrahochvakuum benutzt. Die Messungen muessen im UHV durchgefuehrt werden. In amorphem Na-Sn gibt es zwei im Sinne von Hume-Rothery bzw. Peierls elektronisch stabilisierte Bereiche, die jeweils einer Phase zugeordnet werden koennen. In Phase I (0 <= x <= 50) koennen sich die Atome nur durch eine Erhoehung der Atomzahldichte, was einer Volumenverkleinerung entspricht, in die Friedelminima des Paarpotentials legen. Dazu gibt das Na sein aeusseres Elektron ab und verkleinert damit seinen Radius. Der zweite Peak im Strukturfaktor S(K) verschiebt hier parallel zum Durchmesser der Fermikugel und ist damit der elektronisch induzierte. Der Peak liegt sehr nahe beim Fermikugeldurchmesser. Dadurch ergeben sich starke Anomalien im elektronischen Transport, im mittleren Konzentrationsbereich macht das System sogar einen Metall-Isolator-Uebergang. In Phase II (60 <= x <= 73) liegen die Atome ohne Aenderung des Volumens in den Friedelminima. In der vorliegenden Arbeit wird davon ausgegangen, dass das Na eine Umgebung aufbaut bzw. findet, die der des reinen Na nahekommt. In Phase II ist der erste Peak in S(K) der elektronisch induzierte. Das System verhaelt sich hier aehnlich wie vergleichbare Edelmetall- Polyvalentelement-Legierungen, bei einer effektiven Valenz Z = 1.8e/a fallen der Peak und der Fermikugeldurchmesser exakt zusammen. In dieser Phase tritt aber in S(K) ein Prepeak bei kleinen Streuvektoren auf. In der elektronischen Zustandsdichte ergibt sich ein Pseudogap bei der Fermienergie und das Material wird ein schlechtes Metall. Im Ueberlappungsbereich (50 < x < 60) koexistieren beide Phasen nebeneinander. Dies wird durch ein in zwei Abstaende aufgespaltenes erstes Maximum in der Atomverteilungsfunktion deutlich. Die Atome besetzen durch ihre Umverteilung von der einen zur anderen Phase scheinbar auch die Positionen zwischen den Friedelminima.

Im vergangenen Jahr wurden die Forschungsprofillinien der Technischen Universität Chemnitz erneut auf den Prüfstand gestellt. Ein ausführlicher Diskussionsprozess in allen Fakultäten, in der Kommission für Forschung und Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses sowie im Rektoratskollegium hat mit der Bestätigung folgender sechs Forschungsprofillinien durch den Senat der TU Chemnitz Anfang des Jahres 2005 seinen vorläufigen Abschluss gefunden: 1. Neue Materialien und neue Werkstoffe 2. Ganzheitliche Produktion 3. Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik 4. Kundenorientierte Gestaltung von vernetzten Wertschöpfungsketten 5. Kommunikation, Medien, Technik 6. Modellierung, Simulation, Hochleistungsrechnen Die vorliegende Sonderausgabe des Universitätsmagazins “TU-Spektrum” widerspiegelt die Breite der untersuchten Fragestellungen in den sechs Profillinien. Diese Publikation soll außerdem dazu beitragen, die wissenschaftliche Diskussion innerhalb und außerhalb der TU anzuregen. Weitere Informationen zur Forschung an der TU Chemnitz finden Sie im Internet unter www.tu-chemnitz.de. Zudem ist der Bereich Wissenschaftliche Dienste Ihr erster Ansprechpartner, wenn es um die Vermittlung von Forschungsleistungen der TU sowie um Forschungskooperationen geht.

Biological hydrogels such as collagen and gelatin are highly attractive materials for tissue engineering and biomedicine. Due to their excellent biocompatibility and biodegradability, they represent promising candidates in regenerative medicine, cell culture, tissue replacement and wound dressing applications. Thereby, precisely tuned material properties are indispensable for customization. High-energy electron-treatment is a highly favourable crosslinking technique to tailor the material properties. In five sub-projects, this thesis investigates the potential of high-energy electron-treatment to precisely modify collagen hydrogels, to develop thermo- as well as hydration-sensitive systems and functional surfaces from gelatin for biomedical applications. The first sub-project focusses on the modification of collagen hydrogels by electron-induced crosslinking with potential application as biomimetic extracellular matrix material. Thereby, it is shown that the material properties can be precisely tailored by adapting electron-induced crosslinking while high cytocompatibility is maintained. Within the second sub-project, an electron-crosslinking-induced shape-memory effect in gelatin is described in order to develop a thermo-responsive system. The effect is described experimentally as well as theoretically to demonstrate the fundamental physical processes. The third sub-project develops an electroncrosslinked hydration-sensitive gelatin system. The work discusses how swelling of electroncrosslinked gelatin is influenced by the pH-value and salt concentration of the swelling liquid. Thereby, response of the hydration-sensitive gelatin system can be further modified towards biological actuatoric systems. The fourth sub-project develops a two-step process to mechanically pattern gelatin surfaces. Within the first step, thin gelatin surfaces are mechanically patterned by a highly focussed electron beam. In a second step, they are stabilized by homogeneous electron-crosslinking for applications at physiological conditions. Another method to develop functional gelatin surfaces is described in the last sub-project. Here, gelatin is topographically patterned via a moulding technique. The resulting micro-structures are then stabilized via electron-crosslinking. In addition, the presented work investigates pattern transfer, long time stability at physiological conditions as well as cytocompatibility.:1 Introduction and Objective 1.1 Biomimetic ECM Models 1.2 Stimuli-Responsive Hydrogels 1.3 Functional Hydrogel Surfaces 2 General Background 2.1 Hydrogels 2.1.1 Collagen 2.1.2 Gelatin 2.2 Polymer Crosslinking 2.2.1 High-Energy Electron-Treatment of Polymers 2.2.2 Electron-Irradiation-Induced Crosslinking of Gelatin 2.3 High-Energy Electron Accelerator 3 Cumulative Part 3.1 High-Energy Electron-Induced Modification of Collagen 3.2 Thermo-Responsive Gelatin System 3.3 Hydration-Responsive Gelatin System 3.4 Mechanically Patterned Gelatin Surfaces 3.5 Topographically Patterned Gelatin Surfaces 4 Summary and Conclusion 5 Outlook Bibliography Author Contributions List of Abbreviations List of Figures Acknowledgements Scientific Curriculum Vitae Publication List Selbstständigkeitserklärung / Biologische Hydrogele wie Kollagen und Gelatine sind wichtige Materialien vor allem in biomedizinischen Anwendungsbereichen. Durch deren exzellente Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit werden sie vor allem bei der Züchtung von biomimetischem Gewebe, in der Zellkultur, als Gewebeersatz in der regenerativen Medizin oder auch als Wundverband eingesetzt. In der Verwendung solcher Materialien besteht eine wesentliche Herausforderung darin, deren Eigenschaften so präzise wie möglich einzustellen, um speziell angepasste Substrate und Gewebe entwickeln zu können. Eine äußerst vorteilhafte Methode zu Adaptierung der Materialeigenschaften ist die elektronenstrahlbasierte Vernetzung, die auf die Verwendung zusätzlicher chemischer Vernetzer verzichtet. Die vorgelegte Arbeit untersucht in fünf Teilprojekten das Potential von Elektronenstrahlvernetzung zur Modifizierung von Kollagen- sowie Gelatinehydrogelen für biomedizinische Anwendungen. Das erste Teilprojekt fokussiert sich auf die Auswirkungen hochenergetischer Elektronen auf Kollagenhydrogele und deren Eigenschaften für potentielle Anwendungen als biomimetisches Modell der extrazellulären Matrix. Dabei wird gezeigt, dass sich die Materialeigenschaften in Abhängigkeit der Elektronenbestrahlung präzise einstellen lassen und dass diese Gele eine hohe Zellkompatibilität aufweisen. Das zweite Teilprojekt beschreibt den Effekt des thermischen Formgedächtnisses in Gelatine nach Elektronenstrahlvernetzung und dessen Potential für die Entwicklung biologischer Aktuatoren. Die Effizienz des Formgedächtniseffekts wird in diesem Teilprojekt ausführlich theoretisch beschrieben und mit experimentellen Untersuchungen an Gelatine verglichen. Im dritten Teilprojekt wird ein elektronenstrahlvernetztes, hydrations-responsives Gelatinesystem beschrieben. Zusätzlich wird der Einfluss von pH-Wert und Salzkonzentration der Quelllösung auf das Quellen von elektronenstrahlvernetzter Gelatine untersucht um das Reaktionsverhalten noch präziser einstellen zu können. Das vierte Teilprojekt beschreibt einen Zwei-Schritt-Prozess, bei dem dünne Gelatineschichten mittels hochenergetischer Elektronen mechanisch funktionalisiert werden können. Dabei wird in einem ersten Schritt die Oberfläche durch hoch fokussierte Elektronen mechanisch strukturiert, um im zweiten Schritt mittels homogener Elektronenstrahlvernetzung für die Anwendung unter physiologischen Bedingungen stabilisiert zu werden. Eine weitere Methode zur Funktionalisierung der Oberfläche von Gelatinehydrogelen wird im letzten Teilprojekt dieser Arbeit dokumentiert. Dabei werden topographische Mikrostrukturen auf Gelatineoberflächen aufgebracht und mittels Elektronenstrahlvernetzung stabilisiert. Dieses Teilprojekt untersucht zusätzlich den Strukturtransfer, die Langzeitstabilität unter physiologischen Bedingungen sowie die Zellkompatibilität.:1 Introduction and Objective 1.1 Biomimetic ECM Models 1.2 Stimuli-Responsive Hydrogels 1.3 Functional Hydrogel Surfaces 2 General Background 2.1 Hydrogels 2.1.1 Collagen 2.1.2 Gelatin 2.2 Polymer Crosslinking 2.2.1 High-Energy Electron-Treatment of Polymers 2.2.2 Electron-Irradiation-Induced Crosslinking of Gelatin 2.3 High-Energy Electron Accelerator 3 Cumulative Part 3.1 High-Energy Electron-Induced Modification of Collagen 3.2 Thermo-Responsive Gelatin System 3.3 Hydration-Responsive Gelatin System 3.4 Mechanically Patterned Gelatin Surfaces 3.5 Topographically Patterned Gelatin Surfaces 4 Summary and Conclusion 5 Outlook Bibliography Author Contributions List of Abbreviations List of Figures Acknowledgements Scientific Curriculum Vitae Publication List Selbstständigkeitserklärung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von porösen Kohlenstoffmaterialien. Zum einen werden poröse Kohlenstoffe (C) für die Anwendung in Siliziumcarbid (SiC) faserverstärkten Verbundwerkstoffen (SiC/C) untersucht, deren Kohlenstoffmatrix definierte Porengrößen im einstelligen Mikrometerbereich aufweisen sollen, um anschließend über das Flüssigsilizierverfahren (LSI) eine stöchiometrische Umsetzung dieser mit flüssigen Silizium zu einer Siliziumcarbid-Matrix zu gewährleisten. Erhalten wird ein keramischer SiC/SiC-Faserverbundwerkstoff, der aufgrund seiner Beständigkeit in Hochtemperatur-Sauerstoffatmosphäre, für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt geeignet ist. Für dieses Ziel wurden verschiedene Kohlenstoffprecursoren, die Resole, Novolake und stickstoffhaltigen Phenolharze unter Zugabe von β-Naphthol, entwickelt. Darüber hinaus lag der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Herstellung von porösen Kohlenstoffschäumen. Dafür wurden organische Carbonate dargestellt, deren Substituenten einer Stufenwachstumspolymerisation befähigt sind. In der Schmelze polymerisieren diese Säure-katalysiert und setzen dabei Kohlenstoffdioxid frei, welches gleichzeitig das Polymer schäumt. Die Zugabe eines geeigneten Tensides stabilisiert die Kohlenstoffdioxidblasen und generiert Schäume unter einer hohen Volumenexpansion. Die organischen Carbonate wurden zudem simultan mit Zwillingsmonomeren kationisch polymerisiert um einen Hybridmaterialschaum zu synthetisieren, der anschließend in hierarchisch strukturierte poröse Kohlenstoff- und Siliziumdioxidschäume umgewandelt werden kann. Neben klassischen Methoden zur Aufklärung der molekularen Strukturen, wie der Kernspinresonanz- (NMR) und Infrarot (IR)-Spektroskopie, wurden Morphologie und Porosität mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (REM) beziehungsweise Stickstoffsorption und Quecksilberporosimetrie untersucht. Überdies kamen DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) und TGA (Thermogravimetrische Analyse) zur Untersuchung des thermischen Verhaltens der Monomere und Polymere zum Einsatz.:1 Einleitung 2 Motivation und Zielsetzung 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Poröse Materialien und deren Charakterisierung 3.1.1 Einteilung nach der Porengröße 3.1.2 Einteilung nach der Porenmorphologie 3.1.3 Beschreibung und Bestimmung von der Porosität 3.1.4 Charakterisierung von Mikro- und Mesoporen 3.2 Herstellung von porösen Kohlenstoff- und Siliziumdioxidmaterialien 3.2.1 Harttemplatsynthesen 3.2.2 Weichtemplatsynthesen 3.2.3 Gelsynthesen und Emulsionstechniken 3.2.4 Schäumungsprozesse 3.2.5 Hybridmaterialien 3.2.6 Zwillingspolymerisation 3.2.7 Hierarchisch strukturierte Kohlenstoffmaterialien mittels Zwillingspolymerisation 3.3 Verwendung von porösen Kohlenstoffmaterialien 3.3.1 SiC/SiC-Faserverbundwerkstoffe 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Synthese von Phenolharzen als Kohlenstoffprecursoren für SiC/C Faserverbundwerkstoffe 4.1.1 Anforderungen an die Kohlenstoffprecursoren für eine SiC-Matrix 4.1.2 Resole 4.1.3 Novolake und stickstoffhaltige Phenolharze 4.1.4 Molmassen 4.1.1 DSC- und Rheologie-Untersuchungen 4.1.2 Aushärtung der flüssigen Harzformulierungen 4.1.2.1 13C-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.1.3 Herstellung von Kohlenstoffen 4.1.4 Untersuchung der Morphologie und Porosität 4.1.4.1 Ausgehärtete Harze 4.1.4.2 Kohlenstoff 4.1.5 Herstellung und Charakterisierung der SiC/C-Faserverbundwerkstoffe 4.1.6 Untersuchung zur Struktur des Kohlenstoffs 4.1.7 Silizierung der Kohlenstoffe 4.1.8 Porosität durch Catecholoxalat 4.2 Kationische Polymerisation von organischen Carbonaten 4.2.1 Synthese organischer Carbonate 4.2.2 Polymerisationsverhalten organischer Carbonate 4.2.3 Kationische Polymerisation organischer Carbonate 4.2.4 Molmassen und thermisches Verhalten 4.2.5 Morphologie der Polymerschäume 4.2.6 Molekulare Struktur 4.2.7 Poröse Kohlenstoffe 4.3 Simultane Polymerisation von organischen Carbonaten und Zwillingsmonomeren 4.3.1 Theoretische Betrachtungen 4.3.2 Polymerisationsverhalten der Monomermischungen 4.3.3 Variation der Reaktionsbedingungen 4.3.4 Morphologie der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume 4.3.5 Molekulare Struktur der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume 4.3.5.1 13C {1H} CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.3.5.2 29Si-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.3.5.3 ATR-FTIR-Spektroskopie 4.3.5.4 Extraktionsversuche der Hybridmaterialien 4.3.5.5 Elementverteilung mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie 4.3.6 Herstellung poröser Kohlenstoff- und SiO2-Schäume aus Hybridmaterialschäumen 4.3.6.1 Zusammensetzung des Hybridmaterial- und C/SiO2-Schaums 4.3.6.2 Morphologie der Kohlenstoff- und SiO2-Schäume 4.3.7 Porositätsuntersuchungen an porösen Kohlenstoff- und SiO2-Schäumen 4.3.7.1 Stickstoffsorption 4.3.7.2 Quecksilberporosimetrie 5 Zusammenfassung und Ausblick 6 Experimenteller Teil 6.1 Chemikalien 6.2 Charakterisierungsmethoden 6.3 Synthesen 6.3.1 Herstellung von Resolen 6.3.2 Herstellung eines Novolaks 6.3.3 Herstellung eines stickstoffhaltigen Phenolharzes 6.3.4 Herstellung einer flüssigen Harzmischung 6.3.5 Aushärtung der flüssigen Harze und Harzmischungen 6.3.6 Pyrolyse der ausgehärteten Phenolharze und Harzmischungen 6.3.7 Herstellung von SiC-faserverstärkten Kohlenstoffen (SiC/C) 6.3.8 Silizierung von Kohlenstoffen 6.3.9 1,1'-methylenebis(naphthalen-2-ol) 6.3.10 Catecholoxalat 6.3.11 Bis(furan-2-ylmethyl) carbonat (Difurfurylcarbonat DFC) 6.3.12 Bis(p-methoxybenzyl) carbonat (pC) 6.3.13 Bis(m-methoxybenzyl) carbonat (mC) 6.3.14 Tetrafurfuryloxysilan (TFOS) 6.3.15 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] (Spiro) 6.3.16 Polymerisation von mC, pC und DFC 6.3.17 Simultane Polymerisation von Carbonaten mit Zwillingsmonomeren 6.3.18 Extraktion 6.3.19 Pyrolyse der Organik/SiO2-Hybridmaterialien 6.3.20 Siliziumdioxid-Ätzen 6.3.21 Oxidation der Organik/SiO2-Hybridmaterialien 6.3.22 Oxidation der Kohlenstoff/SiO2-Materialien Anhang Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Persönliche Daten Ausbildung und beruflicher Werdegang Liste der Publikationen, Vorträge und Posterpräsentationen

Hybrid materials consisting of three different components were synthesized by the polymerization of one heterotrifunctional monomer in just one reaction step using, at the most, one catalyst. The polymerization of 2-furfuyloxy-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasiline leading to a hybrid material consisting of phenolic resin, poly(furfuryl alcohol), and polymethylsilsesquioxane is, to the best of our knowledge, the first polymerization of this kind. The influence of different catalysts on the polymerization behavior and thus on the structure of the hybrid material was investigated. In accordance with the term “twin polymerization”, which is used for the polymerization of one monomer yielding two separate polymers, this type of polymerization could be called “triple polymerization”. The term “multiple polymerization” is introduced as a general term for the underlying concept of the synthesis of multiple polymers starting from one monomer in one process step. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchung der gekoppelten Einflüsse ‎von Gasart, Porengröße und Porengrößenverteilung auf die effektive ‎Wärmeleitfähigkeit nicht-durchströmter poröser Materialien (Dämmstoffe). Diese ‎Zusammenhänge sind bisher nur ansatzweise bekannt und für eine spätere ‎praktische Anwendung von zunehmend großer Bedeutung. Um dies zu erreichen ‎wurden 12 verschiedene hoch poröse Materialien (Porosität höher als 70 %) ‎ausgewählt, die unterschiedlichen Porengrößenverteilungen im Makro- Mikro- und ‎Nanobereich haben. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde hauptsachlich in zwei ‎unterschiedlichen Messverfahren untersucht. Die Messungen erfolgt bei normalem ‎Druck in vier Gas Atmosphären ‎(Kr, Ar, N2 and He) bei Temperaturen bis maximal 900 °C. Kritische Analyse zum ‎jeweiligen Messverfahren und Auswertungsalgorithmus wurden durchgeführt. Ein ‎mathematisches Model basiert auf die Porengrößenverteilung mit Berücksichtigung ‎des Knudsen Effekts wurde entwickelt um die Änderung der effektiven ‎Wärmeleitfähigkeit beim Wechsel der Gas Atmosphäre auszuwerten. Diese führt zu ‎besser Ergebnisse als die ausgewertet Ergebnisse von den vorhandenen Modellen ‎aus der Literatur. ‎ / In the present work, the influences of exchanging the filling gas accompanied with Knudsen effect on effective thermal conductivity were investigated with experiments and physical mathematical modeling. This work is thought to be the first intensive study in this area of the research, which includes twelve different porous insulation materials. Analysis of the huge number of experimental results leaded to new observations regarding various coupling effects. An improved model for predicting the change in effective thermal conductivity due to exchanging the filling gas has been developed with regards to the Knudsen effect based on models for rarefied gases and parallel arrangements models for effective thermal conductivity.

In der vorliegenden Arbeit wurden Bor- und Siliziumzwillingsmonomere mit Salicylalkohol und Methoxybenzylalkohol als Reaktanden synthetisiert. Die erhaltenen Verbindungen wurden mittels spektroskopischer Methoden charakterisiert und anhand von thermischen Analysemethoden umfassend hinsichtlich ihrer Polymerisierbarkeit untersucht. Durch die Kombination verschiedener Monomere in der Simultanen Zwillingspolymerisation gelang es, organisch-anorganische, nanostrukturierte Hybridmaterialien herzustellen. Die säure- und basenkatalysierte Simultane Zwillingspolymerisation von 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] und 2,2’-disubstituierten 4H-1,3,2-Benzodioxasilin-Zwillingsmonomeren ermöglichte es, Hybridmaterialien bestehend aus Siliziumdioxid, Polysiloxan und Phenolharz zu synthetisieren. Der Einfluss der verschiedenen Substituenten am Silizium auf die Ausbildung des anorganischen Netzwerkes wurde mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der Hybridmaterialien wurden mittels Nanoindentation analysiert. Das Tetra-n-butylammonium-bis(ortho-hydroxymethylphenolato)borat wurde gemeinsam mit 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] zu einem Hybridmaterial aus Siliziumdioxid, Boroxid und Phenolharz umgesetzt. Hier erfolgte die Aufklärung der molekularen Struktur neben der Festkörper-NMR-Spektroskopie vorwiegend mittels IR- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Die erhaltenen Materialien wurden mittels TGA-Messungen an Luft und UL94 hinsichtlich ihrer Eignung als Flammschutzmaterialien untersucht. Die Herstellung von Siliziumdioxid/Boroxid/Anisolharz-Hybridmaterialien gelang durch die Alternierende Simultane Zwillingspolymerisation von methoxysubstituierten Zwillingsmonomeren. Hierbei stand die Kombination von Monomeren mit unterschiedlichen Reaktivitäten bezüglich der Carbeniumionenstabilität und der pi-Nukleophilie im Vordergrund, um den Einfluss auf das Reaktionsverhalten und die Produktbildung zu untersuchen. Weiterhin wurden aus den Hybridmaterialien zudem poröse Kohlenstoffe und Oxide hergestellt und deren Eigenschaften mittels Stickstoffsorptionsmessungen analysiert.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese von Germanium- und Siliciumverbindungen ausgehend von chelatisierenden Aminoalkoholen [XC6H3(CH2Y)-2-R1-4-R2-6; unterschiedliches Substitutionsmuster mit X = OH und Y = NHR3 bzw. X = NHR3 und Y = OH; R1 = H, Me, Br; R2 = H, t-Bu, CH2Tipp; R3 = Alkyl, Aryl], Diaminen [EtHNC6H4(CH2NHPr)-2] bzw. Diolen [HOC6H3(CH2OH)-2-R4-6; R4 = H, t-Bu] beschrieben. In den Synthesen der Germanium- und Siliciumverbindungen werden verschiedene Strukturmotive erhalten. Neben den vierwertigen z.T. spirocyclischen Germanium- und Siliciumverbindungen werden zudem zweiwertige Analoga u.a. Germylene und ein Cyclotetrasilan vorgestellt. Darüber hinaus werden Synthesewege von Fluorido- und Hydridosilikaten, die ein fünffach koordiniertes Siliciumatom enthalten, aufgezeigt. Die Verbindungen wurden durch NMR-Spektroskopie sowie Infrarotspektroskopie und hinsichtlich ihres thermischen Verhaltens durch TGA- und DSC-Messungen charakterisiert. In ausgewählten Fällen erfolgte die Bestimmung der Molekülstrukturen im Festkörper mittels Einkristallröntgenstrukturanalysen. Neben der Synthese von Molekülverbindungen wird die Darstellung von Kompositmaterialien vorgestellt, wobei die molekularen Verbindungen als Präkursoren verwendet wurden. So wird die Zersetzung von Germaniumamidoalkoxiden unter Argonatmosphäre zu Ge@C Materialien (Germaniumgehalt bis 41 %) vorgestellt. Außerdem ist die Fluorid-initiierte Zwillingspolymerisation ausgehend von den in dieser Arbeit synthetisierten Fluoridosilikate zur Darstellung organisch-anorganischer Hybridmaterialien, bestehend aus einem Phenolharznetzwerk und Siliciumdioxid, beschrieben. Die Nachbehandlung der Hybridmaterialien liefert mikroporösen Kohlenstoff (BET Oberflächen bis 1220 m2∙g-1) und fluoridhaltiges mesoporöses Siliciumdioxid (BET Oberflächen bis 690 m2∙g-1). Die Hybrid- bzw. Kompositmaterialien wurden mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie, Pulverröntgendiffraktometrie, Stickstoffadsorptionsmessungen sowie Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie analysiert.

Thermal management is a major bottleneck for the next-but-one generation of semiconductor devices, especially the performance of SiC and GaN devices is limited by heat dissipation. This thesis evaluates four new packaging concepts with regards to thermal management: Diamond based substrates, phase change materials, Cu-Graphene composite films and anisotropic heat dissipation. Anisotropic heat dissipation is shown to be the most auspicious concept. A metal-matrix composite baseplate for a high performance power module using annealed pyrolytic graphite is created and evaluated. The baseplate shows a locally increased heat dissipation compared to a plain metal baseplate by 30 %. Furthermore, the thermal contact between device (baseplate) and cooler is of high importance. A study of different characterization methods for thermal interface materials is performed and a new method for the quantification of the thermal contact conductance is presented. The study shows that a combination of several methods is necessary so that the complete picture of heat dissipation performance of thermal interface materials becomes apparent. The new developed method allows to select the perfect thermal grease for a given combination of device and cooler. / Wärmemanagement ist eine große Herausforderung sowohl für aktuelle als auch für zukünftige Halbleiterprodukte. Speziell die nächste Produktgeneration mit SiC oder GaN Chips benötigen neue Entwärmungskonzepte, um ihr volles Potential bezüglich höherer Stromstärken zu entfalten. In dieser Arbeit wurden vier neuartige Konzepte erforscht: Diamant basierte Substrate, Phasen-Wechsel-Materialien, Cu-Graphene Kompositschichten und anisotrope Entwärmung. Es zeigte sich, dass anisotrope Entwärmung das vielversprechendste Konzept ist. Als Demonstrator wurde eine Bodenplatte mit thermisch pyrolytischen Graphiteinleger für ein Leistungsmodul gefertigt. Sie zeigt eine lokale Erhöhung der Entwärmung von 30 %. Weiter ist der thermische Kontakt zwischen Bauteil und Kühler sehr wichtig. Verschiedene Charakterisierungsmethoden für thermische Schnittstellen-Materialien wurden verglichen. Dieser Vergleich zeigt, dass eine Kombination verschiedener Methoden notwendig ist, um ein vollständiges Bild über die Leistungsfähigkeit solcher Materialien zu gewinnen. Eine neue Messmethode wurde entwickelt, um die thermische Kontakt-Leitfähigkeit zu messen. Diese neue Methode ermöglicht es, die beste Wärmeleitpaste für eine vorgegebene Kombination aus Produkt und Kühleroberfläche zu identifizieren.

The radioactivity induced by neutrons in the materials of future fusion devices represents a central topic of safety- and environmental-related investigations. For the design and operation of future fusion devices, like the International Experimental Thermonuclear Reactor ITER or power plants like DEMO, the activation performance of the materials during operation and after shut-down has to be simulated. The European Activation System (EASY), consisting of the inventory code FISPACT and the activation library EAF, is the world wide reference system for these calculations. The activation of the fusion reactor materials, as well as the EASY system have to be tested experimentally. In the present work several samples of materials from the European fusion technology program were irradiated in neutron fields of DT neutron generators at TU Dresden and at Sergiev Posad near Moscow. The radioactivity following irradiation was determined several times during decay by ?×-spectroscopy. The results are analysed with EASY and ratios of the calculated-to-experimental activation (C/E) are determined, to find limits for the experimental validation of EASY. For the future improvement of EASY integral cross sections are obtained from these C/E and discussed in connection with the EAF data, energy differential measurements from the EXFOR System of the International Atomic Energy Agency (IAEA), other energy integral measurements and evaluated data from libraries in the JANIS system of the Nuclear Energy Agency (NEA). The investigated materials of the present work are Tungsten, Yttrium, CuCrZr and Lead. Tungsten is the preferred material for the divertor plates of fusion devices an a constituent of reduced activation structural materials. Yttrium is used in the ODS steels, which are candidate materials for the first wall and blanket structure of. The characteristic feature of ODS steels is to introduce Y2O3 oxide particles into structural materials like EUROFER to improve the high-temperature strength and to maintain superior radiation resistance. CuCrZr alloys are used as a heat sink in the first wall of the blanket and in the divertor. The CuCrZr alloys contain impurities in consequence of the production technology, which can have an influence on the activation performance and thus have to be known accurately. In this work the neutron activation analysis has proved to be an appropriate instrument to measure the amount of some special impurities. Lead acts as a neutron multiplier and coolant in breeding blanket concepts such as the European Test Blanket Modules (TBM) with liquid Pb-17Li. Due to some large discrepancies between the measured activities and those calculated with EASY for tungsten, these cross sections are analysed with recent models of the nuclear reaction mechanisms. The sensitivity of the obtained cross sections with respect to different reaction models and parameters is investigated and limits for new evaluations are obtained with respect to the experimental results. / Die von Neutronen induzierten Aktivitäten in den Materialien zukünftiger Fusionsreaktoren stellen einen zentralen Punkt in der Forschung zur Sicherheit und Umweltverträglichkeit der gesteuerten Kernfusion dar. Für die Konstruktion und den Betrieb von Fusionsreaktoren, wie den Internationalen Thermonuklearen Experimental-Reaktor ITER oder Demonstrationskraftwerke wie DEMO, werden Simulationsrechnungen zum Aktivierungsverhalten der Materialien während des Betriebs und nach Abschalten des Reaktor durchgeführt. Das European Activation System EASY, bestehend aus dem Inventarcode FISPACT und der Datenbibliothek EAF, ist dabei weltweit das Referenzinstrument für derartige Rechnungen. Sowohl das Programmpaket als auch das Aktivierungsverhalten der im Fusionsreaktor verwendeten Materialien müssen experimentell getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zu diesem Zweck Proben von Materialien aus dem europäischen Fusionstechnologieprogramm in Neutronenfeldern der DT-Neutronengeneratoren der TU Dresden, bzw. an SNEG-13 im russischen Sergiev Posad bestrahlt. Die entstehende Radioaktivität wurde im Anschluss an die Bestrahlung zu verschiedenen Abklingzeiten mittels Gammaspektroskopie bestimmt. Die gemessenen Aktivitäten individueller Nuklide werden mit EASY analysiert und die Verhältnisse von gemessener Aktivität zu berechneter (C/E) werden für die einzelnen Aktivitäten bestimmt. Damit werden die Grenzen für die experimentelle Bestätigung der EASY-Berechungen ermittelt. Zur zukünftigen Verbesserung von EASY werden aus den C/E experimentelle Eingruppenwirkungsquerschnitte ermittelt, die im Kontext der EAF-Daten, energiedifferentieller Messungen aus dem EXFOR System der International Atomic Energy Agency (IAEA), vorangegangener energieintegraler Experimente und eingeschätzter Bibliotheksdaten aus dem JANIS System der Nuclear Energy Agency (NEA) diskutiert werden. Bei den untersuchten Materialien handelt es sich um Wolfram, Yttrium, CuCrZr und Blei. Wolfram ist ein bevorzugtes Material für den Divertor des Fusionsreaktors und zudem Bestandteil gering aktivierbarer Strukturmaterialien. Yttrium wird als Zusatz in den so genannten ODS Stählen verwendet, die in der ersten Wand und im Blanket eingesetzt werden. Diese entstehen aus Strukturmaterialien wie dem europäischen EUROFER, die bereits früher auf ihr Aktivierungsverhalten untersucht wurden, durch Hinzufügen von Y2O3-Partikeln, wodurch sie bei höheren Temperaturen und Neutronenflüssen einsetzbar werden. CuCrZr wird als Wärmeleiter in der ersten Wand des Blankets und im Divertor eingesetzt. Als Legierung ist CuCrZr mit technologisch bedingten Verunreinigungen versetzt, die sich auf das Aktivierungsverhalten auswirken können und deshalb genau bekannt sein müssen. Die Neutronenaktivierung hat sich dabei im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls als geeignetes Mittel erwiesen. Blei agiert als Neutronenmultiplikator und Kühlmittel in Brutblanketkonzepten wie dem europäischen Test Blanket Module (TBM) das flüssiges Pb-17Li verwendet. Infolge der deutlichen Diskrepanzen zwischen der experimentellen und der mit EASY berechneten Aktivitäten bei Wolfram wird eine Analyse der Wirkungsquerschnitte mit Hilfe aktueller Modelle zum Mechanismus von Kernreaktionen vorgenommen. Dabei wird die Sensitivität der ermittelten Wirkungsquerschnitte auf verschiedene Reaktionsmodelle und Parameter getestet und ein Rahmen für Neueinschätzungen der Daten unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse ermittelt.