Light is one of the most advantageous stimuli to manipulate functional materials because it can be applied contactless and with high precision. A common strategy to prepare light-responsive physical systems is the embedding of photoswitchable groups such as the dye molecule azobenzene (azo). Upon irradiation with UV light, azobenzene undergoes photoisomerization from the trans to the cis isomer, whereas blue light triggers the inverse conversion. The two isomers differ with respect to their shape, solubility, and light absorption. Up to now, comparatively little research has been focusing on compounds that unite several photoswitchable groups. Such so-called multiphotochromes are promising multi-state molecular systems that can be controlled by light. In this thesis, the object of study is a star-shaped multiphotochromic molecule denoted TrisAzo. It is composed of three azo groups, which are centrally linked by a light-inert BTA group. The molecule has four photoisomers, ranging from the all-trans to the all-cis isomer. Furthermore, TrisAzo is the elementary building block of light-responsive supramolecular aggregates in solution. Previous experimental works report severe morphological changes of the aggregates under UV–Vis light but the underlying molecular mechanisms are still debated. The objective of this thesis is to elucidate the effects of light on TrisAzo – first, concerning its molecular properties and second, regarding the structure and stability of its supramolecular aggregates. In the presented work, the photoisomers of an azobenzene star with a BTA core are studied for the first time via computational methods, particularly using density functional theory and fully atomistic molecular dynamics (MD) simulations. The solvational and optical properties of TrisAzo are quantified as a function of its isomerization state. The solubility of TrisAzo in polar solvents improves with an increasing fraction of the cis-azo arms due to a redistribution of electron density. The absorption spectra of the TrisAzo isomers are nearly linear superpositions of the individual azo arm spectra but with slight deviations. These deviations indicate weak electronic coupling effects between the connected azo groups. Supramolecular aggregates of TrisAzo molecules in water are modeled using fully atomistic MD simulations for extensive investigations on the molecular scale. In equilibrium conditions, it is verified that randomly distributed TrisAzo molecules self-assemble into column-shaped stacks. Simulations of pre-assembled TrisAzo stacks provide detailed insights into their intermolecular interactions. The binding energies are dominated by π-π interactions between conjugated parts of the stacked molecules, especially the azo groups, while hydrogen bonds between the BTA cores play a subordinate but stabilizing role. To implement the effects of light into the simulations, a stochastic model of the repeated photoisomerization of azobenzene is developed. This model reproduces the photoisomerization kinetics of TrisAzo in good agreement with theory and previous experimental results. Based on this approach, light of various intensities and wavelengths is applied on an equilibrated TrisAzo stack. In contrast to prior assumptions, the simulations indicate that a stacked TrisAzo aggregate irradiated by light does not break or disassemble into separate fragments. The stack instead develops defects in the form of molecular shifts and reorientations. As a result, the aggregate eventually loses its columnar shape. The mechanism and driving forces behind these structural changes are clarified based on the simulation results. Thus, this work provides a new interpretation of the experimentally observed morphological changes. The obtained insights on the molecular scale may facilitate the design of light-responsive gels and supramolecular polymers.:Abstract v Kurzfassung vii 1 Introduction 1 2 Properties of Azobenzene and Azobenzene-Containing Materials 5 2.1 Azobenzene 5 2.1.1 Isomers and Photoisomerization 6 2.1.2 The Photostationary State 10 2.2 Multiphotochromic Molecules Based on Azobenzene 10 2.2.1 Azobenzene Stars 11 2.2.2 The Benzene-1,3,5-Tricarboxamide Linker Unit 11 3 Computational Methods and Models 15 3.1 Density Functional Theory 15 3.1.1 Functional and Basis Set 16 3.1.2 Implicit Solvation Models 17 3.1.3 Time-Dependent Density Functional Theory 17 3.2 Molecular Dynamics Simulations 18 3.2.1 All-Atom MD Simulations 18 3.2.2 Force Fields 19 4 Simulation Techniques 23 4.1 Thermodynamic Integration 23 4.1.1 Implementation in Atomistic Simulations 24 4.2 Modeling Photoisomerization in MD Simulations 27 4.2.1 Implementation of the Rotation Pathway 28 4.3 Modeling Light-Irradiated Azo-Materials in MD Simulations 30 4.3.1 The Cyclic Photoisomerization Model 31 5 Photoisomers of an Azobenzene Star 35 5.1 Object of Study: The Molecule TrisAzo 35 5.1.1 Isomers and Conformers 35 5.2 Ground State Properties in the Gas Phase and in Solvents 36 5.2.1 Energies and Standard Enthalpies of Formation 37 5.2.2 Geometry and Shape Properties 38 5.2.3 Dipole Moments 42 5.2.4 Molecular Properties Upon Hydration in Explicit Water 44 5.3 Solubility 47 5.3.1 Influence of Solvent Polarity 48 5.3.2 Influence of Isomerization State 48 5.3.3 Hydration Free Energy 49 5.4 Absorption Spectra and Intramolecular Coupling 51 5.4.1 Influence of the Number of Azo Groups and Their Isomerization State 52 5.4.2 Effect of the Solvent Polarity 54 5.5 Summary 56 6 Equilibrium Properties of TrisAzo Clusters 59 6.1 Supramolecules of Azobenzene Stars in the Experiment 60 6.1.1 Light-Induced Morphological Transition 60 6.2 Self-Assembly Starting from a Random Distribution 62 6.2.1 Radial Distribution Function 63 6.2.2 Cluster Analysis 65 6.3 Intermolecular Energy of a TrisAzo Dimer 69 6.3.1 Total Intermolecular Energy 70 6.3.2 Energy Decomposition 71 6.4 Structural Properties of Columnar TrisAzo Clusters 75 6.4.1 Considered Cluster Arrangements (Cluster Types) 75 6.4.2 Inner Structure of the Clusters 79 6.4.3 Effect of Cluster Size 79 6.5 Intermolecular Energy of Columnar TrisAzo Clusters 82 6.5.1 Total Intermolecular Energy 82 6.5.2 Energy Decomposition 83 6.5.3 The Role of Hydrogen Bonding 88 6.5.4 Rationalizing the Structural Differences of the Considered Cluster Types 91 6.6 Summary 93 7 Columnar TrisAzo Clusters Under UV–Vis Light 97 7.1 TrisAzo Stacks in the Full Photoisomerization Model 97 7.1.1 Cluster Structure Before and After Irradiation 98 7.1.2 Intermolecular Energy 101 7.2 TrisAzo Stacks in the Cyclic Photosomerization Model 104 7.2.1 Photoisomerization Kinetics 104 7.2.2 Cluster Structure Under Irradiation 108 7.2.3 Intermolecular Energy of TrisAzo Stacks Under Irradiation 112 7.2.4 Mechanism of Defect Formation 116 7.2.5 Comparison with Simulations of Comparable Systems 118 7.3 Summary 118 8 Summary and Outlook 121 8.1 Summary 121 8.2 Outlook 123 A Functional Form of the Force Fields 125 A.1 DREIDING Force Field 125 A.2 Polymer Consistent Force Field (PCFF) 129 B Additional Details about Thermodynamic Integration 133 B.1 Derivation of the Formalism 133 B.2 Avoiding Singularities and Instabilities 134 C Details of the Computational Models 137 C.1 DFT and TD-DFT Calculations 137 C.1.1 DFT Calculations 137 C.1.2 TD-DFT Calculations 138 C.2 MD Simulations of TrisAzo Molecules in PCFF 138 C.2.1 Parametrization 139 C.2.2 Preparation of Initial Configurations 139 C.2.3 Simulation Settings 140 C.3 MD Simulations of TrisAzo Molecules in DREIDING 140 C.3.1 Parametrization 141 C.3.2 Preparation of Initial Configurations 141 C.3.3 Simulation Settings 141 C.4 Intermolecular Energy Calculations of TrisAzo Dimers in PCFF and DREIDING 142 C.5 Visualization of Molecular Structures 142 D Equilibrium Properties of TrisAzo Clusters: Additional Material 143 D.1 From Experiments to Simulations 143 D.2 Cluster Analysis for TrisAzo Self-Assembly: Additional Material 144 D.3 Intermolecular Energy of a TrisAzo Dimer: PCFF Results 145 D.3.1 Total Intermolecular Energy 145 D.3.2 Energy Decomposition 145 D.3.3 Estimated Total Intermolecular Energy of TrisAzo-H 148 D.4 Structural Properties of Columnar TrisAzo Clusters: Additional Material 149 D.5 Intermolecular Energy of Columnar TrisAzo Clusters: Additional Material 150 D.5.1 Defect Detection Algorithm 151 D.6 The Role of Hydrogen Bonds: Additional Material 152 E Columnar TrisAzo Clusters Under UV–Vis Light: Additional Material 155 E.1 TrisAzo Stacks in the Full Photoisomerization Model: Additional Material 155 E.2 TrisAzo Stacks in the Cyclic Photosomerization Model: Additional Material 156 F Code Availability 161 Bibliography 163 List of Publications 183 Copyright of Published Articles 187 Acknowledgements / Danksagung 189 List of Abbreviations 191 List of Symbols 193 List of Physical Constants and Unit Conversions 195 Eidesstattliche Erklärung 197 / Licht ist einer der vorteilhaftesten Stimuli für die Manipulation responsiver Funktionsmaterialien, da es berührungslos und mit hoher Präzision angewendet werden kann. Ein weit verbreiteter Ansatz zur Herstellung lichtresponsiver physikalische Systeme ist der Einbau lichtschaltbarer Gruppen wie das Farbstoffmolekül Azobenzol (Azo). Unter UV-Licht vollzieht Azobenzol eine Photoisomerisation vom trans- zum cis-Isomer, während blaues Licht die umgekehrte Umwandlung auslöst. Die beiden Isomere unterscheiden sich vor allem durch ihre räumliche Gestalt, Löslichkeit und Lichtabsorption. Noch unzureichend erforscht sind Moleküle, die mehrere lichtschaltbare Gruppen in sich vereinen. Solche sogenannten Multiphotochrome sind vielversprechende molekulare Mehrzustandssysteme, die durch Licht geschaltet werden können. Untersuchungsobjekt dieser Arbeit ist ein sternförmiges multiphotochromes Molekül namens TrisAzo. Es besteht aus drei Azogruppen, die zentral über eine gegenüber Licht inerte BTA-Gruppe verknüpft sind. Dementsprechend existieren vier Photoisomere dieses Moleküls, vom all-trans- bis zum all-cis-Isomer. Des Weiteren ist TrisAzo der elementare Baustein lichtempfindlicher supramolekularer Aggregate in Lösung. Frühere experimentelle Arbeiten berichten starke morphologische Strukturänderungen der Aggregate unter Lichteinfluss, jedoch sind die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen bisher ungeklärt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen von Licht auf TrisAzo aufzuklären, erstens in Bezug auf dessen molekulare Eigenschaften und zweitens hinsichtlich der Struktur und Stabilität der supramolekularen Aggregate. In der vorgestellten Arbeit werden erstmals die Photoisomere eines Azosterns mit BTA-Kern auf Basis computerbasierter Methoden untersucht. Eingesetzt werden dabei Dichtefunktionaltheorie und atomistische Molekulardynamiksimulationen (MD). Insbesondere wird die Löslichkeit und das Lichtabsorptionsverhalten von TrisAzo in Abhängigkeit seines Isomerisationszustands analysiert. Die Löslichkeit von TrisAzo verbessert sich mit steigendem Anteil der cis-Azogruppen aufgrund einer damit einhergehenden Umverteilung der Elektronendichte. Die Absorptionsspektren der TrisAzo-Isomere sind in erster Näherung lineare Superpositionen der Einzelspektren jedes Molekülarms, jedoch mit geringen Abweichungen. Diese Abweichungen deuten auf schwache elektronische Kopplungseffekte zwischen den Azogruppen hin. Supramolekularen Aggregate von TrisAzo-Molekülen in Wasser werden für umfangreiche Untersuchungen auf molekularer Ebene in atomistischen MD-Simulationen modelliert. Im thermodynamischen Gleichgewicht bestätigt sich, dass sich zufällig verteilte TrisAzo-Moleküle in säulenförmig gestapelten Aggregaten zusammenfinden. Weitere Simulationen vorgestapelter TrisAzo-Aggregate liefern detaillierte Rückschlüsse auf deren intermolekulare Wechselwirkungen. Die Bindungsenergien werden von π-π-Wechselwirkungen zwischen den konjugierten Bereichen der aufeinanderliegenden Moleküle dominiert. Wasserstoffbrücken zwischen den BTA-Gruppen haben eine untergeordnete, aber stabilisierende Rolle. Um den Effekt von Licht in die Simulationen einzubauen, ist ein stochastisches Modell für die wiederholte Photoisomerisation der Azogruppen entwickelt worden. Dieses Modell reproduziert die Photoisomerisationskinetik von TrisAzo in guter Übereinstimmung mit Theorie und vorigen Experimenten. Basierend auf diesem Ansatz wird Licht verschiedener Intensitäten und Wellenlängen auf die gestapelten TrisAzo-Aggregate angewandt. Entgegen früherer Annahmen zerfallen die Aggregate daraufhin nicht in Einzelfragmente. Stattdessen entwickeln sie Defekte in Form von Molekülumordnungen sowie -reorientierungen und verlieren dadurch ihre säulenartige Form. Der Mechanismus und die Ursachen dieser Strukturänderungen werden anhand der Simulationen aufgeklärt. Damit liefert diese Arbeit eine neue Interpretation der experimentell beobachteten morphologischen Veränderungen. Die gewonnenen Erkenntnisse können die Entwicklung lichtresponsiver Gele und supramolekularer Polymere unterstützen.:Abstract v Kurzfassung vii 1 Introduction 1 2 Properties of Azobenzene and Azobenzene-Containing Materials 5 2.1 Azobenzene 5 2.1.1 Isomers and Photoisomerization 6 2.1.2 The Photostationary State 10 2.2 Multiphotochromic Molecules Based on Azobenzene 10 2.2.1 Azobenzene Stars 11 2.2.2 The Benzene-1,3,5-Tricarboxamide Linker Unit 11 3 Computational Methods and Models 15 3.1 Density Functional Theory 15 3.1.1 Functional and Basis Set 16 3.1.2 Implicit Solvation Models 17 3.1.3 Time-Dependent Density Functional Theory 17 3.2 Molecular Dynamics Simulations 18 3.2.1 All-Atom MD Simulations 18 3.2.2 Force Fields 19 4 Simulation Techniques 23 4.1 Thermodynamic Integration 23 4.1.1 Implementation in Atomistic Simulations 24 4.2 Modeling Photoisomerization in MD Simulations 27 4.2.1 Implementation of the Rotation Pathway 28 4.3 Modeling Light-Irradiated Azo-Materials in MD Simulations 30 4.3.1 The Cyclic Photoisomerization Model 31 5 Photoisomers of an Azobenzene Star 35 5.1 Object of Study: The Molecule TrisAzo 35 5.1.1 Isomers and Conformers 35 5.2 Ground State Properties in the Gas Phase and in Solvents 36 5.2.1 Energies and Standard Enthalpies of Formation 37 5.2.2 Geometry and Shape Properties 38 5.2.3 Dipole Moments 42 5.2.4 Molecular Properties Upon Hydration in Explicit Water 44 5.3 Solubility 47 5.3.1 Influence of Solvent Polarity 48 5.3.2 Influence of Isomerization State 48 5.3.3 Hydration Free Energy 49 5.4 Absorption Spectra and Intramolecular Coupling 51 5.4.1 Influence of the Number of Azo Groups and Their Isomerization State 52 5.4.2 Effect of the Solvent Polarity 54 5.5 Summary 56 6 Equilibrium Properties of TrisAzo Clusters 59 6.1 Supramolecules of Azobenzene Stars in the Experiment 60 6.1.1 Light-Induced Morphological Transition 60 6.2 Self-Assembly Starting from a Random Distribution 62 6.2.1 Radial Distribution Function 63 6.2.2 Cluster Analysis 65 6.3 Intermolecular Energy of a TrisAzo Dimer 69 6.3.1 Total Intermolecular Energy 70 6.3.2 Energy Decomposition 71 6.4 Structural Properties of Columnar TrisAzo Clusters 75 6.4.1 Considered Cluster Arrangements (Cluster Types) 75 6.4.2 Inner Structure of the Clusters 79 6.4.3 Effect of Cluster Size 79 6.5 Intermolecular Energy of Columnar TrisAzo Clusters 82 6.5.1 Total Intermolecular Energy 82 6.5.2 Energy Decomposition 83 6.5.3 The Role of Hydrogen Bonding 88 6.5.4 Rationalizing the Structural Differences of the Considered Cluster Types 91 6.6 Summary 93 7 Columnar TrisAzo Clusters Under UV–Vis Light 97 7.1 TrisAzo Stacks in the Full Photoisomerization Model 97 7.1.1 Cluster Structure Before and After Irradiation 98 7.1.2 Intermolecular Energy 101 7.2 TrisAzo Stacks in the Cyclic Photosomerization Model 104 7.2.1 Photoisomerization Kinetics 104 7.2.2 Cluster Structure Under Irradiation 108 7.2.3 Intermolecular Energy of TrisAzo Stacks Under Irradiation 112 7.2.4 Mechanism of Defect Formation 116 7.2.5 Comparison with Simulations of Comparable Systems 118 7.3 Summary 118 8 Summary and Outlook 121 8.1 Summary 121 8.2 Outlook 123 A Functional Form of the Force Fields 125 A.1 DREIDING Force Field 125 A.2 Polymer Consistent Force Field (PCFF) 129 B Additional Details about Thermodynamic Integration 133 B.1 Derivation of the Formalism 133 B.2 Avoiding Singularities and Instabilities 134 C Details of the Computational Models 137 C.1 DFT and TD-DFT Calculations 137 C.1.1 DFT Calculations 137 C.1.2 TD-DFT Calculations 138 C.2 MD Simulations of TrisAzo Molecules in PCFF 138 C.2.1 Parametrization 139 C.2.2 Preparation of Initial Configurations 139 C.2.3 Simulation Settings 140 C.3 MD Simulations of TrisAzo Molecules in DREIDING 140 C.3.1 Parametrization 141 C.3.2 Preparation of Initial Configurations 141 C.3.3 Simulation Settings 141 C.4 Intermolecular Energy Calculations of TrisAzo Dimers in PCFF and DREIDING 142 C.5 Visualization of Molecular Structures 142 D Equilibrium Properties of TrisAzo Clusters: Additional Material 143 D.1 From Experiments to Simulations 143 D.2 Cluster Analysis for TrisAzo Self-Assembly: Additional Material 144 D.3 Intermolecular Energy of a TrisAzo Dimer: PCFF Results 145 D.3.1 Total Intermolecular Energy 145 D.3.2 Energy Decomposition 145 D.3.3 Estimated Total Intermolecular Energy of TrisAzo-H 148 D.4 Structural Properties of Columnar TrisAzo Clusters: Additional Material 149 D.5 Intermolecular Energy of Columnar TrisAzo Clusters: Additional Material 150 D.5.1 Defect Detection Algorithm 151 D.6 The Role of Hydrogen Bonds: Additional Material 152 E Columnar TrisAzo Clusters Under UV–Vis Light: Additional Material 155 E.1 TrisAzo Stacks in the Full Photoisomerization Model: Additional Material 155 E.2 TrisAzo Stacks in the Cyclic Photosomerization Model: Additional Material 156 F Code Availability 161 Bibliography 163 List of Publications 183 Copyright of Published Articles 187 Acknowledgements / Danksagung 189 List of Abbreviations 191 List of Symbols 193 List of Physical Constants and Unit Conversions 195 Eidesstattliche Erklärung 197

Ferromagnetism in certain alloys with a crystalline B2-structure, such as Fe60Al40, can be switched on, and tuned, via antisite disordering of the atomic arrangement. This disorderinduced B2→A2 phase transition is accompanied by a ∼1% increase in the lattice parameter. The induced ferromagnetism can be switched off as well via atomic rearrangements causing the A2→B2 transition. In this thesis, the B2↔A2 phase transition will be manipulated by ion- as well as laser-irradiation. Ion-irradiation allows for a sensitive control of the degree of antisite disorder and thus can be applied to understand the correlation between gradual disorder and magnetic properties in the Fe60Al40 alloy. The reversibility of the laser-driven B2↔A2 transition will be shown in this work. B2-Fe60Al40 thin films have been disordered systematically by ion-irradiation and correlations between the chemical disorder (1-S), lattice parameter (a0), and the induced saturation magnetization (Ms) have been obtained. As the lattice is gradually disordered,a critical point occurs at 1-S=0.6 and a0=2.91Å, where a sharp increase of the Ms is observed. The regimes below and above the critical regime are characterized by a different, but nearly stable Ms behaving paramagnetic and ferromagnetic, respectively. Density functional theory (DFT) calculations suggest that below the critical point the system magnetically behaves as it would still be fully ordered, i.e. paramagnetic, whereas above, it is largely the increase of a0 in the disordered state that determines the Ms. Furthermore, disordered thin films possessing various open-volume defect types have been ordered via thermal annealing. The A2→B2 ordering process occurs by the vacancy diffusion mechanism and the ordering rate shows a strong dependence on the defect types, as obtained from ab-initio DFT calculations: The ordering rate is increased by mono-vacancies and decreased by triple defects and vacancy clusters. The defects can be engineered by a thermal pre-annealing and/or ion-irradiation offering a control of the subsequent ordering process. Additionally, the reversible disordering and subsequent reordering implying an on and off switching of ferromagnetism, respectively, is demonstrated by applying femtosecond laser pulse irradiation. The irradiation with a single laser pulse above the threshold fluence induces chemical disorder and hence ferromagnetism. A subsequent laser-irradiation below the threshold ŕuence causes a reordering at the surface erasing the ferromagnetism. The laser-irradiation leads to a melting and subsequent solidification of the material; if the solidification temperature is lower than the melting temperature, the liquid is supercooled. Simulations reveal the crucial role of the extent of supercooling: A single laser pulse above the threshold fluence causes a strong undercooling of the liquid phase before solidification limiting the vacancy diffusion and hence ordering. Laser pulsing below the threshold forms a limited supercooled surface region that solidifies at sufficiently high temperatures, enabling vacancy diffusion-assisted reordering.:1 Introduction and Fundamentals 1.1 Magnetism and Structure in Chemically Ordered Materials 1.1.1 Effects Induced by Chemical Disorder 1.1.2 Properties of Fe-Al Alloys 1.2 Modiőcation of B2 Materials 1.2.1 Interaction of Ions with Solids 1.2.2 Laser-Solid Interaction 1.3 Motivation 2 Experimental and Theoretical Methods 2.1 Sample Preparation 2.1.1 Magnetron Sputtering 2.1.2 Annealing Process 2.1.3 Ion-Irradiation 2.1.4 Laser-Irradiation 2.2 Structural Characterization 2.2.1 X-Ray Diffraction 2.2.2 Rutherford Backscattering Spectrometry 2.2.3 Transmission Electron Microscopy 2.3 Magnetic Characterization 2.3.1 Vibrating Sample Magnetometry 2.3.2 Spin-Resolved Photoemission Electron Microscopy 2.4 Defect Analysis by Positron Annihilation Spectroscopy 2.5 Theoretical Approaches 2.5.1 DFT Calculations on the Properties of Fe60Al40 2.5.2 Ab-initio Calculations of Positron Lifetimes in Fe60Al40 2.5.3 Simulations on the Laser-Irradiation of Fe60Al40 3 Unraveling Magneto-Structural Correlations 3.1 Characterization of Ordered B2 and Disordered A2 Films 3.1.1 Experiments 3.1.2 Structural Properties 3.1.3 Magnetic Properties 3.1.4 Summarizing Remarks 3.2 Systematic Disordering by Ion-Irradiation 3.2.1 Experiments 3.2.2 Structural Characterization 3.2.3 Analysis of Magnetic Properties 3.2.4 Correlation of Structural and Magnetic Properties 3.2.5 Comparison to Previously Reported Data 3.2.6 Theoretical Calculations 3.2.7 Discussion and Summarizing Remarks 4 Defect-Mediated Atomic Rearrangements 4.1 Experiments 4.2 Analysis of Magnetic Properties 4.3 Defect Characterization 4.4 Ab-initio Calculations of Positron Lifetimes 4.5 Discussion 5 Laser Pulse Induced Reversible Order-Disorder Transition 5.1 Experiments 5.2 Results 5.3 Simulations 5.4 Discussion 6 Conclusions / In bestimmten Legierungen mit einer kristallinen B2-Struktur, wie beispielsweise Fe60Al40, kann durch eine chemische Unordnung Ferromagnetismus erzeugt und modifiziert werden. Dieser durch Unordnung hervorgerufene B2→A2 Phasenübergang geht mit einer Vergrößerung des Gitterparameters von ungefähr 1% einher. Der erzeugte Ferromagnetismus kann durch eine atomare Neuordnung, d.h. durch den A2→B2 Phasenübergang, wieder abgeschaltet werden. In der vorliegenden Arbeit wird der B2↔A2 Phasenübergang mittels Ionen- und Laserbestrahlung hervorgerufen und kontrolliert. Ionenbestrahlung ermöglicht eine präzise Kontrolle des Unordnungsgrades und kann daher eingesetzt werden, um den Zusammenhang zwischen gradueller Unordnung und magnetischen Eigenschaften in der Fe60Al40 Legierung zu untersuchen. Die Reversibilität des laserinduzierten B2↔A2 Phasenübergangs wird in der vorliegenden Arbeit gezeigt. In B2-Fe60Al40 Dünnschichten ist mittels Ionenbestrahlung systematisch Unordnung erzeugt worden, wodurch die Zusammenhänge von atomarer Unordnung (1-S), dem Gitterparameter (a0) und der erzeugten Magnetisierung (Ms) offengelegt worden. Während der schrittweisen Unordnung des Kristallgitters tritt ein kritischer Punkt bei 1-S=0.6 und a0=2.91Å auf, an welchem Ms stark ansteigt. Die Bereiche unter- und oberhalb des kritischen Bereiches sind durch ein unterschiedliches, aber nahezu gleichbleibendes Ms charakterisiert. Das Verhalten ist para- bzw. ferromagnetisch. Berechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) deuten an, dass sich das System unterhalb des kritischen Punktes verhält, als wäre es noch vollständig geordnet, d.h. paramagnetisch; wohingegen Ms oberhalb des kritischen Bereiches größtenteils durch den Anstieg des Gitterparameters bestimmt wird. Darüber hinaus sind ungeordnete Dünnschichten mit verschiedenen Typen leerstellenartiger Defekte mittels Wärmebehandlung neu geordnet worden. Der A2→B2 Ordnungsprozess geschieht auf der Basis des Leerstellendiffusionsmechanismus. Die starke Abhängigkeit der Ordnungsrate von den Defekttypen ist mittels ab-initio DFT Berechnungen bestätigt worden: Die Ordnungsrate wird durch Einzel-Leerstellen erhöht und sinkt durch Dreifach-Defekte und Leerstellencluster. Die Defekte können durch eine vorherige Wärmebehandlung und/oder Ionenbestrahlung manipuliert werden, wodurch der darauffolgende Ordnungsprozess kontrolliert werden kann. Des Weiteren wird die reversible Unordnung und anschließende Neuordnung, d.h. ein Erzeugen bzw. Abschalten von Ferromagnetismus, durch die Bestrahlung mit Femtosekunden- Laserpulsen demonstriert. Die Bestrahlung mit einem einzelnen Laserpuls mit einer Fluenz über dem Schwellenwert erzeugt atomare Unordnung und damit Ferromagnetismus. Eine anschließende Laserbestrahlung unterhalb der Schwellenŕuenz bewirkt eine Neuanordnung der Atome an der Oberfläche und damit einem Auslöschen des Ferromagnetismus. Die Laserbestrahlung führt zu einem Aufschmelzen und dem anschließenden Erstarren des Materials; liegt die Erstarrungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur, so ist die Schmelze unterkühlt. Die ausschlaggebende Rolle des Grades der Unterkühlung wird durch Simulationen aufgezeigt: Ein einzelner Laserpuls über der Schwellenfluenz führt zu einer starken Unterkühlung der flüssigen Phase vor der Erstarrung, wodurch die Leerstellendiffusion und damit die atomare Neuordnung eingeschränkt werden. Durch Laserpulse unterhalb der Schwellenfluenz wird der Oberŕächenbereich kaum unterkühlt und erstarrt anschließend bei hinreichend hohen Temperaturen, um eine leerstellendiffusionsunterstützte Neuanordnung der Atome zu ermöglichen.:1 Introduction and Fundamentals 1.1 Magnetism and Structure in Chemically Ordered Materials 1.1.1 Effects Induced by Chemical Disorder 1.1.2 Properties of Fe-Al Alloys 1.2 Modiőcation of B2 Materials 1.2.1 Interaction of Ions with Solids 1.2.2 Laser-Solid Interaction 1.3 Motivation 2 Experimental and Theoretical Methods 2.1 Sample Preparation 2.1.1 Magnetron Sputtering 2.1.2 Annealing Process 2.1.3 Ion-Irradiation 2.1.4 Laser-Irradiation 2.2 Structural Characterization 2.2.1 X-Ray Diffraction 2.2.2 Rutherford Backscattering Spectrometry 2.2.3 Transmission Electron Microscopy 2.3 Magnetic Characterization 2.3.1 Vibrating Sample Magnetometry 2.3.2 Spin-Resolved Photoemission Electron Microscopy 2.4 Defect Analysis by Positron Annihilation Spectroscopy 2.5 Theoretical Approaches 2.5.1 DFT Calculations on the Properties of Fe60Al40 2.5.2 Ab-initio Calculations of Positron Lifetimes in Fe60Al40 2.5.3 Simulations on the Laser-Irradiation of Fe60Al40 3 Unraveling Magneto-Structural Correlations 3.1 Characterization of Ordered B2 and Disordered A2 Films 3.1.1 Experiments 3.1.2 Structural Properties 3.1.3 Magnetic Properties 3.1.4 Summarizing Remarks 3.2 Systematic Disordering by Ion-Irradiation 3.2.1 Experiments 3.2.2 Structural Characterization 3.2.3 Analysis of Magnetic Properties 3.2.4 Correlation of Structural and Magnetic Properties 3.2.5 Comparison to Previously Reported Data 3.2.6 Theoretical Calculations 3.2.7 Discussion and Summarizing Remarks 4 Defect-Mediated Atomic Rearrangements 4.1 Experiments 4.2 Analysis of Magnetic Properties 4.3 Defect Characterization 4.4 Ab-initio Calculations of Positron Lifetimes 4.5 Discussion 5 Laser Pulse Induced Reversible Order-Disorder Transition 5.1 Experiments 5.2 Results 5.3 Simulations 5.4 Discussion 6 Conclusions

Metal–organic frameworks (MOFs) are constructed from a combination of inorganic and organic units to produce materials which display high porosity, among other unique and exciting properties. MOFs have shown promise in many wide ranging applications, such as catalysis and gas separations. In this review, we highlight MOF research conducted by Germany-based research groups. Specifically, we feature approaches for the synthesis of new MOFs, high-throughput MOF production, advanced characterization methods and examples of advanced functions and properties.:1. Introduction 2. Chemistry and materials 3. Towards an industrial scale 4. Advanced characterization 5. Advanced function 6. Conclusion Acknowledgements References

The thesis is devoted to magnetic metamaterials operating in the frequency range of 10 MHz 1 GHz. Mechanisms of tailoring the properties of metamaterials are developed and a number of linear and nonlinear applications is proposed.In Chapter 1, the introduction to the field of metamaterials is given and the main goal of the thesis is defined as the search for possible applications of low-frequency metamaterials. The main motivation is the potential of magnetic metamaterials in Magnetic Resonance Imaging (MRI).Chapter 2 briefly summarizes the near-field properties of magnetic metamaterials. Magnetic coupling between a pair of metamaterial elements is described and magnetoinductive (MI) waves propagating on the metamaterials arrays are introduced.In Chapter 3, the magnetic coupling between the elements is studied in more detail. Based on the analogy between MI waves and acoustic waves in solids, "diatomic" metamaterial arrays having two elements per unit cell are introduced. It is shown that by changing the resonant frequencies of the elements and the coupling between them it is possible to acquire additional freedom in tailoring the dispersion properties of MI waves compared to simple "monatomic" configurations.In Chapter 4, various linear applications of metamaterials are discussed. They are shift-dependent transmission, subwavelength imaging and focusing, and rotational resonance of MI waves. It is shown that the microscopic model based on taking the interaction between the elements into account allows for reliable explanation of the phenomena studied.In Chapter 5, a nonlinear application, parametric amplification of MI waves, is discussed. It is shown that parametric amplification can lead to the compensation of loss in metamaterials and to increase of the power extracted from an MRI detection system.Conclusions are drawn and possible directions for future work are determined in Chapter 6.

Die Herausforderungen der Ressourcenknappheit und des Klimawandels erhöhen den weltweiten Bedarf an nachhaltigen Lösungen für Produktion und Konsum drastisch. Die Effizienzsteigerung industrieller Prozesse spielt eine Schlüsselrolle in der Einsparung von Energie und Ressourcen. Optimal designte, heterogene Katalysatorsysteme könnten den Energieaufwand um bis zu 50 % senken. Eine solche Energieeinsparung wird in der Realität jedoch nicht erreicht, da ihre Leistung dem Einfluss von Massen- und Wärmetransportphänomenen unterliegt. Bei Zeolithen beeinträchtigen hohe Transportwiderstände in den Mikroporen die Katalysatorleistung maßgeblich. Die von sterischen Restriktionen bestimmte Zugänglichkeit der Mikroporen beschränkt zudem ihre Anwendbarkeit auf Reaktionen mit relativ kleinen Reaktanten und Produkten. Eine bewährte Strategie zur Erhöhung der Diffusivität in Zeolithen und Erweiterung ihres Einsatzfelds stellt die Einführung größerer Transportporen (Meso-/Makroporen) dar. Aus der Ergänzung ihrer intrinsischen Mikroporosität durch eine Sekundärporosität werden hierarchisch poröse Materialien erhalten. Enormes Potenzial zur Effizienzsteigerung von Prozessen in der Kunststoff-, Agrar-, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie sowie in der pharmazeutischen Industrie birgt der Einsatz hierarchisch poröser Titanzeolithe, die als Epoxidierungskatalysatoren wirksam sind. Ihre Synthese ist bisher jedoch zeit- und kostenintensiv und produziert große Mengen chemischen Abfalls. In vorliegender Arbeit wurde ein daher neuer, effizienter Syntheseweg erschlossen. Die Synthesestrategie basiert auf der simultanen Durchführung zweier Modifizierungsschritte: der Hierarchisierung eines Zeolithen durch Desilizierung – d.h. der Einführung von Transportporen durch Herauslösen von Silikatspezies aus seinem Kristallgitter – und der Titanierung, d.h. dem Einbau katalytisch aktiver Titanzentren in das Gitter. Die Schwierigkeit liegt dabei in der Kombination zweier konzeptionell gegensätzlicher Prozesse: Während die Titanierung einen konstruktiven Charakter hat, handelt es sich bei der Hierarchisierung um einen destruktiven Ätzvorgang, der das Material substanziell angreift. Das Ergebnis jedes einzelnen Prozesses hängt dabei stark von den experimentellen Bedingungen ab. Die Auswahl optimaler Bedingungen für einen Syntheseschritt, der beide Einzelprozesse vereint, stellt daher ein komplexes Multiparameterproblem dar, dem in vorliegender Arbeit mit der Anwendung statistischer Versuchsmethodik (Design of Experiments) begegnet wurde. Zu den größten Stärken der simultanen Desilizierung und Titanierung (SDT) gehören neben der Beschränkung auf nur einen Modifizierungsschritt die Möglichkeit zur Verwendung kommerziell verfügbarer Ausgangsmaterialien sowie der deutlich höhere Nutzungsgrad der ins Material eingebrachten aktiven Katalysezentren. Weitere positive Aspekte, die in dieser Arbeit demonstriert werden konnten, bilden ihre einfache Durchführbarkeit, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit. Die Synthesemethode lässt sich zudem auf Zeolithe unterschiedlicher Struktur und chemischer Zusammensetzung anwenden. Ausgehend von Zeolith Beta gelang die Synthese eines hierarchischen Ti Beta mit Tetraethylammoniumhydroxid und Tetrabutylorthotitanat bei hydrothermalen Bedingungen. Weitere erfolgreiche SDT-Experimente wurden mit den Zeolithen ZSM-58 und Silikalith durchgeführt. Aus der Behandlung von Silikalith hervorgehender hierarchisch poröser TS-1 ist aufgrund seiner Anwendbarkeit für die Propenoxidsynthese besonders industrierelevant. Die hierarchische Porosität der SDT-Produkte wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie und Physisorptionsmessungen mit Stickstoff bzw. Argon nachgewiesen. Unter nahezu vollständiger Erhaltung von Mikroporenvolumen und Oberfläche entstanden durch die Behandlung Makroporen sowie ungeordnete intrakristalline Mesoporen mit breiter Porengrößenverteilung und flaschenhalsartiger Form. Die Kristallinität des Materials wurde dabei nur geringfügig beeinträchtigt, wie Pulverröntgendiffraktometrie-Messungen zeigten. Die Koordination der (Oberflächen-)Titanspezies wurde mittels verschiedener Spektroskopietechniken (DRUV/Vis, FTIR, XPS) untersucht. Neben dem gewünschten Einbau vierfach koordinierter Gittertitanzentren kam es auch teilweise zur Bildung von katalytisch inaktiven höher koordinierten Gitter- bzw. Extragittertitanspezies sowie Anatasverunreinigungen. Den hinreichenden Nachweis für das Vorhandensein aktiver Titanzentren lieferten Katalysetests. Als Modellreaktion diente die Flüssigphasenepoxidierung verschiedener Cycloalkene mit Wasserstoffperoxid. Der positive Effekt der Einführung größerer Transportporen auf die Katalysatorleistung konnte durch den direkten Vergleich von rein mikroporösem mit hierarchisch porösem Ti-Beta erbracht werden. Bei gleichbleibend hoher Epoxidselektivität wurde im Test mit der hierarchischen Katalysatorprobe eine fast dreimal so hohe Epoxidausbeute erreicht. Ihre hohe Aktivität lässt sich nach der Reaktion wieder nahezu vollständig regenerieren. Sie geht auf eine langsamere Verkokung zurück. Diese ist eine Folge der höheren Desorptionsrate in den Transportporen, wie aus thermischen Antwortmessungen mit n-Butan am optischen Kalorimeter InfraSORP geschlussfolgert werden konnte. Die hohe katalytische Aktivität ist außerdem auf die hervorragende Erreichbarkeit der mittels SDT eingebrachten Ti-Zentren zurückzuführen. Die Produkteigenschaften reagieren sensibel auf Veränderungen der experimentellen SDT-Parameter und ihrer synergetischen bzw. antagonistischen Wechselwirkung untereinander. Mittels Festkörperanalytik identifizierte Parametereffekte wurden mit den Daten der Katalysetests korreliert und bildeten so eine aussagekräftige Grundlage für die wissenschaftliche Interpretation zugrundeliegender Struktur-Aktivitätsbeziehungen. Ausgehend von den gefundenen Parametereffekten wurde eine Optimierung ausgewählter SDT-Parameter in Bezug auf die mit dem Syntheseprodukt erzielte Epoxidausbeute vorgenommen. Das Produkt der optimierten Synthese erreichte im Katalysetest die höchste Ausbeute aller getesteten Katalysatorproben. Seine Turnover Frequency (TOF) übertraf die einer rein mikroporösen Vergleichsprobe um mehr als das Neunfache. Auch im Vergleich mit mikroporösen und mesoporösen Referenzproben aus der Literatur schnitt es überragend ab. Viele Prozesse aus der Raffinerietechnik, Petrochemie und Feinchemikalienherstellung nutzen Zeolithe nicht als Epoxidierungs-, sondern als Säurekatalysatoren. Eine effiziente Methode zur Bestimmung der Zeolithacidität ist demnach von hoher Wichtigkeit für die Industrie. Zur quantitativen Analyse der Säurezentren hat sich die temperaturprogrammierte Desorption von Ammoniak (NH3-TPD) etabliert. Der größte Nachteil dieser Methode liegt in der langen Messzeit. In vorliegender Arbeit wurde die Anwendbarkeit thermischer Antwortmessungen mit Ammoniak am Gerät InfraSORP als schnelle Screeningmethode für Zeolithacidität demonstriert. Die Säurezentrenanzahl einer Probe lässt sich dabei in etwa 30 min abschätzen. Die enorme Zeitersparnis, der geringere Materialverbrauch und die Möglichkeit zur Parallelisierung der Messungen aufgrund des modularisierbaren Messprinzips machen die Methode vor allem für die industrielle Prozess- und Qualitätskontrolle interessant.

The search for novel technologies like spin-based electronics and suitable materials for respective devices requires a profound understanding of fundamental interactions regarding electron spin and related properties. In the same context, with ongoing device miniaturisation, surface-related phenomena become increasingly important. Here, we study the electronic and magnetic properties of quasi-2D electron states at a metallic surface under the influence of the Rashba effect and exchange coupling to localised 4f moments that order magnetically at low temperatures. Particularly, in the considered systems, both interactions are of similar strengths, a case which is rather unexplored in the literature. Our model system is the (001) surface of intermetallic LnIr2Si2 compounds with ThCr2Si2 structure, where Ln = lanthanide. With this work, we continue our long-term systematic study of the LnT2Si2 compounds with T = Rh, where the Rashba-like spin-orbit coupling is about a hundred times weaker than the exchange interaction. Using ARPES and DFT we explore with GdIr2Si2 and EuIr2Si2 two representatives of the LnIr2Si2 family, which are both characterised by the insensitivity of the 4f shell to the crystal electric field. On the other hand, they have fundamentally different bulk properties. GdIr2Si2 is a robust bulk antiferromagnet with a high ordering temperature of 87 K, whereas EuIr2Si2 is a mixed-valent material with a non-magnetic ground state in the bulk. The mean Eu valency is strongly temperature dependent, changing continuously from a nearly divalent magnetic configuration at room temperature to a nearly trivalent non-magnetic Eu state below 50K. Studying the surface states in both compounds we find that the magnitude of the Rashba-like spin-orbit interaction increases tremendously in comparison to the isoelectronic Rh compounds. This is reflected in a huge splitting of the surface state bands and emphasizes the importance of atomic spin-orbit coupling in high Z elements for the strength of the Rashba effect. Employing DFT, which reproduces the measured band structure very accurately, we find the same exotic triple winding of the electron spin along the isoenergy contours of the surface state bands as reported in terms of a cubic Rashba effect for the Rh compounds. This proves the generic nature of the surface states and their universal properties in the considered LnT2Si2 compounds. With the ordering of the 4f moments at low temperatures, spin structure and surface band dispersion undergo significant changes induced by the exchange interaction. Pronounced asymmetries emerge in the band dispersion, which allow for the determination of the magnetisation axis. We demonstrate that this is even possible if spectral structures originating from different magnetic domains overlap in the spectra. Remarkably, we find respective asymmetries in EuIr2Si2, too, despite the almost trivalent, and thus non-magnetic Eu state at low temperatures. With complementary experimental techniques like x-ray absorption, x-ray linear and circular dichroism as well as by taking photoelectron diffraction into account, we demonstrate that in the surface Si–Ir–Si–Eu four-layer block Eu is nearly divalent and magnetically active. The associated Eu moments order ferromagnetically below 49K. In the case of Eu termination, we find that the 4f moments of the divalent Eu ions at the surface order ferromagnetically below 10K, too, and unveil thus another occurrence of 2D surface-related magnetism in the same non-magnetic bulk compound. Simultaneously, the mixed-valent properties of EuIr2Si2 and the strong temperature dependence of the mean Eu valency are clearly reflected in the electronic structure of the bulk in a smooth expansion of the Doughnut Fermi surface sheet with increasing temperature, which is interpreted as a band-filling effect. Our results show the high tunability of the electron spin by combining spin-orbit coupling and structural inversion asymmetry with the exchange interaction, which is at the heart of spintronics applications. The disclosure of controllable 2D magnetism at the surface of a non-magnetic bulk compound, which is enabled by an instability in the 4f shell, nominates valence fluctuating 4f compounds, especially with Eu and Sm, to be promising candidates for fundamental studies and applications. Our study moreover demonstrates the richness and versatility of 4f physics that may differ significantly at the surface and in the bulk.:1. Introduction 2. Preliminary Studies 2.1. Short introduction to lanthanides and 4f physics 2.2. LnT2Si2 compounds 3. Foundations 3.1. Band structure 3.2. Bulk states, surface states and surface resonances 3.3. The principles of photoelectron spectroscopy 3.4. Angle-resolved photoelectron spectroscopy 3.5. Photoabsorption and resonant photoelectron spectroscopy 3.6. X-ray absorption spectroscopy 3.6.1. X-ray magnetic circular dichroism 3.6.2. X-ray magnetic linear dichroism 3.7. Photoelectron diffraction 3.8. Synchrotron and synchrotron radiation 3.9. Density functional theory 4. Methods 4.1. Experimental details 4.2. DFT calculations 5. GdIr2Si2 5.1. Introduction 5.2. Results and discussion 5.2.1. Paramagnetic phase 5.2.2. Magnetically ordered phase 5.3. Summary 6. EuIr2Si2 6.1. Introduction 6.2. Results and discussion 6.2.1. Photoemission from the Eu 4f shell 6.2.2. ARPES on the Si-terminated surface 6.2.3. X-ray magnetic linear and circular dichroism 6.2.4. Eu termination 6.2.5. Determination of the mean Eu valency in the subsurface layers 6.2.6. Bulk properties 6.3. Summary 7. Conclusion / Die Suche nach neuartigen Technologien wie spinbasierte Elektronik sowie nach geeigneten Materialien für entsprechende Bauteile erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der Wechselwirkungen des Elektronenspins und damit verbundener Materialeigenschaften. Mit der zunehmenden Miniaturisierung von Bauteilen gewinnen in diesem Zusammenhang auch Oberflächenphänomene zunehmend an Bedeutung. In dieser Arbeit untersuchen wir die elektronischen und magnetischen Eigenschaften quasizweidimensionaler elektronischer Zustände an metallischen Oberflächen unter dem Einfluss des Rashba-Effekts und der Austauschwechselwirkung mit lokalisierten 4f Momenten, die bei tiefen Temperaturen magnetisch ordnen. Dabei liegt die Besonderheit der untersuchten Systeme darin, dass beide Wechselwirkungen von vergleichbarer Stärke sind. Dieser Fall ist in der Fachliteratur bislang unterrepräsentiert. Unser Modellsystem ist die (001)-Oberfläche intermetallischer LnIr2Si2 Verbindungen mit ThCr2Si2 Struktur, wobei Ln ein Lanthanoidenelement darstellt. Dabei führen wir die langjährige und systematische Untersuchung von LnT2Si2 Verbindungen mit T = Rh fort, in denen die Rashba-artige Spin-Bahn-Kopplung ungefähr 100-mal schwächer als die Austauschwechselwirkung ist. Mit Hilfe von winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) und Dichtefunktionaltheorie (DFT) erkunden wir mit GdIr2Si2 und EuIr2Si2 zwei Vertreter der LnT2Si2 Familie, die beide durch die Insensibilität der 4f Schale gegenüber dem Kristallfeld ausgezeichnet sind. Zugleich haben sie grundsätzlich verschiedene Volumeneigenschaften. GdIr2Si2 ist ein robuster Volumenantiferromagnet mit einer hohen Ordnungstemperatur von 87K, wohingegen EuIr2Si2 eine gemischtvalente Verbindung mit einem nicht-magnetischen Volumengrundzustand ist. Die mittlere Eu Valenz ist stark temperaturabhängig, sie ändert sich kontinuierlich von einer nahezu zweiwertigen Konfiguration bei Raumtemperatur zu einem beinahe dreiwertigen, nicht-magnetischen Eu Zustand unterhalb von _ 50K. Die Untersuchung der Oberflächenzustände in beiden Verbindungen zeigt, dass die Stärke der Rashba-artigen Spin-Bahn-Kopplung gegenüber den isoelektronischen Rh Verbindungen erheblich zunimmt. Dies spiegelt sich in einer riesigen Aufspaltung der Oberflächenbänder wider und unterstreicht die Bedeutung der atomaren Spin-Bahn-Kopplung in Elementen mit großer Kernzahl Z für die Stärke des Rashba-Effekts. Unsere DFT Rechnungen reproduzieren die gemessene Bandstruktur mit hoher Genauigkeit und offenbaren dieselbe Dreifachwindung des Spins entlang der Konturen konstanter Energie, die schon als kubischer Rashba-Effekt in den Rh Verbindungen beobachtet wurde. Hierin zeigt sich das allgemeingültige Wesen der Oberflächenzustände und deren universelle Eigenschaften in den betrachteten LnT2Si2 Verbindungen. Das Ordnen der 4f Momente bei niedrigen Temperaturen führt zu starken Veränderungen in der Spinstruktur und der Dispersion der Oberflächenbänder durch die einsetzende Austauschwechselwirkung. In der Bandstruktur bilden sich starke Asymmetrien, aus denen die Magnetisierungsachse bestimmt werden kann. Wir zeigen, dass dies sogar dann noch möglich ist, wenn sich spektrale Strukturen überlagern, die von unterschiedlichen magnetischen Domänen stammen. Besonders bemerkenswert ist, dass entsprechende Asymmetrien auch in EuIr2Si2 auftreten, trotz des nahezu dreiwertigen und damit nicht-magnetischen Eu bei tiefen Temperaturen. Mit komplementären experimentellen Methoden wie Röntgenabsorption, linearem und zirkularem Röntgendichroismus als auch durch die Berücksichtigung von Beugungseffekten in der Photoelektronenspektroskopie zeigen wir, dass Eu im Si–Ir–Si–Eu Oberflächenblock beinahe zweiwertig und magnetisch aktiv ist. Die zugehörigen Eu Momente ordnen unterhalb von 49K ferromagnetisch. Im Fall der Eu-Terminierung stellen wir fest, dass auch die 4f Momente der zweiwertigen Eu-Ionen an der Oberfläche unterhalb von 10K ferromagnetisch geordnet sind, und enthüllen damit ein weiteres Vorkommen zweidimensionalen, oberflächenbezogenen Magnetismus in derselben, nichtmagnetischen Volumenverbindung. Gleichzeitig spiegeln sich die gemischtvalenten Eigenschaften von EuIr2Si2 deutlich in der elektronischen Volumenbandstruktur in einer kontinuierlichen Ausdehnung der Doughnut-Fermifläche mit steigender Temperatur wider. Dies interpretieren wir als Bandfüllungseffekt. Unsere Ergebnisse zeigen die hohe Einstellbarkeit des Elektronenspins durch die Kombination von Spin-Bahn-Kopplung und struktureller Inversionsasymmetrie mit der Austauschwechselwirkung, was die Grundlage für Anwendungen in der spinbasierten Elektronik bildet. Die Enthüllung von kontrollierbarem, zweidimensionalem Magnetismus an der Oberfläche einer Verbindung mit instabiler 4f Schale, die im Volumen nicht-magnetisch ist, nominiert gemischtvalente 4f Verbindungen, insbesondere mit Eu und Sm, als vielversprechende Kandidaten für Grundlagenforschung und Anwendungen. Unsere Studie zeigt zudem den Reichtum und die Vielseitigkeit von 4f Systemen, deren Eigenschaften sich an der Oberfläche deutlich vom Volumen unterscheiden können.:1. Introduction 2. Preliminary Studies 2.1. Short introduction to lanthanides and 4f physics 2.2. LnT2Si2 compounds 3. Foundations 3.1. Band structure 3.2. Bulk states, surface states and surface resonances 3.3. The principles of photoelectron spectroscopy 3.4. Angle-resolved photoelectron spectroscopy 3.5. Photoabsorption and resonant photoelectron spectroscopy 3.6. X-ray absorption spectroscopy 3.6.1. X-ray magnetic circular dichroism 3.6.2. X-ray magnetic linear dichroism 3.7. Photoelectron diffraction 3.8. Synchrotron and synchrotron radiation 3.9. Density functional theory 4. Methods 4.1. Experimental details 4.2. DFT calculations 5. GdIr2Si2 5.1. Introduction 5.2. Results and discussion 5.2.1. Paramagnetic phase 5.2.2. Magnetically ordered phase 5.3. Summary 6. EuIr2Si2 6.1. Introduction 6.2. Results and discussion 6.2.1. Photoemission from the Eu 4f shell 6.2.2. ARPES on the Si-terminated surface 6.2.3. X-ray magnetic linear and circular dichroism 6.2.4. Eu termination 6.2.5. Determination of the mean Eu valency in the subsurface layers 6.2.6. Bulk properties 6.3. Summary 7. Conclusion

“We are symbionts on a symbiotic planet, and if we care to, we can find symbiosis everywhere.” — Lynn Margulis, 1999

Als van-der-Waals Heterostrukturen werden vertikale Stapelfolgen quasi-zweidimensionaler Kristalle bezeichnet. Durch die Kombination von Schichten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten für die Grundlagenforschung und potentielle Anwendungen neuer Materialien. Für die Synthese solcher Schichtstrukturen haben sich in der Vergangenheit hauptsächlich zwei Methoden etabliert. Dies ist zum einen die manuelle Stapelung mechanisch exfolierter Lagen und zum anderen das sequentielle Schichtwachstum mittels chemischer oder physikalischer Gasphasenabscheidung. Ein entscheidender Nachteil bei der mechanischen Exfoliation ist dabei, dass die verwendeten zweidimensionalen Schichten unter Transportbedingungen stabil sein müssen. Die sequentielle Synthese wird dadurch limitiert, dass die idealen Wachstumsbedingungen für verschiedene Lagen nicht immer kompatibel sind. Einen alternativen Ansatz zur Herstellung von van-der-Waals Heterostrukturen verfolgt die MER-Synthese (engl. modulated elemental reactants). Dabei wird die gewünschte Schichtstruktur durch einen amorphen Precursor vorgegeben, welcher aus elementaren Schichten mit exakt kalibrierter Teilchenzahl aufgebaut wird. Aufgrund der Vorstrukturierung kann die Kristallisation beim anschließenden Tempern bei deutlich niedrigeren Wachstumstemperaturen erfolgen als bei klassischen Festkörpersynthesen. Auf diese Weise sind auch metastabile Verbindungen mit variablen Stapelfolgen zugänglich, jedoch Verbunden mit einem Verlust der langreichweitigen kristallinen Ordnung. Daher werden solche Heterostrukturen auch als Ferekristalle bezeichnet (nach dem lateinischen fere, zu Deutsch „fast“). Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung verschiedener Ferekristalle mittels Methoden der Oberflächenphysik. Der Fokus liegt dabei auf der elektronischen Struktur und den Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schichten, welche über die Photoelektronenspektroskopie zugänglich sind. Insbesondere Ladungstransferphänomene lassen sich über die Analyse der atomaren Rumpfniveauspektren untersuchen. Dabei können zwei grundlegende Prozesse unterschieden werden: In Ferekristallen, die PbSe oder SnSe enthalten, zeigt sich eine Modulationsdotierung durch Elektronenübertrag in die benachbarten Übergangsmetalldichalkogenide. Verbindungen mit BiSe zeigen hingegen ein deutlich komplexeres Verhalten, da neben dem Ladungstransfer in benachbarte Schichten auch eine Lokalisation von Ladungsträgern an Antiphasendomänengrenzen erfolgen kann. In Kombination mit Molybdändiselenid treten bei entsprechend großem Elektronenübertrag aus BiSe gemischte Bereiche der halbleitenden 2H- und (metastabilen) metallischen 1T-Phase von MoSe2 auf. Durch eine Variation der Zusammensetzung und Stapelfolge der betrachteten Ferekristalle lassen sich diese Phänomene systematisch untersuchen. Zum Abschluss der Arbeit wird zudem die Anwendbarkeit der MER-Synthese für die Herstellung ultradünner Filme mit einer Dicke im Bereich von ein bis zwei Monolagen untersucht. Als Wachstumssubstrate kommen dabei Silizium und epitaktisches Graphen auf Siliziumcarbid zum Einsatz. Dabei konnte sowohl das Wachstum von Monolagen von MoSe2 als auch von Bilagen aus MoSe2 und Bi2Se3 erfolgreich demonstriert werden. / Vertical stacks of quasi-two-dimensional crystals are commonly referred to as van-der-Waals heterostructures. By combining layers with different physical properties, one opens up a variety of possibilities for fundamental research as well as the application of new materials. In the past, two prominent methods have been established for the synthesis of such layered structures: manual stacking of mechanically exfoliated layers and sequential layer-by-layer growth via chemical or physical vapor deposition. A decisive disadvantage of the mechanical exfoliation is that the two-dimensional layers that are to be stacked have to be stable under transport conditions. Sequential synthesis is limited by the fact that the ideal growth conditions for different layers are not always compatible. An alternative approach to the preparation of van-der-Waals heterostructures is the MER-synthesis. MER stands for modulated elemental reactants. Here, an amorphous precursor mimicking the desired structure is built up from elemental layers with a precisely calibrated number of atoms. Due to the prestructuring of the precursor, crystallization during subsequent annealing can take place at significantly lower growth temperatures compared to classical solid-state syntheses. With this approach, metastable compounds with variable stacking sequences become accessible, but at the expense of losing the long-range crystalline order. Therefore, such heterostructures are also referred to as ferecrystals (from the latin fere, meaning „almost“). The present work is devoted to the study of a variety of ferecrystals by means of surface science methods. The main focus is put on the electronic structure of and the interactions between the individual layers, which are accessible via photoelectron spectroscopy. In particular, charge transfer phenomena can be studied by analyzing the atomic core level spectra. Here, two distinct fundamental processes can be distinguished: In ferecrystals that contain PbSe or SnSe, electrons are transferred into the neighboring transition metal dichalcogenide layers, which can be applied in the form of controlled modulation doping. On the other hand, compounds with BiSe show a much more complex behavior. In addition to charge transfer into neighboring layers, localization of charge carriers can occur at antiphase domain boundaries. When combined with molybdenum diselenide, electron donation from BiSe can lead to a mixture of the semiconducting 2H- and (metastable) metallic 1T-phase of MoSe2. By varying the composition and layering sequence of the heterostructures, these phenomena can be investigated systematically. To conclude the thesis, the applicability of the MER synthesis for the preparation of ultrathin films with thicknesses in the range of one to two monolayers is investigated. In this study, silicon and epitaxial graphene on silicon carbide are used as growth substrates. The growth of monolayers of MoSe2 as well as bilayers of MoSe2 and Bi2Se3 is demonstrated successfully.

Zementklinker ist der Hauptbestandteil von Zement und verbraucht zu dessen Herstellung signifikante Mengen von natürlichen Ressourcen und trägt gleichzeitig zu seiner sehr ungünstigen Treibhausgasbilanz bei. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Zementersatzstoffe mit spezifischen Eigenschaften aus Abfallstoffen wie Kieswaschschlämmen, Strassenwaschschlämmen und Gipskartonplatten ohne Leistungseinbußen auf Produktseite, bei geringeren Temperaturen und geringerer CO2 Emission hergestellt werden können. Entsprechend den angestrebten Eigenschaften solcher zum Teil anthropogener Zementbestandteile wurden lokal verfügbare geeignete Abfallstoffe ausgewählt und thermisch aktiviert. Eine industriell anwendbare Methode zur Aktivierung solcher Stoffe bei Temperaturen von 700 °C – 850 °C wurde entwickelt und patentiert. Es basiert auf einem neu entwickelten Trocknungsverfahren und der Kombination von zwei Produktionslinien, um durch die Verknüpfung der Gasströme beider Systeme eine energieeffiziente thermische Behandlung von Abfallstoffen zu ermöglichen sowie auf umweltfreundliche Weise einen Zementersatzstoff herzustellen.:Table of Contents List of Tables List of Figures List of Abbreviations Glossary Chapter 1: Introduction 1.1 Motivation 1.2 Research hypotheses and objectives 1.3 Research methodology 1.4 Thesis outline Chapter 2: State of the art in SCM production 2.1 Supplementary cementitious materials 2.2 Classification of SCMs 2.2.1 Classification according to origin 2.2.2 Classification according to reaction behaviour 2.3 Chemical composition of SCMs 2.4 Formation of hydraulic or pozzolanic minerals in thermal processes 2.4.1 Cement clinker 2.4.2 Burnt oil shale 2.4.3 Fly ash 2.4.4 Calcined clay 2.5 Performance of composite cements 2.6 Calcining technologies 2.6.1 Flash calciner 2.6.2 Rotary calciner 2.7 Comparison of process technologies 2.8 Summary of Chapter 2 Chapter 3: Alternative SCMs and a new method for activation 3.1 Introduction 3.2 Target of alternative SCM 3.3 Waste materials 3.3.1 Aggregate washing sludge 3.3.2 Road cleaning sludge 3.3.3 Deconstruction gypsum 3.4 Producing alternative SCMs 3.5 Thermal activation of alternative SCMs 3.6 Limitations in current calcining technology 3.6.1 Difficult emission control 3.6.1.1 Particulate emission 3.6.1.2 Gaseous emission 3.6.2 Challenging material preparation 3.6.3 Demand for noble fuels 3.6.4 Difficult colour control 3.6.5 Strict temperature control 3.6.6 CO2 footprint of calciners 3.7 Proposed new method of calcination 3.7.1 Feed material handling 3.7.2 Thermal heat-exchange system 3.7.3 Clay calciner design 3.7.4 Grinding 3.8 Summary Chapter 3 Chapter 4: Theoretical Considerations 4.1 Material considerations 4.1.1 Composition of alternative SCM 4.1.2 Anticipated products and characteristics 4.2 Process considerations 4.2.1 System capacity 4.2.2 Material characteristics 4.2.3 Material receiving, crushing and handling 4.2.4 Thermodynamic modelling 4.2.4.1 Mass balance 4.2.4.2 Drying and cooling heat balance 4.2.4.3 Calcination heat balance 4.2.4.4 Gas balance 4.2.4.5 Impact on clinker kiln line 4.2.4.6 Impact of calcite on the gas balance 4.2.5 Calciner design 4.2.6 Colour control 4.2.7 Emission prediction 4.2.7.1 Emission during drying 4.2.7.2 Emission during calcination 4.2.8 CO2 footprint of produced material 4.2.9 Grinding requirements 4.3 Summary of Chapter 4 Chapter 5: Experimental tests and proof of concept 5.1 Introduction 5.2 Sampling and characterization 5.2.1 Kaolinitic AWS from France 5.2.2 Non-kaolinitic AWS from Switzerland 5.2.3 Road cleaning sludges from Switzerland 5.2.4 Deconstruction gypsum from Switzerland 5.2.5 Sample preparation and shipping 5.3 Drying screw conveyor testing 5.4 Calcination testing 5.4.1 Mineralogy of activated products 5.4.1.1 Non-kaolinitic SCM 5.4.1.2 Kaolinitic AWS from France 5.4.2 Colour 5.5 Crushing tests 5.6 Grinding tests 5.7 Mortar compressive strength testing 5.8 Water demand testing 5.9 Summary of Chapter 5 Chapter 6: Experimental results 6.1 Characteristics of activated materials 6.2 Concrete performance and colour 6.2.1 Thermally activated kaolinitic AWS from France 6.2.2 Thermally activated non-kaolinitic alternative SCM from Switzerland 6.3 Equipment dimensioning 6.3.1 Process mass flow 6.3.2 Heat-exchanging screws and thermal oil system 6.3.3 Rotary calciner dimensioning 6.3.4 Ball mill dimensioning 6.4 CO2 reduction 6.5 Summary of Chapter 6 Chapter 7: Conclusion and outlook 7.1 Conclusions 7.2 Outlook. Literature

Hafnium oxide is widely used for resistive switching devices, and recently it has been discovered that ferroelectricity can be established in (un-)doped hafnium oxide as well. Previous studies showed that both switching mechanisms are influenced by oxygen vacancies. For resistive switching, typically amorphous oxide layers with an asymmetric electrode configuration are used to create a gradient of oxygen vacancies. On the other hand, ferroelectric switching is performed by having symmetric electrodes and requires crystalline structures. The coexistence of both effects has recently been demonstrated. In this work, a detailed analysis of the reversible interplay of both switching mechanisms within a single capacitor cell is investigated. First, ferroelectric switching cycles were applied in order to drive the sample into the fatigued stage characterized by increased concentration of oxygen vacancies in the oxide layer. Afterwards, a forming step that is typical for the resistive switching devices was utilized to achieve a soft breakdown. In the next step, twofold alternation between the high and low resistance state is applied to demonstrate the resistive switching behavior of the device. Having the sample in the high resistance state with a ruptured filament, ferroelectric switching behavior is again shown within the same stack. Interestingly, the same endurance as before was observed without a hard breakdown of the device. Therefore, an effective sequence of ferroelectric—resistive—ferroelectric switching is realized. Additionally, the dependence of the forming, set, and reset voltage on the ferroelectric cycling stage (pristine, woken-up and fatigued) is analyzed giving insight into the physical device operation.