Diatoms are unicellular, eukaryotic microalgae inhabiting nearly all aquatic habitats. They are famous for their micro- and nanopatterned silicabased cell walls, which are envisioned for various technologic purposes. Within this review article, we summarize recent in vivo modifications of diatom biosilica with respect to the following questions: (i) Which metals are taken up by diatoms and eventually processed into nanoparticles (NPs)? (ii) Are these NPs toxic for the diatoms and––if so––what factors influence toxicity? (iii) What is the mechanism underlying NP synthesis and subsequent metabolism? (iv) How can the obtained materials be useful for materials science?

Lumineszenzmessungen und Lumineszenz-Bildgebung spielen in den Biowissenschaften eine wichtige Rolle und ermöglichen den Nachweis und die Detektion von biomolekularen Wechselwirkungen und Analyten, die selbst keine intrinsische Farbe und / oder Lumineszenz aufweisen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von im Nahinfrarot (NIR) anregbaren, mehrfarbig emittierenden Aufkonversions-Nanokristallen (UCNPs) wie mit Yb3+ und Er3+ dotierten NaYF4-Nanopartikeln. Diese Nanopartikel können als Lumineszenzreporter oder Energiedonoren (Nanolampen) für die Anregung von Analyt-sensitiven Sonden benutzt werden. In dieser Arbeit, die den Aufbau eines selbstreferenzierten UCNP-basierten Sensors für die Ermittlung von pH-Werten als Ziel hatte, wurden beide Sensorkomponenten gezielt ausgewählt, synthetisiert und spektroskopisch charakterisiert. Dies beinhaltete i) UCNPs mit unterschiedlichen Größen, Partikelarchitekturen und Oberflächenfunktionalisierungen oder -beschichtungen und ii) Rosamin-Farbstoffe mit Absorptions- und Emissionseigenschaften, die für die gewünschte Kombination mit UCNPs geeignet sind. Des Weiteren wurde eine umfassende Untersuchung der chemischen Stabilität von unterschiedlich oberflächenfunktionalisierten und beschichteten UCNPs in biologisch relevanten Puffern durchgeführt. Für die schnelle Ermittlung der UCNP-Stabilität wurde eine einfache optische Überwachungsmethode zum Nachweis der Partikeldisintegationentwickelt, die die Abhängigkeit der UC-Lumineszenz und ihrer Lebensdauer von der Partikelgröße und Oberfläche ausnutzt. Im letzten Teil der Doktorarbeit wurden pH-Sensorfilme und Nanosensoren durch die Kombination der optimierten Yb3+, Er3+-co-dotierten UCNPs mit den pH-sensitiven Rosaminfarbstoffen als Energie-Akzeptoren unter Verwendung eines einfachen inneren Filters (Reabsorption) oder eines RET – Sensorkonzept konstruiert. / Luminescence sensing and imaging play an important role in the life sciences, enabling the detection and monitoring of biomolecular interactions and molecular targets that have no intrinsic colour and/or luminescence even in complex biological samples. A very promising approach presents the utilization of near-infrared (NIR) excitable multi-colour emissive upconversion nanocrystals (UCNPs) like NaYF4 nanoparticles doped with Yb3+ and Er3+ as luminescent reporters and as energy donors or “nanolamps” for the excitation of analyte-responsive probes. In this work, aiming at the design of self-referenced UCNP-based sensors for pH, both sensor components were rationally designed, synthesized, and spectroscopically characterized. This included i) UCNPs with different sizes, architectures, and surface chemistries or coatings and ii) rosamine dyes with absorption and emission properties adapted to the UC emission of the NaYF4: Yb3+, Er3+-doped UCNPs. Additionally, an extensive study of the chemical stability of differently surface functionalized and coated UCNPs in biologically relevant buffers was performed. To simplify stability monitoring, an optical monitoring method was developed for the detection of particle disintegration utilizing the size and environment dependence of the UC emission intensity and decay kinetics. Finally, pH sensor films and nanosensors were constructed by combining the initially optimized Yb3+, Er3+ co-doped UCNPs with pH-responsive rosamine dyes acting as energy acceptors utilizing a simple inner filter (reabsorption)- and a RET-based sensor concept.

In dieser Arbeit wurden fluoreszierende MIP-Partikel hergestellt, um polare Analyten von biologischer und ökologischer Bedeutung zu analysieren, zum Beispiel den Krebs-Biomarker Sialinsäure (SA) und die Herbizide Glyphosat (GPS), Haloxyfop P und Fenoxaprop P. Die MIP-Schale wurde auf Siliziumdioxid und siliziumdioxid-beschichtete Polystyrol (PS)-Kernpartikel synthetisiert und enthielt einen Fluoreszenzfarbstoff, dessen Signal in Anwesenheit der Zielanalyten verstärkt wurde. Die Leistungsfähigkeit aller MIP-Partikel wurde durch den Vergleich ihres Bindungsverhaltens mit den nicht geprägten Polymer (NIP)-Partikeln und/oder durch ihre Diskriminierungsfähigkeit gegenüber konkurrierenden Analyten bewertet. Fluoreszierende Monomer für die MIP-Synthese erwiesen sich als vorteilhaft, da sowohl die Bindungsleistung als auch die Assoziationskonstanten einfacher bestimmt werden konnten. Als Alternative zur traditionellen Wasserstoffbrückenbindung zwischen Analyt und Bindungseinheit des Farbstoffes in unpolaren Lösungsmitteln, kann die Deprotonierung-Protonierung von harnstoffhaltigen Farbstoffen als Sensing-Mechanismus in polaren Medien wie DMF verwendet werden. Darüber hinaus führte die Verwendung eines „Dummy“-Analyten für die NIP-Partikel-Synthese zu einer Polymerschicht mit ähnlichen Eigenschaften wie die der MIP-Partikel, womit "Dummy"-NIPs als deutlich bessere Kontrollpartikel herangezogen werden konnten. Insgesamt erwies sich die Bestimmung der Diskriminierung der MIPs gegenüber konkurrierenden Analyten als konsistenteres Maß für die Leistungsbeurteilung. Mit Siliziumdioxid beschichtete, farbstoffdotierte PS-Partikel erwiesen sich als vielseitige Plattform für das Aufwachsen fluoreszierender MIP-Schalen, um zweifach fluoreszierende MIPs zu erhalten. Das Vorhandensein eines Kontrollsignals ist vorteilhaft für die Korrektur instrumenteller Schwankungen während analytischer Tests. / Fluorescent MIP particles were prepared to target highly polar analytes of biological and environmental significance, namely sialic acid (SA) and glyphosate (GPS), haloxyfop P and fenoxaprop P. Silica and silica-coated polystyrene (PS) particles were used as core supports on which a MIP shell was synthesized. In all systems, the MIP shell contained a fluorescent dye with urea sensing motifs whose signal was enhanced in the presence of the target analyte. The performance of all MIP particles was evaluated by comparing their binding behaviour to that of non-imprinted polymer (NIP) controls and/or determining their discrimination ability against competing analytes. It was found that the application of fluorescent monomers in MIP synthesis is advantageous due to simplified determination of binding performance and binding parameters such as association constants. It was also shown that deprotonation-reprotonation of urea containing dyes can be used as a sensing mechanism in polar media such as DMF, as an alternative to traditional hydrogen bonding in non-polar aprotic solvents. In addition, the results showed that the inclusion of a “dummy” template during NIP synthesis led to the formation of a polymer layer with similar properties as the MIP, and thus, “dummy” NIPs provided a more relevant comparison for MIP binding. Overall, the discrimination of MIPs against competing analytes was found to be a more consistent measure of MIP performance. When a urea containing dye was used to prepare MIPs targeting anions by hydrogen bonding in non-polar media, the choice of counterion used during imprinting influenced the binding behaviour of the resulting MIPs and must be carefully chosen. Lastly, silica-coated dye-doped PS was found to be a versatile platform for the grafting of fluorescent MIP shells to achieve dual fluorescent MIPs, and the presence of a control signal was beneficial in correcting instrumental fluctuations during analytical assays.

In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe eines Photon-STM die Korrelation zwischen optischen Eigenschaften und der lokalen Morphologie an zwei unterschiedlichen Systemen untersucht. Hierfür wurden zum einem oxidgetragene Ensemble von Silber-Partikeln präpariert, wobei sowohl die Partikelform (Kuppel- und Scheibenform) als auch die deponierte Partikeldichte variiert werden konnte. Neben der Präparation solcher Partikel auf Al10O13/NiAl, konnten sphärische Silber-Kolloide geordnet, als auch ungeordnet auf HOPG aufgebracht und untersucht werden. Dabei zeigte sich, dass das Verhältnis von Höhen zu Breiten nicht nur einen signifikanten Einfluss auf die Mie-Resonanz des einzelnen Partikels hat, sondern auch die elektromagnetische Kopplung der Partikel in einem Ensemble stark kontrolliert. Die energetische Lage der Mie-Resonanz zeigt im Fall der kuppelförmigen Ag-Partikel eine starke Abhängigkeit vom Intepartikel-Abstand, was sich in einer Verschiebung zu höheren Energien für eine steigende Partikeldichte äußert. Eine solche Abhängigkeit konnte bei den Ensembles der scheibenförmigen Partikel nicht beobachtet werden. Des weiteren zeigte sich, dass, verglichen mit den ungeordneten Ensembles, die selbstorganisierte langreichweitige Ordnung der Silber-Kolloide auf HOPG nur einen schwachen Einfluss auf die energetische Position der Mie Resonanz hat.Das zweite hier untersuchte System sind dünne MgO Filme unterschiedlicher Dicken auf einem Mo(001) Substrat. Diese zeigen ein reichhaltiges Wachstumsverhalten, welches durch eine Differenz in den Gitterkonstanten von 5.3% begründet ist und erst ab etwa 25 ML zu einem flachen und defektarmen Film führt. Die so induzierte Spannung relaxiert bis zu einer Dicke von etwa 7 ML in einer periodischen Überstruktur die aus abwechselnd flachen und verkippten Ebenen an der MgO-Mo Grenzschicht hervorgeht. Für MgO Filme mit einer Dicke von etwa 12 ML werden dann Schraubenversetzungen, ausgedehnte verkippte Ebenen und Stufenkanten mit einer Orientierung entlang der Richtung beobachtet. Die optische Charakterisierung durch Feldemission von Elektronen aus der STM-Spitze in den MgO-Film wird dominiert von zwei Emissionsmaxima bei Energien von 3.1 eV und 4.4 eV. Die kontrollierte Nukleation von Gold Partikeln und die Erzeugung von Farbzentren im MgO Film erlaubten eine Zuordnung dieser Emissionen zu strahlenden Zerfällen von Exitonen an Ecken, Kinken bzw. Stufen des Magnesiumoxids. Solche Emissionsprozesse konnten allerdings nur unter Einstellungen beobachtet werden, bei denen ein gleichzeitiges Rastern der Oberfläche unmöglich ist. Bei moderaten Einstellungen war auch eine ortsaufgelösten Spektroskopie möglich, wobei dann neue Emissionsmechanismen beobachtet wurden. Dabei sind zwei Prozesse wesentlich; zum einen die Ausbildung von sog. Spitzen-induzierten Plasmonen im Bereich zwischen Spitze und dem Mo-Substrat, zum anderen strahlende Elektronenübergänge zwischen sog. Feldemissionsresonanzen, die sich im Spitze/MgO-Film System ausbilden. / In this thesis, the correlation between the optical properties and the local morphology of supported silver nanoparticle ensembles and MgO thin films deposited on Mo(001) systems is explored by means of Photon-STM. In the first section, dome and disk shaped Ag nanoparticle ensembles with increasing density on an alumina film on NiAl(110) were analyzed as well as ordered and disordered ensembles of Ag nanocolloids on HOPG. The aspect ratio of the Ag nanoparticles was found to have a significant influence not only on the Mie plasmon resonance of a single particle, but also on the electromagnetic coupling within the nanoparticle ensembles. The Mie resonance in the ensemble of dome shaped Ag nanoparticles shows a strong dependence on the interparticle distance, where it shifts to higher energies with increasing particle density, due to destructive interference effects. In the disk-like Ag ensembles, however, the plasmon energy is independent of particle-particle separation. The long-range lateral ordering of size-selected Ag nanocolloids is found to induce a high dipole-dipole coupling within the ensemble. This is mainly reflected by the enhancement of the spectral intensity of the in-plane Mie mode, due to constructive coupling. However, ensembles with either well-ordered or disordered arrangements reveal no important difference in their optical properties, reflecting the weak influence of the long-range order in the particle ensemble. Thin MgO films with different thicknesses were grown on a Mo(001) surface. The stress resulting from the 5.3% lattice mismatch between the MgO(001) and the Mo(001) lattice parameters is found to control the surface morphology of the MgO film until thicknesses of around 25ML at which flat and defect-poor films are obtained. The relaxation of the stress induces a periodic network in the first 7ML of the MgO film, consisting of alternated flat and tilted mosaics. The presence of screw dislocations, steps oriented along the MgO directions, and tilted planes is observed when the MgO films are approximately 12ML thick. In addition, an increase of the MgO work function around these new surface features is revealed from STM spectroscopy. The photon emission induced by field-emitted electron injection from the STM tip into the MgO films is dominated by two emission bands located at 3.1eV and 4.4eV. To check the origin of these bands, further experiments, namely, nucleation of Au particles and creation of F-centers on the MgO surface, have been performed. The nucleation of Au particles at the low coordinated sites is found to quench the MgO optical signal, while the creation or annihilation of F-centers does not alter the MgO emission bands. The 3.1eV and the 4.4eV bands are therefore assigned to the radiative decay of MgO excitons at corner and kink sites, and step sites, respectively. Besides, spatially resolved optical measurements in the tunneling mode of the STM revealed different light emission mechanisms. These radiative processes are mainly related to tip-induced plasmons that form between the tip and the Mo support and to electron transitions between field-emission-resonance states in the STM tip-MgO film junction. The signal from exciton decays at corners and kinks of the MgO surface is however only observed at excitation conditions where the spatial resolution is already strongly reduced.

Diese Arbeit untersucht Fe-Oxid-Systeme mit Hilfe einer Kombination aus Mikroskopie (LEEM, Röntgen PEEMs), Beugung (LEED) und Spektroskopie (XPS) und berichtet über die elektronenoptische Entwicklung adaptiver Optiken und Aberrationskorrekturen für einen elektrostatischen abbildenden Energieanalysator. Experimentell untersuchten wir Magnetit und Hämatit Dünnschichten. Ihre Kristallstruktur, Stöchiometrie sowie deren Oberflächenterminierung können durch spezielle Herstellungsverfahren eingestellt werden. Unter Ausnutzung der Echtzeit-Beobachtung mit Mikroskopie, Beugung und Spektroskopie untersuchten wir (a) die Oberflächenmodifikationen von Fe3O4 und α-Fe2O3-Dünnschichten durch Fe Ablagerung; (b) die reversible Phasenumwandlung Fe3O4 ↔ α-Fe2O3 unter verschiedenen Oxidationsbedingungen; (c) die Bildung der metastabilen γ-Fe2O3-Phase und (d) die Wechselwirkung von Fe3O4 und α-Fe2O3 Oberflächen mit unterstützten Pt-Nanopartikeln. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, um den LEEM Bildkontrast für inhomogene 2D Oberflächen zu simulieren. Abschließend wird das Design eines Energiefilter-System vorgestellt, das in ein PEEM/LEEM Mikroskop der neuen Generation eingebaut werden wird. Das System basiert auf dem gleichen Abbildungsprinzip wie der magnetische Ω-Filter, der erfolgreich im aktuellen SMART Mikroskop eingesetzt wird. Das neue Instrument zielt auf die Verbesserung der Orts- und Energieauflösung im XPEEM (5 nm und 70 meV). Die Mehrzahl der möglichen Aberrationen zweiter Ordnung wird durch die intrinsische Symmetrie selbstkompensiert. Die Wirkung der anderen Aberrationen wird durch ein geeignetes Design der Verzögerungs- und Beschleunigungsoptiken kombiniert mit einer optimierten Passenergie reduziert. Darüber hinaus kompensieren zusätzliche Hexapole die restlichen dominierenden Aberrationen, wodurch eine Orts- und Energieauflösung besser als 2 nm bzw. 75 meV erreicht wird. / This work presents the investigation of Fe-oxide systems, combining microscopy (LEEM, X-PEEM), diffraction (LEED) and spectroscopy (XPS), and the electron-optical development of adaptive optics and aberration corrections for an electrostatic imaging energy analyzer. Experimentally, we studied magnetite (Fe3O4) and hematite (α-Fe2O3) thin films. Their crystal structure, stoichiometry as well as their surface termination can be tuned by special preparation procedures. Taking advantage of real time observation with microscopy, diffraction and spectroscopy, we investigated (a) the surface modifications of Fe3O4 and α-Fe2O3 thin films by Fe deposition; (b) the reversible phase transformation Fe3O4 ↔ α-Fe2O3 under different oxidation conditions; (c) the formation of the metastable γ-Fe2O3 phase and (d) the interaction of Fe3O4 and α-Fe2O3 surfaces with supported Pt nanoparticles . An algorithm was developed to simulate the LEEM image contrast for inhomogeneous 2D surfaces. The possible application to experimental data and the limitation will be discussed. Finally, the design of an energy filtering system is presented, which will be implemented in a new generation PEEM/LEEM microscope. The system bases on the same imaging principle as the magnetic Ω-filter, successfully implemented in the actual SMART microscope. The new instrument aims for the improvement of lateral and energy resolution in X-PEEM (5 nm and 70 meV, respectively). The majority of the possible second order aberrations are self-compensated by intrinsic symmetry. The effect of the other aberrations is reduced by an adequate design for the deceleration-acceleration optics in combination with optimized pass energy. Furthermore, additional hexapole multipoles compensate for the residual dominating aberrations, yielding in the lateral resolution and energy resolution better than 2 nm and 75 meV, respectively.

In der vorliegenden Arbeit werden nanopartikelhaltige Suspensionen auf Ag- und Ni-Basis sowie Ag-Precursoren, die während des Erwärmungsprozesses Nanopartikel bilden, bezüglich ihrer Eignung zum Fügen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Dabei wird die, im Vergleich zum entsprechenden Massivmaterial, verringerte Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln ausgenutzt. Da nach dem Schmelz- und Sinterprozess der Partikel die thermischen Eigenschaften des Massivmaterials vorliegen, ergibt sich ein großes Potential für die Herstellung hochfester und temperaturbeständiger Verbindungen bei gleichzeitig niedrigen Fügetemperaturen, was für eine Vielzahl von Fügeaufgaben von großem Interesse ist. In der Arbeit wird zunächst eine kommerzielle Ag-Nanopaste insbesondere bezüglich ihres thermischen Verhaltens charakterisiert. In der Folge werden Fügeverbindungen mit Cu-Substraten hergestellt, die in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bzgl. der Festigkeiten, der Mikrostruktur sowie der Bruchflächen detailliert charakterisiert werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Fügedruck einen signifikanten Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten ausübt. Mit hohen Fügedrücken können bei einer Fügetemperatur von 300 °C höhere Verbindungsfestigkeiten als mit einem konventionellen Hartlot auf AgCu-Basis (Löttemperatur: 780 °C) erreicht werden. Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Fügen von Stählen mit einer Ni-Nanopaste vorgestellt, mit der hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können. Schließlich wird mit Ag-Precursoren eine weitere Klasse möglicher Fügewerkstoffe vorgestellt, die erst während des Erwärmungs- bzw. Fügeprozesses Nanopartikel bilden, was in einer deutlich vereinfachten Handhabbarkeit resultiert. Die Arbeit liefert zudem Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten. / In this thesis, Ag- and Ni-based nanoparticle-containing suspensions and Ag precursors, which form nanoparticles during heating, are examined with regard to their suitability for joining at low temperatures. Nanoparticles exhibit a decrease in sintering and melting temperature in comparison to the corresponding bulk material. After melting and sintering of the nanoparticles, the material behaves like the bulk material. Therefore, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures, which is of great interest for various joining tasks. First, a commercially available Ag nanopaste is characterized in particular regarding to its thermal behavior. Subsequently, joints (substrate: Cu) are prepared with the Ag nanopaste. The influence of different process parameters on the strength behavior of the joints, the microstructure and the fracture surfaces is investigated. It is shown, that in particular the joining pressure exerts an essential influence on the achievable strengths. With high joining pressures, the strengths of conventionally brazed joints (AgCu brazing filler metal, brazing temperature: 780 °C) can be exceeded at a joining temperature of only 300 °C. Furthermore, first results for the joining of steels with a Ni nanopaste are presented, whereby high strengths can be achieved. Finally, with Ag precursors, an additional class of possible joining materials is presented, which form nanoparticles only during heating. This results in a significantly simplified handling. The work also provides approaches for further research activities.

In der vorliegenden Arbeit werden nanopartikelhaltige Suspensionen auf Ag- und Ni-Basis sowie Ag-Precursoren, die während des Erwärmungsprozesses Nanopartikel bilden, bezüglich ihrer Eignung zum Fügen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Dabei wird die, im Vergleich zum entsprechenden Massivmaterial, verringerte Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln ausgenutzt. Da nach dem Schmelz- und Sinterprozess der Partikel die thermischen Eigenschaften des Massivmaterials vorliegen, ergibt sich ein großes Potential für die Herstellung hochfester und temperaturbeständiger Verbindungen bei gleichzeitig niedrigen Fügetemperaturen, was für eine Vielzahl von Fügeaufgaben von großem Interesse ist. In der Arbeit wird zunächst eine kommerzielle Ag-Nanopaste insbesondere bezüglich ihres thermischen Verhaltens charakterisiert. In der Folge werden Fügeverbindungen mit Cu-Substraten hergestellt, die in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bzgl. der Festigkeiten, der Mikrostruktur sowie der Bruchflächen detailliert charakterisiert werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Fügedruck einen signifikanten Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten ausübt. Mit hohen Fügedrücken können bei einer Fügetemperatur von 300 °C höhere Verbindungsfestigkeiten als mit einem konventionellen Hartlot auf AgCu-Basis (Löttemperatur: 780 °C) erreicht werden. Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Fügen von Stählen mit einer Ni-Nanopaste vorgestellt, mit der hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können. Schließlich wird mit Ag-Precursoren eine weitere Klasse möglicher Fügewerkstoffe vorgestellt, die erst während des Erwärmungs- bzw. Fügeprozesses Nanopartikel bilden, was in einer deutlich vereinfachten Handhabbarkeit resultiert. Die Arbeit liefert zudem Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten. / In this thesis, Ag- and Ni-based nanoparticle-containing suspensions and Ag precursors, which form nanoparticles during heating, are examined with regard to their suitability for joining at low temperatures. Nanoparticles exhibit a decrease in sintering and melting temperature in comparison to the corresponding bulk material. After melting and sintering of the nanoparticles, the material behaves like the bulk material. Therefore, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures, which is of great interest for various joining tasks. First, a commercially available Ag nanopaste is characterized in particular regarding to its thermal behavior. Subsequently, joints (substrate: Cu) are prepared with the Ag nanopaste. The influence of different process parameters on the strength behavior of the joints, the microstructure and the fracture surfaces is investigated. It is shown, that in particular the joining pressure exerts an essential influence on the achievable strengths. With high joining pressures, the strengths of conventionally brazed joints (AgCu brazing filler metal, brazing temperature: 780 °C) can be exceeded at a joining temperature of only 300 °C. Furthermore, first results for the joining of steels with a Ni nanopaste are presented, whereby high strengths can be achieved. Finally, with Ag precursors, an additional class of possible joining materials is presented, which form nanoparticles only during heating. This results in a significantly simplified handling. The work also provides approaches for further research activities.