The acid and base catalyzed simultaneous twin polymerization (STP) of various 2,2′-disubstituted 4H-1,3,2-benzodioxasiline derivatives 2a–d with 2,2′-spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasiline] (1) are presented in this paper. The products are nanostructured ternary organic–inorganic hybrid materials consisting of a cross-linked organic polymer, silica and a disubstituted polysiloxane. It can be demonstrated whether and in which extent the copolymerization of the two inorganic fragments of 1 and 2 takes place among the STP and how the molar ratio of the two components determines the structure formation of the resulting hybrid material. Steric and electronic effects of the substituents at the silicon center of 2 on the molecular structure formation and the morphology of the resulting hybrid material were investigated by means of solid state CP MAS 29Si and 13C NMR spectroscopy as well as high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM). The mechanical properties (hardness and Young's modulus) of the hybrid materials were analyzed by means of nanoindentation measurements. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The generation and propagation of pulses of nonequilibrium acoustic phonons and their interaction with semiconductor nanostructures are investigated. Such studies can give unique information about the properties of low-dimensional electron systems, but in order to interpret the experiments and to understand the underlying physics, a comparison with theoretical models is absolutely necessary. A central point of this work is therefore a universal theoretical approach allowing the simulation and the analysis of phonon spectroscopy measurements on low-dimensional semiconductor structures. The model takes into account the characteristic properties of the considered systems. These properties are the elastic anisotropy of the substrate material leading to focusing effects and highly anisotropic phonon propagation, the anisotropic nature of the different electron-phonon coupling mechanisms, which depend manifestly on phonon wavevector direction and polarization vector, and the sensitivity to the confinement parameters of the low-dimensional electron systems. We show that screening of the electron-phonon interaction can have a much stronger influence on the results of angle-resolved phonon spectroscopy than expected from transport measurements. Since we compare theoretical simulations with real experiments, the geometrical arrangement and the spatial extension of phonon source and detector are also included in the approach enabling a quantitative analysis of the data this way. To illustrate the influence of acoustic anisotropy and carrier confinement on the results of phonon spectroscopy in detail we analyse two different applications. In the first case the low-dimensional electron system acts as the phonon detector and the phonon induced drag current is measured. Our theoretical model enables us to calculate the electric current induced in low-dimensional electron systems by pulses of (ballistic) nonequilibrium phonons. The theoretical drag patterns reproduce the main features of the experimental images very well. The sensitivity of the results to variations of the confining potential of quasi-2D and quasi-1D electrons is demonstrated. This provides the opportunity to use phonon-drag imaging as unique experimental tool for determining the confinement lengths of low-dimensional electron systems. By comparing the experimental and theoretical images it is also possible to estimate the relative strength of the different electron-phonon coupling mechanisms.In the second application the low-dimensional electron system acts as the phonon pulse source and the angle and mode dependence of the acoustic phonon emission by hot 2D electrons is investigated. The results exhibit strong variations in the phonon signal as a function of the detector position and depend markedly on the coupling mechanism, the phonon polarization and the electron confinement width. We demonstrate that the ratio of the strengths of the emitted longitudinal (LA) and transverse (TA) acoustic phonon modes is predicted correctly only by a theoretical model that properly includes the effects of acoustic anisotropy on the electron-phonon matrix elements, the screening, and the form of the confining potential. A simple adoption of widely used theoretical assumptions, like the isotropic approximation for the phonons in the electron-phonon matrix elements or the use of simple variational envelope wavefunctions for the carrier confinement, can corrupt or even falsify theoretical predictions.We explain the `mystery of the missing longitudinal mode' in heat-pulse experiments with hot 2D electrons in GaAs/AlGaAs heterojunctions. We demonstrate that screening prevents a strong peak in the phonon emission of deformation potential coupled LA phonons in a direction nearly normal to the 2D electron system and that deformation potential coupled TA phonons give a significant contribution to the phonon signal in certain emission directions. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Ausbreitung von akustischen Nichtgleichgewichtsphononen und deren Wechselwirkung mit Halbleiter-Nanostrukturen. Güte und Effizienz moderner Halbleiter-Bauelemente hängen wesentlich vom Verständnis der Wechselwirkung akustischer Phononen mit niederdimensionalen Elektronensystemen ab. Traditionelle Untersuchungsmethoden, wie die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder der Thermospannung, erlauben nur eingeschränkte Aussagen. Sie mitteln über die beteiligten Phononenmoden und eine Trennung der einzelnen Wechselwirkungsmechanismen ist nur näherungsweise möglich ist. Demgegenüber erlaubt die in der Arbeit diskutierte Methode der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie ein direktes Studium des Beitrags einzelner Phononenmoden, d.h. in Abhängigkeit von Wellenzahlvektor und Polarisation der Phononen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Fragestellung, wie akustische Anisotropie und Ladungsträger-Confinement die Ergebnisse der winkel- und zeitaufgelösten Phononen-Spektroskopie beeinflussen und prägen. Dazu wird ein umfassendes theoretisches Modell zur Simulation von Phononen-Spektroskopie-Experimenten an niederdimensionalen Halbleitersystemen vorgestellt. Dieses erlaubt sowohl ein qualitatives Verständnis der ablaufenden physikalischen Prozesse als auch eine quantitative Analyse der Messergebnisse. Die Vorteile gegenüber anderen Modellen und Rechnungen liegen dabei in dem konsequenten Einbeziehen der akustischen Anisotropie, nicht nur für die Ausbreitung der Phononen, sondern auch für die Matrixelemente der Wechselwirkung, sowie eine saubere Behandlung des Confinements der Elektronen in den niederdimensionalen Systemen. Dabei werden die Grenzen weit verbreiteter Näherungsansätze für die Elektron-Phonon-Matrixelemente und das Elektronen-Confinement deutlich aufgezeigt. Für den quantitativen Vergleich mit realen Experimenten werden aber auch solche Größen, wie die endliche räumliche Ausdehnung von Phononenquelle und Detektor, die Streuung der Phononen an Verunreinigungen oder die Abschirmung der Elektron-Phonon-Kopplung durch die Elektron-Elektron-Wechselwirkung berücksichtigt.Im zweiten Teil der Arbeit wird der theoretische Apparat auf typische experimentelle Fragestellungen angewandt. Im Falle der Phonon-Drag-Experimente an GaAs/AlGaAs Heterostrukturen wird der durch akustische Nichtgleichgewichtsphononen in zwei- und eindimensionalen Elektronensystemen induzierte elektrische Strom (Phonon-Drag-Strom) als Funktion des Ortes der Phononenquelle bestimmt. Das in der Arbeit hergeleitete theoretische Modell kann die experimentellen Resultate für die Winkelabhängigkeit des Drag-Stromes sowohl für Messungen mit und ohne Magnetfeld qualitativ gut beschreiben. Außerdem wird der Einfluss unterschiedlicher Confinementmodelle und unterschiedlicher Wechselwirkungsmechanismen studiert. Dadurch ist es möglich, aus Phonon-Drag-Messungen Rückschlüsse auf die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der niederdimensionalen Elektronensysteme zu ziehen (Fermivektor, effektive Masse, Elektron-Phonon-Kopplungskonstanten, Form des Confinementpotentials). Als weiteres Anwendungsbeispiel wird das Problem der Energierelaxation (aufgeheizter)zweidimensionaler Elektronensysteme in GaAs Heterostrukturen und Quantentrögen untersucht. Für Elektronentemperaturen unterhalb 50 K werden die Gesamtemissionsrate als Funktion der Temperatur und die winkelaufgelöste Emissionsrate (als Funktion der Detektorposition) berechnet. Für beide Größen wird erstmals eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden. Es zeigt sich, dass akustische Anisotropie und Abschirmungseffekte zu überraschenden neuen Ergebnissen führen können. Ein Beispiel dafür ist der unerwartet große Beitrag der mittels Deformationspotential-Wechselwirkung emittierten transversalen akustischen Phononen, der bei einer Emission der Phononen näherungsweise senkrecht zum zweidimensionalen System beobachtet werden kann.

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

Der Einsatz nanostrukturierter Magnetmaterialien als Speicherschichten in Festplatten stellt ein vielversprechendes Konzept zur weiteren Erhöhung der erreichbaren Speicherdichten im Vergleich zu den heute eingesetzten granularen Medien dar. Für die Realisierung dieses Konzeptes ist eine detaillierte Kenntnis der Struktureigenschaften und deren Einfluss auf das magnetische Verhalten der einzusetzenden Schichten erforderlich. Für die vorliegende Arbeit wurden drei verschiedene magnetische Materialien ausgewählt und insbesondere mit elektronenmikroskopischen Methoden in struktureller Hinsicht untersucht. Dazu zählen ferromagnetische (FePt)(100-x)Cu(x) -Schichten, ferromagnetische [Co/Pt]n -Multilagen sowie ferrimagnetische Fe(100-x)Tb(x) -Schichten. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Korrelation zwischen strukturellen und magnetischen Eigenschaften sowie im Einfluss der Nanostrukturierung auf das magnetische Verhalten der Schichten. In dieser Hinsicht wurden Aspekte der durch die Struktur bedingten magnetischen Anisotropie in Form von magnetokristalliner und Grenzflächenanisotropie betrachtet. Zudem wurde das Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Strukturelementen in nanostrukturierten Schichten untersucht. Aufbauend auf die Untersuchung der drei genannten Materialien wurden [Co/Pt]n und Fe(100-x)Tb(x) ausgewählt zum Aufbau eines Systems mit zwei magnetischen Komponenten: Fe(80)Tb(20) / [Co/Pt]10. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf die Morphologie der Grenzfläche zwischen den beiden Bestandteilen und deren Einfluss auf den Exchange Bias, der in diesem System vorliegt.

This work presents theoretical background for the investigation of nanostructure formation in alkali-metal doped fullerene layers. A number of computational methods are used to describe structural transformation in the fullerene layer. They include tight-binding molecular dynamics, empirical molecular dynamics, Monte-Carlo calculations as well as other methods. The doped fullerene layers show the highest superconducting critical temperature among organic superconductors. A new electrochemical method of synthesis of potassium and rubidium fullerides has been recently developed by Professor Dunsch and coworkers in the department of electrochemistry and conductive polymers at IFW Dresden. The process of electrochemical doping is accompanied by several side effects, and one of them is nanostructure formation at the surface of the fullerene layer. In the present work an explanation is given for the nanostructure formation observed recently by scanning tunnel microscopy. The corresponding model is based on the concept of spontaneous phase separation that has been realized by kinetic Monte Carlo calculations. These calculations predict instability of initially homogeneous alkali-doped fullerene layers. Due to the significant gap in the Madelung energy formation of an alkali-poor and an alkali-reach phase is expected. The results of the Monte Carlo simulations point out that the particle size of the corresponding phases remains in the nanometer range. Interpretation of experimental data for metal deposition on fullerene substrates can be easily given in the framework of the phase separation concept as well. Metal clusters of the size order 50 to 100 nm emerge in course of electrochemical copper deposition on alkali-doped fullerene layers. The electrically conductive paths through the insulating fullerene layer are probably responsible for the inhomogeneous copper deposition under electrochemical conditions. A novel computer program has been developed in course of this work, which is designed as a distributed application. It can be used for diverse conventional and kinetic Monte Carlo calculations. / Die vorliegende Arbeit präsentiert theoretische Arbeiten, die das Ziel haben, die Nanostrukturbildung in dotierten Fullerenschichten zu verstehen. Diverse Rechenmethoden wurden verwendet, um die strukturellen Umwandlungen in der Fullerenschicht zu beschreiben. Die Tight-Binding-Molekulardynamik, die empirische Molekulardynamik und Monte-Carlo-Berechnungen sowie andere Methoden sind eingeschlossen. Die dotierten Fullerenschichten zeigen die höchste supraleitende kritische Temperatur unter den organischen Supraleitern. Eine neue elektrochemische Methode der Synthese von Kalium- und Rubidium-Fulleriden wurde vor kurzem von Professor Dunsch und Mitarbeitern in der Abteilung Elektrochemie und leitfähigen Polymere am IFW Dresden entwickelt. Der Prozess der elektrochemischen Dotierung wird von mehreren Nebenprozessen begleitet, und einer davon ist die Nanostrukturbildung an der Oberfäche der Fullerenschicht. In der vorliegenden Arbeit wird eine Erklärung für die Herausbildung der Nanostrukturen, die mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie beobachtet wurden, gegeben. Das entsprechende Modell basiert auf dem Konzept der spontanen Phasenentmischung und wird durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen realisiert. Diese Simulationen sagen Instabilität der zunächst homogenen Alkali-dotierten Fullerenschichten voraus. Wegen des wesentlichen Unterschieds in der Madelungenergie ist die Herausbildung einer Alkalimetall-armen und einer Alkalimetall-reichen Phase zu erwarten. Die Ergebnisse der Monte-Carlo-Simulationen weisen darauf hin, dass die Teilchengröße der entsprechenden Phasen im Nanometer-Bereich bleibt. Im Rahmen des Phasenentmischungskonzepts können auch experimentelle Daten zur Metallabscheidung auf Fullerensubstraten problemlos interpretiert werden. Bei elektrochemischer Kupferabscheidung auf Alkali-dotierten Fullerenschichten entstehen Metallcluster der Größenordnung von 50 bis 100 nm. Die elektrisch leitfähige Pfade, die in einer isolierenden Matrix auftreten, sind wahrscheinlich für die ungleichmäßige Kupferabscheidung unter elektrochemischen Bedingungen verantwortlich. Ein neuartiges Computerprogramm wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, das als eine verteilte Anwendung entworfen ist. Damit können diverse konventionelle und kinetische Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt werden.

The increasing demand for nearline storage capacity in data centers calls for a continued enhancement in hard disk drive recording density far beyond one terabit per square inch. The thermal stability limit forces the drive manufacturers to develop new concepts in order to achieve this in the long term. Potential solutions are microwave-assisted magnetic recording (MAMR), heat-assisted magnetic recording (HAMR) and bit-patterned media (BPM). A simple example of BPM based on sputter-deposited Co/Pd multilayers and prepatterned substrates at hypothetical recording densities up to one terabit per square inch was studied by magnetic force microscopy (MFM). This system achieved promising results at lower densities, but an actual application for data storage, especially at one terabit per square inch and higher densities, requires elaborate optimizations. For some time now, FePt thin films have attracted much attention as prospective recording layers for high-density magnetic data storage due to their high magnetic anisotropy. The use of FePt films in HAMR is especially promising. This application has been tested successfully by Seagate and its key customers in recent years and is about to be introduced into the nearline hard disk drive market. It requires a tuning of the magnetic properties of FePt, especially of its Curie temperature. The addition of Cu proved to be effective in this regard and can also facilitate the formation of the crucial L10 structure and (001) texture during rapid thermal annealing of sputter-deposited thin films. Such films were prepared as bilayers of Cu and FePt on Si substrates, annealed for 30 s, and analyzed by X-ray diffraction (XRD) and SQUID vibrating sample magnetometry (SQUID-VSM). The influence of large Cu additions on important properties like lattice parameters, mosaicity, magnetic anisotropy and Curie temperature is discussed. The chemical long-range order was calculated from the XRD data, and a dedicated chapter of this thesis covers the most important factors to be considered in such calculations for textured thin films and other samples. The feasibility of creating patterned Fe-Cu-Pt films with perpendicular magnetic anisotropy, as needed for a combination of HAMR and BPM, by deposition through a PMMA mask, a lift-off process and subsequent annealing was investigated as well. The results indicate that the chosen approach might not lead to the required (001) texture when the nanostructures are small enough to compete with today's recording densities, so that either a continuous film might need to be etched after annealing or a seed layer might be required to induce the texture.:1. Motivation: Magnetic Data Storage 2. Experimental Techniques 3. Co/Pd Multilayers on Prepatterned Substrates 4. Fe-Pt and Fe-Cu-Pt Alloys 5. Rapid Thermal Annealing of FePt and FePt/Cu Films 6. Order Parameter Calculation 7. Summary

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektrischen Charakterisierung von Zinkoxid-Nanodrähten, die mittels gepulster Laserablation (PLD) hergestellt wurden. Ausgehend von den so generierten ZnO-Nanodraht-Ensembles werden Methoden zu deren elektrischer Untersuchung diskutiert und auf praktische Anwendbarkeit hin verglichen. Die entwickelten Methoden werden auf Ensembles von auf n-leitenden ZnO- und ZnO:Ga-Dünnschichten aufgewachsenen Phosphor-dotierten ZnO-Nanodrähten angewendet. Deren reproduzierbares, in Strom–Spannungs- (I–U-) Kennlinien beobachtetes diodenartiges Verhalten wird genauer beleuchtet. Im Zusammenhang mit der elektrischen Charakterisierung einzelner ZnO-Nano-drähte werden experimentelle Methoden zur Vereinzelung und zur Kontaktierung der vereinzelten ZnO-Nanodrähte diskutiert. Dabei werden sowohl etablierte Methoden wie Elektronenstrahllithographie (EBL) als auch neue Techniken wie elektronen- und ionenstrahlinduzierte Deposition (EBID/IBID) und Strom–Spannungs-Rastersondenmikroskopie (I-AFM) behandelt und ihre Eignung für eingehende elektrische Untersuchungen und reproduzierbare Messungen analysiert. Die geeignetsten Methoden werden schließlich eingesetzt, um spezifischen Widerstand sowie Ladungsträgermobilität und -dichte sowohl in nominell undotierten als auch in Aluminium-dotierten ZnO-Nanodrähten zu untersuchen und zu vergleichen. In der Ableitung der physikalischen Materialparameter aus den Messdaten wird dabei besonderes Augenmerk auf die Einbeziehung der geometrischen Besonderheiten der Nanodrähte gegenüber Volumenmaterial- und Dünnschichtproben gelegt. Im Zuge dessen wird unter anderem ein Modell für den elektrischen Widerstand in Nanodrähten mit ihrer Länge nach veränderlichem Querschnitt abgeleitet.

By implementing the rolled-up microfabrication method based on strain engineering, several systems are investigated within the contents of this thesis. The structural morphing of planar geometries into three-dimensional structures opens up many doors for the creation of unique material configurations and devices. An exploration into several novel microsystems, encompassing various scientific subjects, is made and methods for on-chip integration of these devices are presented. The roll-up of a metal and oxide allows for a cylindrical hollow-core structure with a cladding layer composed of a multilayer stack, plasmonic metamaterial. This structure can be used as a platform for a number of optical metamaterial devices. By guiding light radially through this structure, a theoretical investigation into the system makeup of a rolled-up hyperlens, is given. Using the same design, but rather propagating light parallel to the cylinder, a novel device known as a metamaterial optical fiber is defined. This fiber allows light to be guided classically and plasmonically within a single device. These fibers are developed experimentally and are integrated into preexisting on-chip structures and characterized. A system known as lab-in-a-tube is introduced. The idea of lab-in-a-tube combines various rolled-up components into a single all-encompassing biosensor that can be used to detect and monitor single bio-organisms. The first device specifically tailored to this system is developed, flexible split-wall microtube resonator sensors. A method for the capturing of embryonic mouse cells into on-chip optical resonators is introduced. The sensor can optically detect, via photoluminescence, living cells confined within the resonator through the compression and expansion of a nanogap built within its walls. The rolled-up fabrication method is not limited to the well-investigated systems based on the roll-up from semiconductor material or from a photoresist layer. A new approach, relying on the delamination of polymers, is presented. This offers never-before-realized microscale structures and configurations. This includes novel magnetic configurations and flexible fluidic sensors which can be designed for on-chip and roving detector applications.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die selektive Funktionalisierung von Siliziumoxidnanostrukturen auf alkyl-passivierten Siliziumoberflächen welche durch rasterkraftmikroskopisch induzierte lokale anodische Oxidation (LAO) erzeugt werden. Bei der gezielten Immobilisierung von funktionalen Molekülen auf den Strukturen werden zwei verschiedene Routen verfolgt – Anbindung von ionischen Farbstoffen über elektrostatische Wechselwirkungen sowie stufenweise kovalente chemische Anbindung von bi-funktionalen Verbindermolekülen und Farbstoffen. Eine Untersuchung der hergestellten funktionalen Strukturen erfolgt mittels Rasterkraftmikroskopie, Raster-Kelvin-Mikroskopie sowie zeitaufgelöster Fluoreszenzmikroskopie und-spektroskopie. Durch zwei unabhängige Methoden kann gezeigt werden dass die Ladungen im lokalen Oxide vergleichsweise stabil sind und die elektrostatische Anbindung somit auch noch nach Tagen möglich sein sollte. Das Verhalten der elektrostatisch angebundenen Farbstoffe hängt stark von deren Art ab. Während es bei Rhodamin 6G nur zu einer minimalen spektralen Änderung im Vergleich zur Lösung kommt so zeigen spermin-funktionalisierte Perylenbisimidfarbstoffe eine deutliche H-Aggregation und Ausbildung von Excimerzuständen. Diese Zustände sind eindeutig thermisch aktiviert und zeigen eine wesentlich höhere Aktivierungsenergie als bei allen anderen bisher untersuchten Perylenaggregaten sowie eine Hysterese bei Temperaturveränderung. Die physikalische Ursache für dieses Phänomen liegt allem Anschein nach in der elektrostatischen Anbindung selbst welche ein instabiles Gleichgewicht mit der Wechselwirkung der Moleküle untereinander bildet. Eine geordnete kovalente Anbindung von funktionalen Silanmolekülen an die mittels LAO erzeugten Strukturen erfordert sehr definierte Prozessparameter. Die spektroskopische Untersuchung von an die funktionalen Silane chemisch angebundenen Fluoresceinfarbstoffen lässt indirekte Schlüsse auf deren Belegungsdichte und damit die Qualität der Silanmonolage zu.

Tactile perception is considered an important contributor to the overall consumer experience of a product. However, what physical properties that create the specifics of tactile perception, are still not completely understood. This thesis has researched how many dimensions that are required to differentiate the surfaces perceptually, and then tried to explain these dimensions in terms of physical properties, by interconnecting human perception measurements with various physical measurements. The tactile perception was assessed by multidimensional scaling or magnitude estimation, in which methods human participants assign numbers to how similar pairs of surfaces are perceived or to the relative quantity of a specified perceptual attribute, such as softness, smoothness, coarseness and coolness. The role of friction and surface texture in tactile perception was investigated in particular detail, because typically tactile exploration involves moving (at least) one finger over a textured surface. A tactile approach for measuring friction was developed by means of moving a finger over the surfaces, mounted on a force sensor. The contribution of finger friction to tactile perception was investigated for surfaces of printing papers and tissue papers, as well as for model surfaces with controlled topography. The overarching research goal of this thesis was to study, systematically, the role of texture in tactile perception of surfaces. The model surfaces displayed a sinusoidal texture with a characteristic wavelength and amplitude, fabricated by surface wrinkling and replica molding techniques. A library of surfaces was manufactured, ranging in wavelengths from 270 nm up to 100 µm and in amplitudes from 7 nm up to 6 µm. These surfaces were rigid and cleanable and could therefore be reused among the participants. To my knowledge, this is the first time in a psychophysical experiment, that the surface texture has been controlled over several orders of magnitude in length scale, without simultaneously changing other material properties of the stimuli. The finger friction coefficient was found to decrease with increasing aspect ratio (amplitude/wavelength) of the model surfaces and also with increasing average surface roughness of the printing papers. Analytical modeling of the finger’s interaction with the model surfaces shows how the friction coefficient increases with the real contact area, and that the friction mechanism is the same on both the nanoscale and microscale. The same interaction mechanism also explains the friction characteristics of tissue paper. Furthermore, it was found that the perceptions of smoothness, coarseness, coolness and dryness are satisfactorily related to the real contact area at the finger-surface interface.  It is shown that it is possible to discern perceptually among both printing papers and tissue papers, and this differentiation is based on either two or three underlying dimensions. Rough/smooth and thin/thick were the two main dimensions of surface feel found for the printing papers, whereas friction and wavelength were strongly related to the perceptual cues employed in scaling the model surfaces. These experimental results support the duplex theory of texture perception, which holds that both a “spatial sense”; used to discriminate the roughest textures from the others, and a “vibration sense”; used to discriminate among the smoother textures, are involved. The perception of what is considered rough and smooth depends on the experimental stimulus context. It is concluded that friction is important for human differentiation of surface textures below about 10 µm in surface roughness, and for larger surface textures, friction is less important or can even be neglected. The finger friction experiments also allowed the following conclusions to be drawn: (i) The interindividual variation in friction coefficients is too large to allow direct comparison; however, the trends in relative friction coefficients for a group of participants are the same. (ii) Lipids are transferred to the test surface of study, and this lowers the friction. (iii) Many of the studies point to a characteristic frequency during sliding of about 30 Hz, which is both characteristic of the resonance frequency of skin and the expected frequency associated with the fingerprints. (iv) The applied load in surface interrogation is in fact regulated in response to the friction force. The limits in tactile perception were indirectly researched by similarity scaling experiments on the model surfaces. Wrinkle wavelengths of 760 nm and 870 nm could be discriminated from untextured reference surfaces, whereas 270 nm could not. The amplitude of the wrinkles so discriminated was approximately 10 nm, suggesting that nanotechnology may well have a role to play in haptics and tactile perception. / Taktil perception bidrar starkt till den sammantagna upplevelsen av en produkt, men hur materials olika ytegenskaper påverkar och styr perceptionen är ännu inte helt klart. Den här avhandlingen undersöker hur många och vilka egenskaper som är viktiga när känslan mellan två ytor jämförs. Tillvägagångssättet är tvärvetenskapligt där fysikaliska mätningar kopplas ihop med perceptions mätningar där människor används som instrument. Två typer av perceptionsförsök har utförts, multidimensionell skalning där försökspersoner sätter siffror på hur lika två ytor känns, samt magnitud estimation där i stället intensiteten på specifika perceptuella storheter som t.ex. upplevt lenhet, upplevd mjukhet och upplevd strävhet bedömdes. Eftersom taktil perception innebär kontakt samt relativ rörelse mellan hud och ytor, har fokus i avhandlingen varit att undersöka hur friktion och ytans struktur (ytråhet) påverkar och bidrar till den taktila perceptionen. Förutom fysikaliska mätningar på friktion och ytstruktur har värmekonduktivitet, mjukhet samt olika standard mätningar inom pappersindustrin mätts. En metod för att mäta friktion mellan ett finger och olika ytor har utvecklats för att i möjligaste mån återspegla friktionskomponenten i upplevt taktil perception. Friktionskoefficienter beräknades och jämfördes mellan alla ytor. De stimuli som har studerats är tryckpapper och mjukpapper samt modellytor, gjorda för att systematiskt undersöka hur ytstruktur påverkar perceptionen. Tillverkningsmetoden för modellytorna valdes så att ytorna var tåliga och kunde tvättas och därmed återanvändas. Strukturen på ytorna bestod av ett vågformat mönster där våglängden varierade mellan 270 nm och 100 µm och amplituden mellan 7 nm och 6 µm. Enligt vår vetskap är det första gången som strukturer i de här skalorna har gjorts utan att samtidigt ändra andra material egenskaper. Friktionskoefficienten minskade med ökad kvot mellan amplituden och våglängden på modellytorna samt med ytråheten på tryckpappren. En analytisk modell tillämpades på kontakten mellan ett finger och ytorna som visade att friktionskoefficienten beror av den verkliga kontaktarean. För de mycket grövre mjukpappren uppmättes inga stora skillnader i friktion förmodligen för att kontakarean mellan de olika mjukpapprena var lika. Den faktiska kontakarean visade sig också vara viktig för perceptionen av lenhet, strävhet, torrhet och svalhet. Det visade sig vara en stor perceptuell skillnad mellan olika typer av tryckpapper och mjukpapper utifrån hur stimuli placerade sig på en taktil karta. För de tre materialen användes enbart två alternativt tre egenskaper hos materialet för att särskilja mellan alla olika par. För tryckpapper verkade en viktig dimension kunna beskrivas av alla de perceptuella och fysikaliska egenskaper som har med kontaktarean att göra, d.v.s. lenhet, svalhet, torrhet, ytråhet, värmekonduktivitet samt friktion. För att taktilt särskilja mellan olika ytor där bara strukturen är varierade, kunde friktion och våglängden relateras till spridningen i kartan. Båda studierna stödjer duplex theory of texture perception, där ett spatialt sinne används för att särskilja en av de grövre ytorna från en slät, och ett vibrationssinne för att särskilja mellan olika släta strukturer. Friktionen visade sig alltså vara en viktig fysikalisk egenskap för strukturer under åtminstone 10 µm i ytråhet. Från fingerfriktions mätningar kunde även följande slutsatser dras: (i) Stora skillnader i friktionskoefficient mellan olika personer uppmättes, men trenderna mellan olika individer var samma, vilket gör att relativa skillnader i friktion från en individ är representativa. (ii) Lipider (fingerfett) som överförs från fingret till ytan vid kontakt sänker friktionen. (iii) Frekvensinnehållet i friktionskraften varierar mellan olika ytor och den frekvenstopp som ses vid 30 Hz kan möjligtvis bero på fingrets struktur eller resonansfrekvensen på huden. (iv) Den pålagda kraften under en friktionsmätning visar sig omedvetet regleras av den friktionskraft som fingret möter under rörelse.  Hur små strukturer som kan diskrimineras har indirekt undersökts genom likhetsförsöket på modellytorna där försökspersoner skulle bedöma hur lika alla par av ytor kändes. Resultaten visade att ytorna med våglängder på 760 nm och 870 nm upplevdes olika jämfört med referens ytor utan något systematiskt mönster, medan ytan med 270 nm i våglängd inte kunde särskiljas. Amplituden på ytan som kunde diskrimineras var endast ca 10 nm, vilket indikerar att nanoteknologi mycket väl kan bidra inom haptiken och för att i framtiden kontrollera den taktila perceptionen. / <p>QC 20121026</p>