CoCr-Legierungen wurden und werden für orthopädische Implantate verwendet, da sie eine Kombination aus hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität ermöglichen. Seit 1985 wurden metallische Implantate umfassend untersucht, die mit Calciumphosphaten beschichtet sind, um die Biokompatibilität und die Anindung an das angrenzende Knochengewebe zu verbessern. Trotz des Fortschritts und der Entwicklung vieler Technologien ist die Ausfallrate solcher Implantate immer noch ein Problem. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer und einfacher Weg entwickelt, um eine Hydroxylapatit (HAp) -Beschichtung auf einer CoCr-Legierung vermittels einer Suspension aus umweltfreundlichem Kiefernöl (PO), das mit HAp-Partikeln gemischt ist, zu erhalten. Die HAp-Beschichtung wurde unter Verwendung eines Pinsels auf den CoCr-Substraten aufgebracht, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei 800°C für 1 Stunde, um die Haftung zwischen dem Substrat und der Schicht zu verbessern. Verschiedene durch Polieren, Passivieren und einer Wärmebehandlung hergestellte Oberflächenmorphologien sowie ein unbehandeltes Substrat wurden getestet und dann beschichtet, um den Einfluss der Rauheit auf die Wechselwirkung zwischen Substrat und Beschichtung zu bewerten. Die Benetzbarkeit wurden wurde durch Kontaktwinkelmessungen bestimmt. Der Kontaktwinkel von Wasser auf den Metallimplantatoberflächen war viel höher (68°) als der von PO (23°), was einen homogeneren Beschichtungsprozess ermöglichte, wenn PO für die HAp-Suspension verwendet wurde. Rasterelektronenmikroskopie- (REM), Röntgenbeugungs- (XRD) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) -Analysen ergaben, dass die Substrate vollständig mit reinem HAp bedeckt waren. Die Wechselwirkung zwischen Substrat und Beschichtung wurde mittels REM, optischem Profilometer und Bleistift-Kratztest analysiert. Es wurde eine gute Partikelverteilung und für alle getesteten Oberflächenmorphologien eine stabile Bindung zum Substrat nachgewiesen. Die in vitro in simulierter Körperflüssigkeit (SBF) durchgeführten Bioaktivitätstests zeigten eine hohe Beständigkeit gegen Abbau und es wurde eine verringerte Bildung von Rissen auf den Oberflächen nach 21 Tagen Auslagerung beobachtet. Potentiodynamische Polarizations- und Cyclovoltammetrieanalysen bestätigten, dass die beschichteten und unbeschichteten Proben eine gute Korrosionsbeständigkeit zeigten. Die HAp-Beschichtung auf dem passivierten Substrat zeigte im Vergleich zu unbeschichteten Proben eine überlegene Korrosionsbeständigkeit, und es kann angenommen werden, dass hierbei die HAp-Beschichtung den Oberflächenschutz gegen Korrosion verbessert. Die Hochtemperaturbehandlung förderte jedoch die Abnahme der Korrosionsbeständigkeit im Falle des beschichteten, polierten Substrats, was auch das Wachstum von menschlichen primären Zellen aus Knochengewebe beeinflusste, die für in vitro-Zytokompatibilitätstests der verschiedenen Oberflächenmodifikationen verwendet wurden. Um die hohen Kosten und die Komplexität der konventionellen Abscheidungsmethoden und das damit verbundene Risiko einer Phasenumwandlung von HAp zu überwinden, bietet diese Arbeit eine einfache und effiziente Möglichkeit, HAp als mögliche Alternative zur Verbesserung von Knochenimplantaten auf metallische Substrate aufzutragen.:List of Figures vi List of Tables ix List of Abbreviations x Summary xi 1. Introduction 1 1.1 Objective 3 2. Literature review 4 2.1 Metallic biomaterials 4 2.1.1 Co-based alloys 5 2.1.2 Corrosion of CoCr alloys 7 2.2 Surface of metallic implants 11 2.3 Interface between substrate and coating 12 2.4 Cell-surface interaction 13 2.5 Calcium phosphates (CaP) 15 2.5.1 Hydroxyapatite 15 2.6 HAp coating 16 2.6.1 HAp coating methods 16 3. Materials & methods 27 3.1 Synthesis and characterization of HAp powder 27 3.2 Preparation of metallic substrate 27 3.3 Thermal behavior of the Pine Oil 28 3.4 HAp/pine oil slurry preparation and coating process 28 3.5 Characterization of the coating 29 3.6 Surface topography and wettability 29 3.7 Scratch resistance of the coating 29 3.8 Corrosion tests 30 3.8.1 Cyclic voltammetry 31 3.8.2 Potentiodynamic polarization 31 3.9 In vitro bioactivity analyses 33 3.10 Cell culture 34 4. Results & Discussion 36 4.1 Characterization of HAp powder 36 4.2 Thermal characterization of the pine oil 38 4.3 Characterization of the coating surface 40 4.3.1 X-ray diffraction and FTIR analyses 43 4.4 Surface properties 45 4.4.1 Topography, roughness and wettability 45 4.5 Scratch resistance of the coating 50 4.6 In vitro bioactivity and morphology 53 4.7 Metallography of the Co-15Cr-15W-10Ni alloy 62 4.8 Corrosive behavior 63 4.8.1 Effect of heat treatment on corrosion resistance 66 4.9 Cell Proliferation and osteogenic differentiation 68 5. Conclusions 73 5.1 Future perspectives 74 6. References 75 Acknowledgements 90 / CoCr alloys have been used for orthopedic implants as they allow combining high strength, corrosion resistance and biocompatibility. Since 1985 metallic implants coated with calcium phosphates have been widely studied to improve the biocompatibility and adequate bonding to the adjacent bones, but despites of advances and development of many technologies, rate of failure of such implants still are a problem. In the present work, a novel and simple route was developed to obtain hydroxyapatite (HAp) coating on CoCr alloy from a slurry of eco-friendly pine oil (PO) mixed with HAp particles. The HAp coating was deposited onto CoCr substrates using a paint brushing followed by heat treatment at 800°C for 1 h in order to improve the adhesion between the substrate and coating. Several substrate surface morphologies made by polishing, passivation, heat treatment and remaining the substrate untreated were tested, and then coated to evaluate the influence of the roughness on the interaction between substrate and coating. Wettability tests were carried out by sessile drop method; the contact angle of water on the metal implant surfaces was much higher (68°) than that of PO (23°), allowing a more homogeneous coating process when PO was used for HAp suspension. Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analyses indicated a substrate fully covered by pure HAp. The interaction between substrate and coating was analyzed by SEM, optical profilometer and pencil scratch tests. Good particle distribution and tight bonding to the substrate were found for all surfaces morphologies tested. The bioactivity tests in vitro performed in simulated body fluid (SBF) showed high resistance to degradation and a decreased formation of cracks was observed on the surfaces after 21 days of soaking. Potentiodynamic polarization and cyclic voltammetry analyses corroborated that the coated and uncoated samples showed good corrosion resistance. The HAp coating on the passivated substrate presented a superior corrosion resistance compared to uncoated ones and it can be assumed that the HAp coating improve the surface protection against corrosion. However, the high temperature treatment promoted decrease of corrosion resistance in case of the coated polished substrate, which also affected the growth of human primary bone-derived cells which were used for in vitro cytocompatibility tests of the different surface modifications. In order to overcome the high costs and complexity of the conventional deposition methods and the risk of phase transformation of HAp, related to those, this thesis presents a straightforward and efficient route to coat HAp onto metallic substrates as a potential alternative for improvement of bone implants.:List of Figures vi List of Tables ix List of Abbreviations x Summary xi 1. Introduction 1 1.1 Objective 3 2. Literature review 4 2.1 Metallic biomaterials 4 2.1.1 Co-based alloys 5 2.1.2 Corrosion of CoCr alloys 7 2.2 Surface of metallic implants 11 2.3 Interface between substrate and coating 12 2.4 Cell-surface interaction 13 2.5 Calcium phosphates (CaP) 15 2.5.1 Hydroxyapatite 15 2.6 HAp coating 16 2.6.1 HAp coating methods 16 3. Materials & methods 27 3.1 Synthesis and characterization of HAp powder 27 3.2 Preparation of metallic substrate 27 3.3 Thermal behavior of the Pine Oil 28 3.4 HAp/pine oil slurry preparation and coating process 28 3.5 Characterization of the coating 29 3.6 Surface topography and wettability 29 3.7 Scratch resistance of the coating 29 3.8 Corrosion tests 30 3.8.1 Cyclic voltammetry 31 3.8.2 Potentiodynamic polarization 31 3.9 In vitro bioactivity analyses 33 3.10 Cell culture 34 4. Results & Discussion 36 4.1 Characterization of HAp powder 36 4.2 Thermal characterization of the pine oil 38 4.3 Characterization of the coating surface 40 4.3.1 X-ray diffraction and FTIR analyses 43 4.4 Surface properties 45 4.4.1 Topography, roughness and wettability 45 4.5 Scratch resistance of the coating 50 4.6 In vitro bioactivity and morphology 53 4.7 Metallography of the Co-15Cr-15W-10Ni alloy 62 4.8 Corrosive behavior 63 4.8.1 Effect of heat treatment on corrosion resistance 66 4.9 Cell Proliferation and osteogenic differentiation 68 5. Conclusions 73 5.1 Future perspectives 74 6. References 75 Acknowledgements 90 / Ligas de CoCr têm sido empregadas em implantes ortopédicos por permitirem a combinação de alta resistência mecânica, resistência a corrosão e biocompatibilidade. Implantes metálicos revestidos com fosfatos de cálcio têm sido estudados desde 1985 devido a sua capacidade de aumentar a biocompatibilidade e promover a ligação adequada com os ossos adjacentes. No entanto, apesar de todos os avanços e o desenvolvimento de muitas tecnologias, a taxa de falha destes implantes ainda é um problema. No presente trabalho, uma nova e simples rota foi desenvolvida para revestir a liga de CoCr com hidroxiapatita (HAp) a partir de uma mistura óleo de pinho (PO) ecológica com partículas de HAp. O revestimento de HAP foi depositado sobre o substrato de CoCr usando uma pincel de pintura seguido de tratamento térmico a 800 °C por 1 h a fim de aumentar a adesão entre o substrato e o revestimento. Foram testadas diversas morfologias de superfície do substrato, sendo estas polidas, passivadas, tratadas termicamente, além de um substrato não tratado, e em seguida foram revestidas para avaliar a influencia da rugosidade na interação entre substrato e revestimento. Testes de molhabilidade foram realizados pelo método de gota séssil; o ângulo de contato da água na superfície metálica do implante foi muito maior (68°) que os com PO (23°), permitindo uma maior homogeneidade no processo de revestimento quando utilizado PO na suspensão de HAp. Análises por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), difração de raio-x (DRX) e espectroscopia infravermelha por transforma de Fourier (FTIR) indicaram que o substrato foi completamente coberto com a HAp pura. A interação entre o substrato e o revestimento foi analisada por MEV, perfilômetro óptico e teste de arrancamento, os quais demonstraram uma boa distribuição de partículas e uma próxima ligação para todas as morfologias de superfície testadas. Testes in vitro de bioatividade foram realizados com fluido corpóreo simulado (SBF) e apresentaram alta resistência a degradação e uma redução da formação de trincas na superfície foi observada após 21 dias de imersão. Análises de polarização potenciodinâmica e voltametria cíclica comprovaram uma boa resistência à corrosão nas amostras revestidas e não revestidas. O revestimento de HAp no substrato passivado apresentou uma resistência à corrosão superior aos não revestido e pode ser assumido que o revestimento de HAp melhorou a proteção da superfície contra corrosão. No entanto, o tratamento térmico com alta temperatura promoveu uma diminuição da resistência à corrosão no caso do substrato polido revestido, no qual afetou o crescimento de células primárias derivadas de osso humano que foram usadas nos testes de citocompatibilidade in vitro nas diferentes superfícies modificadas. A fim de solucionar o alto custo e a complexidade no método convencional de deposição, além dos riscos da transformação de fase da HAp, esta tese apresenta uma direta e eficiente rota de revestimento de HAp em substratos metálicos como uma potencial alternativa para o melhoramento de implantes ósseos.:List of Figures vi List of Tables ix List of Abbreviations x Summary xi 1. Introduction 1 1.1 Objective 3 2. Literature review 4 2.1 Metallic biomaterials 4 2.1.1 Co-based alloys 5 2.1.2 Corrosion of CoCr alloys 7 2.2 Surface of metallic implants 11 2.3 Interface between substrate and coating 12 2.4 Cell-surface interaction 13 2.5 Calcium phosphates (CaP) 15 2.5.1 Hydroxyapatite 15 2.6 HAp coating 16 2.6.1 HAp coating methods 16 3. Materials & methods 27 3.1 Synthesis and characterization of HAp powder 27 3.2 Preparation of metallic substrate 27 3.3 Thermal behavior of the Pine Oil 28 3.4 HAp/pine oil slurry preparation and coating process 28 3.5 Characterization of the coating 29 3.6 Surface topography and wettability 29 3.7 Scratch resistance of the coating 29 3.8 Corrosion tests 30 3.8.1 Cyclic voltammetry 31 3.8.2 Potentiodynamic polarization 31 3.9 In vitro bioactivity analyses 33 3.10 Cell culture 34 4. Results & Discussion 36 4.1 Characterization of HAp powder 36 4.2 Thermal characterization of the pine oil 38 4.3 Characterization of the coating surface 40 4.3.1 X-ray diffraction and FTIR analyses 43 4.4 Surface properties 45 4.4.1 Topography, roughness and wettability 45 4.5 Scratch resistance of the coating 50 4.6 In vitro bioactivity and morphology 53 4.7 Metallography of the Co-15Cr-15W-10Ni alloy 62 4.8 Corrosive behavior 63 4.8.1 Effect of heat treatment on corrosion resistance 66 4.9 Cell Proliferation and osteogenic differentiation 68 5. Conclusions 73 5.1 Future perspectives 74 6. References 75 Acknowledgements 90

Polyelectrolyte complexation is a rapidly growing field with applications in functional multilayer (PEM) and nanoparticle (PEC) generation, where PEM films are deposited using Layer-by-Layer technique initiated by Decher and PECs are prepared using mixing-centrifugation technique initiated by our group. Its advantages (e.g. easy preparation) result in various applications in aqueous solution, especially in pharmaceutical and biomedical fields. Therefore, the objectives in this study are to explore interesting applications of polyelectrolyte complexation in the field of low molecular chiral compound and high molecular protein binding. Due to the rapidly growing demands for preparing optically pure compounds in the pharmaceutical field, herein, enantiospecific PEM and PEC were prepared using chiral polyelectrolytes (e.g. homo-polypeptide) and their ability of chiral recognition was investigated by ATR-FTIR, UV/Vis etc.. Chiral PEM and PEC showed pronounced enantiospecificity for both small (amino acids, vitamin) and large (protein) chiral compounds. This chiral recognition is performed by a diffusion process of chiral compounds into PEM based on the structures of chiral selector (PEM, PEC) and chiral probes (chiral compounds). However, the influences, e.g. pH value, ionic strength, surface orientation etc., were found to affect significantly the enantiospecificity. Beside planar substrates, porous membranes (e.g. PTFE) were modified using chiral PEM and successfully applied in enantiospecific permeation. Additionally, protein binding properties of PEC particle dispersions or PEC particle films were also studied. Due to the properties of polyelectrolytes used for PEC (e.g. molecular weight, charge density) and proteins (e.g. isoelectric point, size, hydrophobicity), PEC showed different uptake characteristics towards different proteins. Electrostatic and hydrophobic interaction as well as counterion release force were considered as possible driving forces for protein binding.

In dieser Arbeit wurde erstmals die Struktur, die Morphologie und die chemische Ordnung der (113)- und der (001)-Einkristalloberfläche der Legierung Au3Pd bestimmt. Dabei wurden folgende Untersuchungsmethoden eingesetzt: AES, ISS, I(E)-LEED (nur bei der (001)-Oberfläche), LEED, NICISS, RTM. Zusätzlich wurde geklärt, ob und wie sich die genannten Eigenschaften der Au3Pd(001) im Temperaturbereich von 300K bis 775K verändern. Neben dieser Beschreibung von Oberflächen, gab es eine weitere Fragestellung im Bereich der Methodik. Da erstmals in dieser Arbeitsgruppe ein Legierungskristall mit Ionenstreuung (NICISS) untersucht wurde, mußte die für einelementige Einkristalle entwickelte Aufnahme- und die Auswertungsmethode der Daten übertragen werden. Eine angemessene Berücksichtigung der zusätzlichen Eigenschaft (chemische Zusammensetzung) der Oberfläche war dazu erforderlich. Um die Ergebnisse aus der transformierten Aufnahme- und Auswertungstechnik zu überprüfen, wurde eine neue, speziell für Legierungen geeignete Datenaufnahme und -verarbeitung entwickelt. So wurde ein Teil der NICIS-Spektren durch einen Vergleich experimenteller Spektren mit berechneten Spektren ausgewertet. Anhand der reinen Au3Pd(001)-Oberfläche wurde ein gezielter Vergleich der Ergebnisse aus unterschiedlichen Meßdatenaufnahme- und dementsprechenden Datenverarbeitungsmethoden bei der Ionenstreuung durchgeführt. Au3Pd(113)-Oberfläche: Ein Ausheilen der Oberfläche durch Heizen mit anschließendem Abkühlen ergab eine starke Goldsegregation. Eine chemische Ordnung des Kristalls in den obersten Atomlagen dieser Oberfläche kann ausgeschlossen werden. Die Au3Pd(113)-Oberfläche hat eine (1x1)-Struktur als Gleichgewichtsstruktur (NICISS, LEED, RTM) mit einer Oberflächengitterkonstanten von 3,99Å. Der Abstand zwischen erster und zweiter Lage ist, relativ zum Volumenwert, um (14,9±5,8)% kontrahiert. Die Oberfläche wurde mit dem RTM atomar aufgelöst abgebildet. Es ist kein eindeutiger chemischer Kontrast mit dem RTM feststellbar. Die Terrassen sind unrekonstruiert, schmal und länglich. Die Periodizität in [121]-Richtung (quer zu den [110]-Ketten) ist gering (LEED). Es resultierten Oberflächen-Debye-Temperaturen (Atomschwingungen senkrecht zur Oberfläche) für Gold von (80±3)K und für Palladium von (99±3)K in der [110]-Richtung. Au3Pd(001)-Oberfläche: Eine Standardpräparation (Zerstäuben mit anschließendem Ausheilen bei T=775K) der Oberfläche ergab eine starke Goldsegregation (AES, ISS). Die oberste Lage besteht nur aus Goldatomen (NICISS, I(E)-LEED, RTM). Mit Präparationen, bei denen während des Zerstäubens geheizt (Temperatur Tz) wurde ohne nachfolgendes Ausheilen, konnte Palladium in der obersten Lage angereichert werden. Mit dem Rastertunnelmikroskop ließen sich die beiden Elemente unterschiedlich abbilden (chemischer Kontrast). Die Palladiumkonzentration in der obersten Atomlage nahm mit zunehmendem Tz zu (ISS, NICISS, RTM). Bei keiner Art von Präparation wurden Hinweise auf eine chemische Ordnung in den oberen Atomlagen der Au3Pd(001)-Oberfläche gefunden. Die Au3Pd(001)-Oberfläche zeigt nach den eben beschriebenen Präparationen immer eine (1x1)-Struktur (I(E)-LEED, NICISS, RTM), mit einer Oberflächengitterkonstanten von 3,99Å (NICISS). NICIS-Spektren belegen, daß sich diese Struktur in dem Temperaturbereich (T=300-775)K nicht verändert. Bei der ausgeheilten Oberfläche ist sowohl der Abstand zwischen erster und zweiter Lage als auch zwischen zweiter und dritter Lage um (0,9±1,0)% im Vergleich zum Volumenwert kontrahiert. Bei den warm zerstäubten Oberflächen dagegen ist der Abstand zwischen erster und zweiter Lage um (3,9±1,0)%, der zwischen zweiter und dritter Lage um (5,4±1,0)% kontrahiert. Die Oberflächen nach den drei Präparationen konnten mit dem Rastertunnelmikroskop atomar und chemisch aufgelöst abgebildet werden. Wie zu erwarten war, sind die Terrassen wesentlich größer als bei der (113)-Oberfläche und unrekonstruiert. Die Periodizität in der [110]- und der [100]-Richtung ist groß (LEED). Für die ausgeheilte Oberfläche ergibt sich eine Oberflächen-Debye-Temperatur (Atomschwingung senkrecht zur Oberfläche) für Gold von (136±6)K in [100]-Richtung. Für die warm zerstäubten Oberflächen erhöht sich die Debye-Temperatur lediglich im Rahmen der Fehlergrenzen.

Bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine werden Informationen vorrangig über die haptischen, optischen und akustischen Kanäle ausgetauscht. In diesem Beitrag steht die bislang kaum untersuchte Forschungsfrage im Fokus, ob und, wenn ja, wie haptische und optische Einschätzungen von Probanden differieren. In dem Beitrag wird eine Laborstudie zur grundlagenorientierten Untersuchung von Oberflächen vorgestellt. Dabei werden Materialien des Interieurs und Exterieurs von Automobilen untersucht. Es zeigt sich, dass in bestimmten Bewertungsdimensionen ein Unterschied zwischen den Modalitäten besteht.

Fe und Cu wurden als Schlüsselspezies für die Betrachtung von Oberflächenkontamination in der Prozessierung von c-Si-Solarzellen identifiziert. Studien mit gezielt aufgebrachten Metallkonzentrationen vor verschiedenen Passivierungs- und Diffusionsprozessschritten ergaben relativ hohe kritische Werte für Cu, außer bei thermischer Oxidation. Niedrige Werte wurden für beide Elemente vor Hochtemperaturschritten im n-Typ-Hocheffizienzprozess beobachtet, wobei sich die B-Diffusion als etwas weniger empfindlich darstellte. Temporäre Gettereffekte für Fe (in p-Typ-Si) und Cu (in n-Typ-Si) wurden beobachtet. Es zeigte sich, dass As-Cut-Wafer, unabhängig von der Sägeart (SiC-slurry oder Diamantdraht) sehr hohe Metallverunreinigungen (im Bereich 1*1011 – 5*1014 cm-2) in den Prozess einbringen. Das alkalische Ätzen verringert diese Menge kaum, was hohe Anforderungen an die anschließende Reinigung ergibt. Die Optimierung von HF/O3-Reinigungslösung für diese Flächen ergab beste Reinigungsergebnisse bei niedrigen HF-Konzentrationen, abhängig vom alkalischen Ätzschritt und anschließendem HCl/HF-Dip.

A new tool (Infrasorb-12) for the screening of porosity is described, identifying high surface area materials in a very short time with high accuracy. Further, an example for the application of the tool in the discovery of new cobalt-based metal–organic frameworks is given. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Protein structures (cytochrome c) were visualized by TERS measurements on whole mitochondria referring to specific spectral features describing the electronic state of the heme moiety. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

A highly porous metal–organic framework Cu2(BBCDC) (BBCDC = 9,9′-([1,1′-[b with combining low line]iphenyl]-4,4′-diyl)[b with combining low line]is(9H-[c with combining low line]arbazole-3,6-[d with combining low line]i[c with combining low line]arboxylate) (DUT-49) with a specific surface area of 5476 m2 g−1, a pore volume of 2.91 cm3 g−1, a H2 excess uptake of 80 mg g−1 (77 K, 50 bar), a CO2 excess uptake of 2.01 g g−1 (298 K, 50 bar) and an exceptionally high excess methane storage capacity of 308 mg g−1 (298 K, 110 bar) was obtained using an extended tetratopic linker. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Zentrales Thema des Oberflächenkolloquiums 2017 ist die anwendungsorientierte, funktionale geometrische Spezifikation und Messung der Oberfläche im Sinne der Gesamtgeometrie. Neben der Mikrogestalt wird dabei das Zusammenwirken mit der Makrogeometrie zur Erfüllung funktionaler Anforderungen diskutiert. Interessante Beiträge aus Industrie und Wissenschaft zeigen sowohl Lösungen als auch Probleme verschiedenster Fachbereiche auf. / Key issue of the International Colloquium on Surfaces 2017 is the application‐oriented, functional geometrical specification and verification of surfaces as part of the entire geometry. Therefore we discuss the interaction of micro and macro geometry, to fulfill functional requirements. Interesting articles from industry and research point out solutions as well as problems from multifaceted fields of expertise.

The Thesis is focused on the properties of self-organized nanostructures. Atomic and electronic properties of different systems have been investigated using methods of electron diffraction, scanning tunneling microscopy and photoelectron spectroscopy. Implementation of the STM technique (including design, construction, and tuning of the UHV experimental set-up) has been done in the framework of present work. This time-consuming work is reported to greater detail in the experimental part of this Thesis. <br><br> The scientific part starts from the study of quantum-size effects in the electronic structure of a two-dimensional Ag film on the supporting substrate Ni(111). Distinct quantum well states in the sp-band of Ag were observed in photoelectron spectra. Analysis of thickness- and angle-dependent photoemission supplies novel information on the properties of the interface. For the first time the Ni(111) relative band gap was indirectly probed in the ground-state through the electronic structure of quantum well states in the adlayer. This is particularly important for Ni where valence electrons are strongly correlated. Comparison of the experiment with calculations performed in the formalism of the extended phase accumulation model gives the substrate gap which is fully consistent with the one obtained by ab-initio LDA calculations. It is, however, in controversy to the band structure of Ni measured directly by photoemission. These results lend credit to the simplest view of photoemission from Ni, assigning early observed contradictions between theory and experiments to electron correlation effects in the final state of photoemission. <br><br> Further, nanosystems of lower dimensionality have been studied. Stepped surfaces W(331) and W(551) were used as one-dimensional model systems and as templates for self-organization of Au nanoclusters. Photon energy dependent photoemission revealed a surface resonance which was never observed before on W(110) which is the base plane of the terrace microsurfaces. The dispersion E(k) of this state measured on stepped W(331) and W(551) with angle-resolved photoelectron spectroscopy is modified by a strong umklapp effect. It appears as two parabolas shifted symmetrically relative to the microsurface normal by half of the Brillouin zone of the step superlattice. The reported results are very important for understanding of the electronic properties of low-dimensional nanostructures. <br><br> It was also established that W(331) and W(551) can serve as templates for self-organization of metallic nanostructures. A combined study of electronic and atomic properties of sub-monolayer amounts of gold deposited on these templates have shown that if the substrate is slightly pre-oxidized and the temperature is elevated, then Au can alloy with the first monolayer of W. As a result, a nanostructure of uniform clusters of a surface alloy is produced all over the steps. Such clusters feature a novel sp-band in the vicinity of the Fermi level, which appears split into constant energy levels due to effects of lateral quantization. <br><br> The last and main part of this work is devoted to large-scale reconstructions on surfaces and nanostructures self-assembled on top. The two-dimensional surface carbide W(110)/C-R(15x3) has been extensively investigated. Photoemission studies of quantum size effects in the electronic structure of this reconstruction, combined with an investigation of its surface geometry, lead to an advanced structural model of the carbide overlayer. <br><br> It was discovered that W(110)/C-R(15x3) can control self-organization of adlayers into nanostructures with extremely different electronic and structural properties. Thus, it was established that at elevated temperature the R(15x3) superstructure controls the self-assembly of sub-monolayer amounts of Au into nm-wide nanostripes. Based on the results of core level photoemission, the R(15x3)-induced surface alloying which takes place between Au and W can be claimed as driving force of self-organization. The observed stripes exhibit a characteristic one-dimensional electronic structure with laterally quantized d-bands. Obviously, these are very important for applications, since dimensions of electronic devices have already stepped into the nm-range, where quantum-size phenomena must undoubtedly be considered. <br><br> Moreover, formation of perfectly uniform molecular clusters of C₆₀ was demonstrated and described in terms of the van der Waals formalism. It is the first experimental observation of two-dimensional fullerene nanoclusters with "magic numbers". Calculations of the cluster potentials using the static approach have revealed characteristic minima in the interaction energy. They are achieved for 4 and 7 molecules per cluster. The obtained "magic numbers" and the corresponding cluster structures are fully consistent with the results of the STM measurements. / Die aktuelle Doktorarbeit ist auf die Eigenschaften von selbst-organisierten Nanostrukturen fokussiert. Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von verschiedenen Systemen wurden mit den Methoden Elektronenbeugung, Rastertunnelmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie untersucht. Insbesondere wurde die fuer die Rastertunnelmikroskopie in situ praeparierter Proben eingesetzte Apparatur im Rahmen dieser Arbeit konstruiert und aufgebaut. Einzelheiten hierzu sind im experimentellen Kapitel zu finden. <br><br> Der wissenschftliche Teil beginnt mit Untersuchungen von Quantentrogeffekten in der elektronischen Struktur einer Ag-Schicht auf Ni(111)-Substrat. Charakteristische Quantentrogzustaende im Ag-sp-Band wurden in Photoelektronenspektren beobachtet. Die Analyse von schichtdicken- und winkelabhaengiger Photoemission hat neue und wesentliche Informationen ueber die Eigenschaften des Ag/Ni-Systems geliefert. Insbesondere konnte zum ersten Mal eine relative Bandluecke im Ni-Substrat durch das Verhalten der Quantentrogzustaende indirekt vermessen werden. Das ist fuer Ni besonders wichtig, weil es sich bei Ni um ein stark korreliertes Elektronensystem handelt. Die Ergebnisse wurden mit Rechnungen auf der Basis des erweiterten Phasenmodelles verglichen. Der Vergleich ergibt eine Bandluecke, die sehr gut mit ab-initio-Rechnungen auf Basis der lokalen Elektronendichte-Naehrung uebereinstimmen. Dennoch widersprechen die Daten der Ni-Bandstruktur, die direkt mit Photoemission gemessen wird. Diese Kontroverse zeigt deutlich, dass der Unterschied zwischen Theorie und Experiment Korrelationeffekten im Endzustand der Photoemission zugeordnet werden kann. <br><br> Des weiteren wurden Nanosysteme von noch niedrigerer Dimensionalitaet untersucht. Gestufte Oberflaechen W(331) und W(551) wurden als eindimensionale Modellsysteme fuer die Selbstorganisation von Au-Nanoclustern benutzt. Photonenenergieabhaengige Photoemission hat eine neue Oberflaechen-resonanz aufgedeckt, die auf der Basisebene der Terrassen dieser Systeme auftritt. Die Dispersion E(k) von diesem Zustand, die mit winkelaufgeloester Photoemission vermessen wurde, zeigt deutlich die Einwirkung von Umklapp-Effekten. Diese zeigen sich als zwei Parabeln, die relativ zu der Terrassennormale symmetrisch um die Haelfte der Oberflaechen-Brillouinzone verschoben sind. Die erzielten Ergebnisse sind sehr wichtig fuer das Verstaendnis der elektronischen Eigenschaften von eindimensionalen Nanostrukturen. <br><br> Ausserdem wurde gezeigt, dass W(331) und W(551) als Vorlage fuer selbstorganisierte metallische Nanostrukturen dienen koennen. Eine kombinierte Untersuchung von strukturellen und elektronischen Eigenschaften von unter-monolagen Mengen von Au auf diesen Substraten wurde durchgefuehrt. Es hat sich gezeigt, dass Au mit dem Substrat an der Oberflaeche legieren kann, wenn die Oberflaeche ein wenig oxidiert und die Temperatur erhoert ist. Als Folge formiert sich auf den Stufen eine Nanostruktur von gleichen (aber nicht regelmaessig verteilten) Nanoclustern aus dieser Au-W Legierung. Diese Oberflaechenlegierung bildet ein neuartiges sp-Band in der Naehe der Fermi-Kante. Zudem spaltet dieser neue elektronische Zustand in konstante Energieniveaus auf. Das beobachtete Phaenomen wird als laterale Quantisierung interpretiert. <br><br> Das letzte Kapitel dieser Doktorarbeit bildet auch den Hauptteil. Es handelt von Selbstorganisierungsphaenomenen auf einer Oberflaechenrekonstruktion und den Eigenschaften von so hergestellten Nanostrukturen. Das zweidimensionale Oberflaechen-Karbid W(110)/C-R(15x3) wurde intensiv untersucht. Beobachtete Quantentrogeffekte in der Photoemission in Kombination mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopuntersuchungen fuehren zu einem verbesserten Strukturmodell fuer das Oberflaechenkarbid. <br><br> Es wurde auch gezeigt, dass W(110)/C-R(15x3) die Selbstorganisierung von Nanostrukturen mit sehr verschiedenen elektronischen und strukturellen Eigenschaften steuern kann. Es wurde gefunden, dass bei erhoehter Temperatur die R(15x3)-Ueberstruktur die Bildung von Nanostreifen aus unter-monolagiger Au Bedeckung, von denen jede 1 nm breit ist, kontrolliert. Die hergestellten Nanostreifen besitzen eine charakteristische eindimensionale elektronische Struktur mit lateral quantisierten d-Baendern. Basierend auf der Photoemission von Rumpfniveaus wird eine Kohlenstoff-induzierte Oberflaechenlegierung zwischen Au und W als Grund fuer die beobachtete Organisierung vorgeschlagen. Solche Phaenomene sind sehr wichtig fuer Anwendungen, seit die Mikroelektronik in den nm-Massstab eingetreten ist, in welchem mit Quantentrogeffekten zu rechnen ist. <br><br> Zusaetzlich wurde die Bildung von perfekt uniformen molekularen Nanoclustern von C₆₀ auf W(110)/C-R(15x3) demonstriert. Dieses Phaenomen kann im van-der-Waals Formalismus beschrieben werden. Die berichteten Ergebnisse sind eine erstmalige experimentelle Beobachtung von zweidimensionalen Fulleren-Nanoclustern mit "magischen Zahlen". Berechnungen der Clusterpotentiale in der statischen Naeherung im Girifalco-Modell zeigen Minima der Wechselwirkungsenergie fuer Cluster aus 4 und 7 C₆₀-Molekuelen. Diese "magischen Zahlen" sowie die entsprechenden Clusterkonfigurationen sind vollkommen konsistent mit den Ergebnissen des STM-Experiments.