The central aim of this thesis is to give further insights into the structural properties of the calcite(104) surface and especially to unravel its surface reconstruction by clarifying the contradicting reports of the (2 × 1) and row-pairing reconstruction. Within this thesis, the pristine as well as the CO and H2O-covered calcite(104) surface is investigated for the first time with non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) operated at 5 K. CO terminated tips are used in the measurements to benefit from the improved contrast capabilities and detailed understanding of contrast formation with these tips.

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.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige, temperatursensitive Polymerbürsten mit terminaler Click-Funktionalität hergestellt, die nicht nur im Detail untersucht bzw. charakterisiert wurden, sondern deren Eigenschaften zusätzlich durch die polymeranaloge Umsetzung mit einem entsprechend modifizierten Fluoreszenzfarbstoff, Polymer oder mit superparamagnetischen Nanopartikeln erweitert werden konnten. Mittels kontrolliert radikalischer Polymerisation wurde mono- und bi-funktionalisiertes Poly(N-isopropylacrylamid) mit unterschiedlichen Endgruppen und Molekulargewichten synthetisiert und über das "grafting to"-Verfahren an eine Modeloberfläche angebunden. Die kovalente Anbindung der entsprechenden Komponenten erfolgte entweder durch die Kupfer-katalysierte oder thermisch induzierte Alkin-Azid-Cycloaddition. Neben den physiko-chemischen Eigenschaften wurde im Besonderen das temperaturabhängige Schaltverhalten dieser funktionellen Polymerbürsten in situ untersucht, wobei neben der spektroskopischen Ellipsometrie als Hauptmethode, zusätzlich Rasterkraftmikroskopie, UV/VIS- und Fluoreszenzspektroskopie, sowie Elektronenmikroskopie verwendet wurden. Im Fall der Farbstoff-modifizierten Polymerbürsten zeigte sich, dass nicht nur die Eigenschaften des Farbstoffs durch das Polymer beeinflussbar sind, sondern auch das Quellverhalten der Polymerbürsten durch den Farbstoff. Die mit Nanopartikeln modifizierten Polymerbürsten zeigten eine homogene Verteilung der Partikel auf der Oberfläche, sowie eine veränderte Schaltcharakteristik, die durch das Auftreten eine dynamischen Wechselwirkungszone zwischen den Polymerbürsten und den Nanopartikeln erklärt werden kann. Mit Hilfe der thermisch induzierten Azid-Alkin-Cycloaddition konnten erstmalig definierte Kettenverlängerungen an Polymerbürsten durchgeführt und gleichzeitig der Nachteil der limitierten Pfropfungsdichte der „grafting to“-Methode überwunden werden. Darüber hinaus konnte der temperaturinduzierte Schalteffekt nicht nur erhalten bleiben, sondern in Bezug auf die Schaltamplitude auch signifikant vergrößert werden und ergab ein sensitiveres, verbessertes Polymerbürstensystem.

Die Weiterentwicklung klassischer, elektronischer Identifikationstechnologien leistet einen wichtigen Beitrag zum technischen Fortschritt in Industrie, Logistik und Gesundheitswesen. Die vorliegende Dissertationsschrift beschreibt die Entwicklung eines Dual-Feed-Antennendesigns für passive UHF-RFID-Transponder auf kritischen Oberflächen. Die zu Grunde liegende Antennenstruktur besteht aus einem Microstrip-Patch unter Verwendung eines verlustarmen Substratmaterials. Dieser erfährt eine Optimierung hinsichtlich seiner Lesereichweite, insbesondere auf kritischen Oberflächen. Ein Zwei-Port-Konzept mit gekoppeltem Feed-Line-Anpassnetzwerk reduziert die Anzahl benötigter, diskreter Komponenten und ermöglicht eine kostengünstige Herstellung mittels klassischer Ätzverfahren. Verschiedene Ansätze zur Modellierung und zur analytischen Berechnung der Antennenparameter werden dargestellt. Des Weiteren erfolgt eine Verifikation der Antennenstruktur anhand eines Konzepts für einen passiven Energy-Harvesting-RFID-Transponder, der zur Temperaturüberwachung in den genannten Branchen eingesetzt werden kann. Dieses Konzept schließt ein effizientes Energiemanagement mittels eines Ultra-Low-Power-Mikrocontrollers sowie Ansätze zur Energiegewinnung und -speicherung mit ein und stellt die Wahl wichtiger Systemparameter und Bauelemente anhand anwendungsspezifischer Abschätzungen dar.

Binäre Polymerbürsten bestehen aus zwei verschiedenen Polymertypen, die nebeneinander auf dem gleichen Trägermaterial verankert sind. Wenn diese Polymere unterschiedliche Benetzungseigenschaften haben, können damit schaltbare Oberflächen produziert werden. Abhängig vom Lösungsmittel, dem man die binäre Polymerbürste aussetzt, streckt sich entweder das hydrophile oder das hydrophobe Polymer zum Lösungsmittel hin, während die zweite Komponente nahe der Oberfläche verbleibt. Durch diese vertikale Phasenseparation kann temporär eine bestimmte Oberflächeneigenschaft erzeugt werden. Allerdings verschwindet diese sofort wieder, wenn ein anderes Lösungsmittel die binäre Bürste benetzt, sei es durch direkten Kontakt oder über die Gasphase. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, neuartige schaltbare binäre Polymerbürsten bestehend aus einem hydrophilen und einem hydrophoben Polymer angebunden auf Siliziumwafern herzustellen, deren Schaltfähigkeit durch photochemische Vernetzung unterbunden werden kann. Geprüft worden ist unter anderem, inwiefern sich hydrophober und hydrophiler Zustand der Schicht fixieren lassen und ob daraus resultierend, eine entsprechende Strukturierung der Oberfläche nach Bestrahlung durch eine geeignete Fotomaske oder durch fokussiertes Licht nachweisbar ist. Als hydrophobe Komponente wurden photovernetzbare Styren/2-(4’-Styryl)-inden-Copolymere verwendet, als hydrophile Komponente kam Polyvinylpyridin zum Einsatz. Mit einem speziellen Oberflächeninitiator konnten durch „Grafting from“ binäre Polymerbürsten mit bis zu 300 nm Schichtdicke erzeugt werden. Es ist gelungen, diese schaltbaren Schichten durch selektive photochemische Vernetzung einer der Bürstenkomponenten im hydrophilen oder im hydrophoben Zustand zu fixieren, was durch Kontaktwinkelmessung nachgewiesen werden konnte. Wie beabsichtigt, verlieren dabei die vernetzten Bereiche ihre Schaltfähigkeit. Es ließen sich feine Oberflächenstrukturen mittels Bestrahlung durch eine Fotomaske erzeugen, die sichtbar werden, wenn man sie mit Wasser benetzt bzw. Wasserdampf aussetzt.

Oligomers and polymers based on functionalized Rf-amides were successfully synthesized for the fabrication of hydrophobic surfaces with either linear or network structure. Firstly, new functionalized Rf-amides (RfCONH-, Rf is a perfluoroalkyl segment) were developed in most cases by a one step reaction and a simple work-up procedure. The reaction behaviors of synthesized Rf-amides in polyreactions were well understood. New fluorinated oligoester polyols, blocked IPDI's, and end-hydroxyl terminated oligo(urea urethane)s have been synthesized, the detail structures and properties are well understood. These materials could be suitable components of powder coatings. On the other hand, the end-hydroxyl terminated oligo(urea urethane)s could be used as reactive additives in high solid content and water-borne coatings. Hydrophobic smooth surfaces based on linear polymers, poly(urea urethane)s and alternating MI copolymers, containing fluorinated side groups were successfully constructed. The attachment of fluorinated side groups into polymers can dramatically alter the surfaces of corresponding polymers from more hydrophilic to hydrophobic due to the enrichment of fluorinated side groups on the top of the surface. The backbone configuration, the polarity of backbones, and the thermal treatment on surfaces can influence the surface properties of corresponding materials. Finally, hydrophobic surfaces of cross-linked polyurethanes as model top coatings were constructed under melt condition at high temperature (180 and 190 oC) using the combination of fluorinated oligouretdiones and non-fluorinated oligoester polyols. It was found that the hydrophobicity of resulting cured films is a matter of the competition between the formation of cross-linking network and the segregation of fluoromoieties on the top of the surface.

The colonization of immersed surfaces by a myriad of marine organisms is a complex, multi-stage, species-specific process giving rise to economic and environmental costs. This unwanted accumulation of organisms in the marine environment, called biofouling, has been attacked from different fronts, going from the ‘problem-elimination-as-problem-solving’ strategy (essentially through the use of biocides) to more elaborated and environmentally-friendly options based on the principle of ‘non-stick’ or ‘easy foul-release’ surfaces, which do not jeopardize marine life viability. Several marine organisms rely on proteinaceous adhesives to secure a holdfast to surfaces. Proteolytic enzymes have been demonstrated to be effective agents against settlement and settlement consolidation onto surfaces of marine bacteria, algae, and invertebrates, their proposed mode-of-action being the enzymatic degradation of the proteinaceous components of the adhesives. So far, however, the evidence remains inconclusive since most of the published investigations refer to commercial preparations where the enzyme is mixed with other components, like additives, which obviously act as additional experimental variables. This work aims at providing clear, conclusive evidence about the potential of serine proteases to target the adhesives produced by a group of model marine biofoulers. The strategy towards the goal consisted in the preparation and characterization of maleic anhydride copolymer nanocoatings modified by a surface-bound enzyme, Subtilisin A, the active constituent of the commercial preparations reported as effective against biofouling. The enzyme-containing maleic anhydride copolymer films were characterized (enzyme surface concentration, activity, stability, roughness and wettability) and thereafter tested in biological assays with three major biofoulers: spores of the green alga Ulva linza, cells of the pennate diatom Navicula perminuta, and cyprid larvae of the barnacle Balanus amphitrite. The purpose of the biological assays was to elucidate the efficacy of the immobilized catalyst to discourage settlement and/or to facilitate removal of these organisms from the bioactive layers. Results confirmed the initial hypotheses related to the enzymatic degradation of the biological adhesives: the immobilized protease was effective at reducing the adhesion strength of Ulva spores and Navicula diatoms in a manner that correlated with the enzyme activity and surface concentration, and deterred settlement of Balanus amphitrite barnacle cyprids even at the lowest surface activity tested. By facilitating the removal of biofilm-forming diatoms and of spores of the troublesome alga Ulva linza, as well as by interfering with the consolidation of adhesion of the calcareous Balanus amphitrite macrofouler, the enzyme-containing coatings here disclosed are considered to constitute an appealing and promising alternative to control marine biofouling without jeopardizing marine life.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein Molekül zu finden und mittels hochauflösender Techniken zu untersuchen, das auf passivierten Halbleiteroberflächen als Schalter in atomaren Schaltkreisen wirken kann. Für diesen Zweck stehen Moleküle zur Verfügung, die aus mindestens einem aromatischen Ring und einer Ankergruppe bestehen, die kovalent auf Silizium bindet. Um einzelne Moleküle auf leitenden Substraten zu untersuchen, hat sich die Nutzung eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM) als geeignetes Werkzeug erwiesen. Zum Einen ist damit die topographische und spektroskopische Charakterisierung von leitenden Proben auf atomarer Ebene möglich, zum Anderen können einzelne Moleküle und Nanostrukturen hochpräzise bewegt oder elektrisch angesprochen werden. Atomare Schaltkreise können besonders präzise auf passivierten Halbleiteroberflächen hergestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Reihe Wasserstoffatome gezielt mit Hilfe einer STM-Spitze von der Oberfläche zu desorbieren. Durch die Überlappung der dann freien Orbitale entstehen, je nach Richtung auf der Oberfläche, atomare Drähte mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Da die Drähte empfindlich hinsichtlich ihrer chemischen Umgebung sind, können diese auch als logische Schaltelemente verwendet werden. Dafür werden die Drähte mit einzelnen Molekülen angesteuert. Geeignete Schaltmoleküle wurden zunächst auf der Au(111)-Oberfläche getestet. Dabei konnten grundlegende und interessante Eigenschaften von selbst-assemblierten Strukturen untersucht werden. Am Modellsystem von nicht-kovalent gebundenen 4-Acetylbiphenyl-Nanostrukturen auf Gold (111) wurde eine neue Methode entwickelt diese Molekülgruppen behutsam zu bewegen. Durch Anlegen eines Spannungspulses auf den Nanostrukturen konnten diese auf der Oberfläche über weite Strecken gezielt und ohne Beeinflussung der internen Struktur positioniert werden. Um Moleküle für zukünftige elektronische Anwendungen zu untersuchen wurde zunächst das Verfahren zur Präparation von sauberen Siliziumoberflächen in die hier verwendeten Anlage implementiert. Es konnten reproduzierbar saubere, (2×1) rekonstruierte Si(100)- Oberflächen präpariert und charakterisiert werden. Nach der erfolgreichen Präparation von Silizium-Oberflächen und der Entwicklung geeigneter Präparationsrezepte für das Schalter-Molekül 4-Acetylbiphenyl (ABP) wurden beide Systeme vereint. Das Molekül konnte erfolgreich auf die Silizium(100)-Oberfläche aufgebracht und die native Adsorptionskonfiguration durch das Anlegen von Spannungspulsen geändert werden. Das Schalten zwischen zwei Konfigurationen ist reproduzierbar und umkehrbar. ABP ist somit der erste umkehrbare molekulare Schalter, der jemals auf Silizium realisiert werden konnte. Bei der Untersuchung technomimetischer Moleküle in Radachsen-Form konnte bisher die Rollbewegung nur anhand der Analyse der Manipulationskurven nachvollzogen und belegt werden. In dieser Arbeit wurde das Rollen eines Nano-Radmoleküls bewiesen. Dazu wurde bei der Synthese in einem Teil der Subphthalocyanin-Räder eine Markierung in Form eines Stickstoffatoms gesetzt. Bei der lateralen Manipulation der Räder auf Gold(111) konnte dann durch Vergleich der STM-Bilder die Markierung verfolgt und darauf geschlossen werden, ob das Rad gerollt oder verschoben wurde. / The aim of this thesis is the investigation of switching properties of single organic molecules, which can be used as molecular latches on a passivated silicon surface. Suitable molecules should be composed of an anchor group that can bind covalently to the silicon surface as well as an aromatic ring for the latching effect. For the imaging as well as the manipulation of single molecules on conductive substrates, a low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM, is a versatile and powerful tool. On the one hand, STM provides topographical and spectroscopic characterization of single molecules on conductive surfaces at the atomic level. On the other hand, under the tip of a STM single molecules and nanostructures can be moved with atomic precision or can be addressed by voltage pulses. Moreover, by STM it is possible to build atomic-scale circuits on passivated semiconducting surfaces as silicon (100). The STM tip is used to extract single hydrogen atoms from the surface to built atomic wires. As the orbitals of the depassivated dangling bonds of the silicon surface overlap differently depending on the direction of the wire in reference to the surface reconstruction, the electrical properties of the wires differ. Moreover, the properties of the wires vary depending on the chemical environment. Taking advantage of these characteristics, the atomic wires can be used as atomic-scale logic elements. However, to bring the input signal to a single logic element, latches are required to controllably passivate and depassivate single dangling-bond pairs. During preliminary studies on possible molecular latches, interesting experiments could be performed on 4-acetylbiphenyl (ABP) on Au(111). The molecules self assemble in non-covalently bond groups of three or four molecules. These groups can be moved controllably by applying voltage pulses on top of the supramolecular structure. The manipulation is possible over long ranges and without losing the internal structure of the assemblies. For the investigation of promising candidates for future molecular electronics on silicon, a preparation procedure tailored to the used UHV machine was developed. During this process, clean (2×1) reconstructed Si(100) surfaces could be prepared reproducibly and were characterized by means of STM imaging and spectroscopy. Switches are essential for electronic circuitry, on macroscopic as well as microscopic level. For the implementation of molecular devices on silicon, ABP is a promising candidate for a latch. In this thesis, ABP was successfully deposited on Si(100) and was switched by applying voltage pulses on top of the molecule. Two stable conformations were found and switching was realized reproducibly and reversibly. In the last part of this work, the rolling of a double-wheel technomimetic molecule was demonstrated. This thesis shows the rolling of a nanowheel on Au(111) as opposed to pushing, pulling or sliding. For this, the subphthalocyanine wheels were tagged by nitrogen during their synthesis. As this tag has different electronic properties than the rest of the wheel, it can be monitored in the STM images. By comparing the images before and after the manipulation the position of the tag proves the actual rolling.

A series of boron-containing conjugated microporous polymers with hierarchical porous structures have been readily prepared via typical transition metal-catalyzed coupling reactions. The distribution of micro- and mesopores in the networks as well as the specific surface areas are tunable via tailoring the structures of the building blocks. The distinct capability of the resulting Lewis acid-based neutral porous polymers to selectively capture fluoride ions provides a high-efficiency conversion into stable anionic porous polymers. For the first time, fluoride anion binding to boron atoms in a solid sample was essentially characterized by solid-state 11B MAS NMR spectroscopy, clearly revealing such an efficient conversion from a neutral network to a negatively charged one only through Lewis acid–base adduct formation. Upon a simple ion-exchange process, various heavy metal cations were facile to be loaded into the networks of the anionic porous polymers. Furthermore, the cobalt(II)-loaded porous polymers were shown to promote the stoichiometric homocoupling reactions of the different aryl Grignard regents, and exert distinct size selectivities for the homocoupling products, highly dependent on their porous structures. Such a successful loading strategy might be used for design and synthesis of new types of zeolite-like porous polymers with desirable catalytic properties for a certain organic transformation, as well as other functional materials.

Oligomers and polymers based on functionalized Rf-amides were successfully synthesized for the fabrication of hydrophobic surfaces with either linear or network structure. Firstly, new functionalized Rf-amides (RfCONH-, Rf is a perfluoroalkyl segment) were developed in most cases by a one step reaction and a simple work-up procedure. The reaction behaviors of synthesized Rf-amides in polyreactions were well understood. New fluorinated oligoester polyols, blocked IPDI's, and end-hydroxyl terminated oligo(urea urethane)s have been synthesized, the detail structures and properties are well understood. These materials could be suitable components of powder coatings. On the other hand, the end-hydroxyl terminated oligo(urea urethane)s could be used as reactive additives in high solid content and water-borne coatings. Hydrophobic smooth surfaces based on linear polymers, poly(urea urethane)s and alternating MI copolymers, containing fluorinated side groups were successfully constructed. The attachment of fluorinated side groups into polymers can dramatically alter the surfaces of corresponding polymers from more hydrophilic to hydrophobic due to the enrichment of fluorinated side groups on the top of the surface. The backbone configuration, the polarity of backbones, and the thermal treatment on surfaces can influence the surface properties of corresponding materials. Finally, hydrophobic surfaces of cross-linked polyurethanes as model top coatings were constructed under melt condition at high temperature (180 and 190 oC) using the combination of fluorinated oligouretdiones and non-fluorinated oligoester polyols. It was found that the hydrophobicity of resulting cured films is a matter of the competition between the formation of cross-linking network and the segregation of fluoromoieties on the top of the surface.